柳南客專接觸網(wǎng)防雷研究

周書念（南寧鐵路局柳州供電段，助理工程師　廣西　柳州　545007）

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柳南客專接觸網(wǎng)防雷研究

周書念
（南寧鐵路局柳州供電段，助理工程師廣西柳州545007）

摘要：柳南客專所經(jīng)地區(qū)地理、氣象、氣候條件差別較大，情況復(fù)雜，雷害已成為引發(fā)接觸網(wǎng)故障的主要因素。為保證柳南客專接觸網(wǎng)運(yùn)行的高可靠性，在分析接觸網(wǎng)常用防雷措施的基礎(chǔ)上，結(jié)合柳南客專柳州至小平陽段目前的防雷現(xiàn)狀，提出柳南客專接觸網(wǎng)系統(tǒng)防雷的改建建議。

關(guān)鍵詞：客運(yùn)專線；接觸網(wǎng)；防雷

10.13572/j.cnki.tdyy.2016.02.016

柳州至南寧客運(yùn)專線開通一年來，多次發(fā)生雷擊事件，造成多起供電停電故障，嚴(yán)重干擾正常行車秩序和行車安全。故此，對其接觸網(wǎng)進(jìn)行防雷害分析并采取對策方案非常必要和迫切。

1　柳南客專概況

1.1線路概況柳南客專自柳州新建雙線，引入既有進(jìn)德車站后沿既有湘桂線西側(cè)取直并行至來賓地區(qū)設(shè)新來賓北站，然后跨既有湘桂線后沿既有線東側(cè)取直，在小平陽跨既有湘桂線后沿既有湘桂線西側(cè)取直至黎塘地區(qū)設(shè)黎塘西站，然后大取直引入南寧東樞紐，高架通過既有屯里站和長崗嶺站后沿既有湘桂線增建二線至南寧站。

柳南客專采用AT供電方式，柳南客專柳州至小平陽段，全長99.643 km，設(shè)置進(jìn)德、來賓北等AT牽引變電所2座，設(shè)置鳳凰、水澗等AT分區(qū)所2座；設(shè)置新村、甘烈、廣隆等AT所3座。線路正線接觸導(dǎo)線采用錫銅合金導(dǎo)線CTS-150（高強(qiáng)度），導(dǎo)高5 500 mm，承力索采用鎂銅合金絞線JTMH-120，結(jié)構(gòu)高度1 600 mm，正線線間距4.6 m，正饋線采用LBGLJ-240，保護(hù)線采用LBGLJ-120，全線絕緣泄漏距離按不小于1 400 mm設(shè)計(jì)。

1.2氣象概況沿線屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，其氣候特點(diǎn)是溫暖濕潤，雨量充沛，有明顯的干濕兩季之分，夏季易澇，春秋易旱。

據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2001）典型氣象區(qū)劃分、電力資料、供電運(yùn)營維護(hù)情況及收集的資料，確定柳南客專的氣象條件見表1。

表1　柳南客專柳州至南寧的氣象情況

1.3防雷主要措施柳南客專屬于強(qiáng)雷區(qū)，柳州、南寧均是雷暴日發(fā)生的高發(fā)區(qū)，年平均雷電日數(shù)達(dá)到78.1天，在錨段關(guān)節(jié)式電分相處、區(qū)間的非絕緣錨段關(guān)節(jié)、長度200 m及以上的供電線上網(wǎng)處、分區(qū)所引入線處、開閉所引入線處、長度為2 000 m及以上的隧道口或連續(xù)的隧道群兩端設(shè)氧化鋅避雷器以預(yù)防大氣過電壓。

2　接觸網(wǎng)防雷存在主要問題

2.1雷害對行車干擾嚴(yán)重因雷害導(dǎo)致接觸網(wǎng)跳閘停電，將造成鐵路客運(yùn)列車中斷，特別是高速動(dòng)車組車上從接觸網(wǎng)得到電源的照明、空調(diào)等設(shè)備將停止工作，影響旅客的情緒，嚴(yán)重時(shí)可造成不良的社會(huì)影響。2014年，柳南客專進(jìn)德至小平陽段雷害引起的接觸網(wǎng)跳閘高達(dá)二十多次，其中“8.13”雷擊造成避雷器絕緣擊穿及棒式絕緣子靠支柱側(cè)同時(shí)被擊碎2片，來賓北變電所213饋線由于避雷器短路接地而跳閘，停電3 h 05 min，構(gòu)成鐵路交通一般D類（D21）事故。

2.2雷害故障原因排查難度大雷害導(dǎo)致的接觸網(wǎng)故障主要有：正饋線絕緣子擊穿、接觸懸掛的棒式絕緣子擊穿、供電線電纜頭絕緣擊穿、避雷器絕緣擊穿等。絕緣擊穿的痕跡基本上無規(guī)律可循，特別是棒式絕緣子擊穿，僅憑肉眼巡視檢查，較難發(fā)現(xiàn)。且客運(yùn)專線的維修天窗多是在夜間安排，加上照明的角度、天氣惡劣等因素，加大了絕緣擊穿處所的查找難度。2014年全年柳南客專柳州至小平陽段跳閘共計(jì)25次，其中查明跳閘原因的僅有12次，占跳閘總數(shù)的48%，是雷害原因查找難度大的最好佐證。

2.3避雷器質(zhì)量及設(shè)置距離存在問題

2.3.1避雷器高壓線支持絕緣子擊穿目前柳南客專使用的避雷器是YH 5 WT-42/120，絕緣爬距為1 400 mm。主要技術(shù)指標(biāo)見表2所示。

表2　YH5WT-42/120型避雷器主要技術(shù)指標(biāo)

至今，避雷器高壓線支持絕緣子已于2014年8 月13和10月30日先后2次被擊穿（如圖1、圖2）。

圖1　8月13日避雷器高壓線支持絕緣子擊穿圖

圖2　10月30日避雷器高壓線支持絕緣子擊穿圖

2.3.2避雷器的設(shè)置距離過大目前柳南客專避雷的設(shè)置為錨段關(guān)節(jié)處、饋線上網(wǎng)處。避雷器間隔距離（按照錨段長度計(jì)算）約為1.4 km。雷擊接觸網(wǎng)時(shí)見圖3所示。

圖3　雷擊接觸網(wǎng)示意圖

由圖3可知，雷擊電壓以v=300 m/μs向雷擊點(diǎn)兩邊的接觸網(wǎng)傳播，在接觸網(wǎng)上形成的雷電前行經(jīng)過L/V時(shí)間到雷擊地點(diǎn)A，忽略避雷器殘壓，近似認(rèn)為雷電前行波電壓在A點(diǎn)反射，又經(jīng)過L/V時(shí)間后反射到雷擊點(diǎn)J，要使避雷器動(dòng)作后，接觸網(wǎng)上的絕緣子不發(fā)生放電擊穿，可得接觸網(wǎng)上避雷器的保護(hù)距離〔1〕，公式如下：

取接觸網(wǎng)波阻抗取z=400 Ω，接觸網(wǎng)本身的耐雷水平I取23 kA，瓷質(zhì)棒式絕緣子工頻濕耐受電壓為140 kv，則避雷器的保護(hù)距離L=237 m。則避雷器設(shè)置的合理間距應(yīng)為2 L=474 m，約為500 m。目前避雷器設(shè)置間距為1 400 m，設(shè)置間距過大。

2.4雷擊造成絕緣子擊穿柳南客專進(jìn)德至小平陽段開通一年來，因雷擊跳閘的同時(shí)，共發(fā)生各種形式絕緣子閃絡(luò)或擊碎現(xiàn)象19次，其中T線類（如圖4）絕緣子故障1次，AF線類（如圖5）故障高達(dá)16次，雷擊對高鐵設(shè)備的危害可見一般。

圖4　雷擊瓷質(zhì)棒式絕緣子閃絡(luò)擊穿圖

圖5　雷擊AF線瓷質(zhì)懸式絕緣子閃絡(luò)擊穿圖

3　接觸網(wǎng)主要的防雷方式

3.1避雷器防雷避雷器是連接在導(dǎo)線和大地之間的一種防止雷擊的設(shè)備，通常與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)。避雷器可以有效的保護(hù)電力設(shè)備，一旦出現(xiàn)過電壓，避雷器產(chǎn)生作用，起到保護(hù)作用。當(dāng)被保護(hù)設(shè)備在正常工作電壓下運(yùn)行時(shí)，避雷器不會(huì)產(chǎn)生作用，對地面視為斷路。一旦出現(xiàn)高電壓，且危及被保護(hù)設(shè)備絕緣時(shí)，避雷器立即動(dòng)作，將高壓電沖擊電流導(dǎo)向大地，從而限制電壓幅值，保護(hù)電器設(shè)備絕緣。當(dāng)過電壓消失后，避雷器迅速恢復(fù)到原來狀態(tài)，使得系統(tǒng)能夠正常供電。

接觸網(wǎng)用避雷器應(yīng)體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，其密封性、防爆性、耐污性、可靠性要求較高，不同于一般設(shè)置在變電所內(nèi)的避雷器。目前接觸網(wǎng)常用的避雷器為帶脫離器的氧化鋅避雷器，系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的有效值為27.5 kV，額定電壓有效值為42 kV，持續(xù)運(yùn)行電壓有效值為34 kV，陡波沖擊電流殘壓為138 kV，雷電沖擊電流殘壓為120 kV，操作沖擊電流殘壓為98 kV。雖然設(shè)置避雷器對提高接觸網(wǎng)的防雷擊水平有一定作用，但接觸網(wǎng)上安裝的避雷器保護(hù)范圍約為250 m，保護(hù)范圍有限，只能防止其保護(hù)范圍內(nèi)的接觸網(wǎng)絕緣閃絡(luò)；接觸網(wǎng)用氧化鋅避雷器大都采用帶串聯(lián)間隙的結(jié)構(gòu)，其復(fù)合絕緣子長度短，污染條件下的工頻電壓耐受能力低可能會(huì)增加污閃事故率；如大密集安裝避雷器則每年的預(yù)防試驗(yàn)和維修工作量極大，維修費(fèi)用也將大大增加。

綜上所述，接觸網(wǎng)上安裝避雷器的保護(hù)距離和發(fā)揮的作用有限，只能作為牽引供電系統(tǒng)防雷技術(shù)措施的一種補(bǔ)充，僅能對接觸網(wǎng)高雷區(qū)的局部起防雷作用，未能覆蓋整條線路的接觸網(wǎng)。

3.2避雷針防雷避雷針由引雷器、接地引下線和接地體（接地極）這3部分串聯(lián)組成。避雷針的引雷器是指避雷針頂端部分的金屬針頭。引雷器的位置都高于被保護(hù)的物體。接地引下線是避雷針的中間部分，是用來連接雷電引雷器和接地體的。接地引下線的截面積不但應(yīng)根據(jù)雷電流通過時(shí)的發(fā)熱情況計(jì)算，使其不會(huì)因過熱而熔化，而且還要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。接地體是整個(gè)避雷針的最底下部分。它的作用不僅是安全地把雷電流由此導(dǎo)入地中，而且還要進(jìn)一步使雷電流在流入大地時(shí)均勻地分散開去。避雷針的工作原理就其本質(zhì)而言，避雷針不是避雷，而是利用其高聳空中的有利地位，把雷電引向自身，承受雷擊。同時(shí)把雷電流泄入大地，起著保護(hù)其附近高度比它低的建筑物或設(shè)備免受雷擊的作用。

避雷針保護(hù)其附近高度比它低的建筑物或設(shè)備免受雷擊是有一定范圍的。這范圍像一頂以避雷針為中心的圓錐形的雨傘，罩在雨傘里面空間的物體，可以免遭雷擊，這是避雷針的保護(hù)范圍見圖6所示。

圖6　單支避雷針保護(hù)范圍圖

3.2.1避雷針在地面上保護(hù)半徑的計(jì)算〔2〕

計(jì)算避雷針在地面上的保護(hù)半徑可用公式

式中：Rp為保護(hù)半徑；

h為避雷針的高度；

P為高度影響因數(shù)。

其中，P的取值是：當(dāng)h≤30 m，P＝1；當(dāng)30 m≤h≤120 m時(shí)，P=5.5/h1/2；當(dāng)h＞120 m時(shí)，只能取h= 120 m。

3.2.2被保護(hù)物高度hp水平面上保護(hù)半徑的計(jì)算

1）當(dāng)hp≥0.5 h時(shí)，被保護(hù)物高度hp水平面上的保護(hù)半徑，

式中：Rp為避雷針在hp水平面上的保護(hù)半徑；

hp為被保護(hù)物的高度；

ha為避雷針的有效高度。

2）當(dāng)hp＜0.5 h時(shí)，被保護(hù)物高度hp水平面上的保護(hù)半徑

由于考慮線路避雷針安裝于支柱頂部的穩(wěn)定性，避雷針本體一般高度僅為h=5～6 m（從柱頂算起）。無架空避雷線或地線線路加裝避雷針，只能作為單位避雷針保護(hù)，其保護(hù)范圍使用公式（3）計(jì)算，保護(hù)半徑Rp=（h-hp）P=haP，一般小于10 m，保護(hù)范圍較小。

且安裝避雷針后，支柱落雷的概率將增大，直擊、繞擊減少而增加了反擊的機(jī)會(huì)。由于避雷針的接地引下很難和支柱接地分開，鋼支柱尤其如此，事實(shí)上，形成接觸網(wǎng)絕緣子也頻繁地承受因雷擊避雷針而形成的反擊電壓。由于安裝于支柱頂部，相當(dāng)于增加了支柱高度，支柱越高，支柱的電感越大，流過支柱時(shí)雷電流產(chǎn)生的幅值越高，同時(shí)，支柱越高，大地的屏蔽作用越小，增強(qiáng)了反擊對線路的危害。顯然，考慮避雷針防雷不是最佳方案。

根據(jù)公式推算，避雷針的保戶范圍是局部的，與接觸網(wǎng)的帶狀防雷范圍不相符。

3.3避雷線防雷避雷線又稱架空地線，架設(shè)在桿塔頂部1根或2根，用于防雷。架空輸電線遭遇雷擊時(shí)，可能打在導(dǎo)線上，也可能打在桿塔上。雷擊導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線上將產(chǎn)生遠(yuǎn)高于線路額定電壓的所謂“過電壓”，有時(shí)達(dá)到幾百萬伏。它超過線路絕緣子串的抗電強(qiáng)度時(shí)，絕緣子將“閃絡(luò)”，往往引起線路跳閘，甚至造成停電事故。避雷線可以遮住導(dǎo)線，使雷電流導(dǎo)入大地。避雷線的保護(hù)效果與它下方的導(dǎo)線與避雷線所成的角度有關(guān)，角度越小，保護(hù)效果越好。架設(shè)有2根避雷線的情況下，容易獲得較小的保護(hù)角，線路運(yùn)行時(shí)的雷擊跳閘故障也少，但投資較大。

4　柳南客專接觸網(wǎng)防雷加強(qiáng)建議

柳南客專接觸網(wǎng)分布在曠野，伴隨著鐵路穿過高山、跨過平原，由于接觸線高出地面，且大部分接觸線架設(shè)在高架橋上，它對雷電先到的吸引作用很強(qiáng)。柳南客專采用AT供電方式，接觸網(wǎng)的AF線懸掛位置高于T線，上下行線路的AF線對位于兩者之間的T線構(gòu)成屏蔽，T線引雷寬度較小，并隨著雷電流幅值的增大而減小，考慮接觸網(wǎng)的雷害防護(hù)時(shí)，重點(diǎn)針對AF線的雷害采取措施。

避雷器和避雷針的保護(hù)范圍均是局部范圍，與接觸網(wǎng)帶狀防雷范圍需求不相符。在外局或其他線路有將AT供電方式下的保護(hù)線采用柱頂方式安裝，將保護(hù)線安裝在AF線上方，保護(hù)線起到避雷線作用，可有效防雷。柳南客專進(jìn)德至小平陽段現(xiàn)為AT供電方式，在支柱的田野側(cè)AF線的下方架設(shè)有保護(hù)線，可將保護(hù)線升高至柱頂，兼起到避雷線作用，但此方式，對行車干擾較大，必須在線路封鎖接觸網(wǎng)停電的情況下進(jìn)行施工，必須考慮電氣過渡，施工難度較大。為此，綜合考慮以上防雷方式，建議柳南客專防雷采用新架設(shè)避雷線方式，并且僅考慮AF線的防雷。

4.1避雷線安裝高度的確定避雷線的保戶效果取決于避雷線的安裝高度。根據(jù)高鐵接觸網(wǎng)設(shè)備的特點(diǎn)，架空線只有在既有支柱上加裝，架空地線的安裝高度決定了其保護(hù)范圍。世界各國對接閃器的保戶范圍的計(jì)算方法大體有滾球法、保護(hù)角法和網(wǎng)絡(luò)法3種。我國GB 50057-2010《建筑防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定接閃器采用滾球法計(jì)算〔3〕。

按照滾球法計(jì)算原理（如圖7所示）：避雷針在hx高度的x x’平面和地面上的保護(hù)半徑按下列方法確定：

式中：rx為避雷針在hx高度x-x’平面的保護(hù)半徑；

hr為為滾球半徑；

hx為被保護(hù)物的高度（m）；

圖7　滾球法避雷線保護(hù)范圍示意圖

柳南客專安裝直線段中間單腕臂安裝（見圖8所示），不難分析出，對于一般中間柱的AF線，在被保護(hù)AF線高度hx=7.2 m上，AF線被保護(hù)半徑rx= 1.4 m（AF線水平安裝間架與支柱水平距離按1.4 m計(jì)），可得避雷線的安裝高度為9 m。在支柱位置，避雷線安裝在支柱柱頂上方0.8 m即可。

圖8　柳南客專示懸掛安裝示意圖

4.2避雷線的線材確定根據(jù)在電力系統(tǒng)中架空避雷線一般采用鍍鋅鋼絞線。由于增設(shè)的避雷線的主要作用是防止雷擊導(dǎo)線，為增大同截面導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度，建議采用電力系統(tǒng)常用的鍍鋅鋼絞線作為避雷線。

按照防雷裝置設(shè)計(jì)與安裝要求，避雷線宜采用截面不小于50 mm2的熱鍍鋅鋼絞線。同時(shí)，為減小增設(shè)的避雷線對既有支柱容量的影響，避雷線的額定張力不能太大，推薦采用5 kN〔4〕。

4.3避雷線的固定形式由于柳南客專接觸網(wǎng)PW線通過吸上線、H型鋼柱等于綜合接地系統(tǒng)相連，采用的是非絕緣安裝形式。為使避雷線與綜合接地系統(tǒng)及弱電設(shè)備相對隔離，推薦避雷線采用絕緣子懸掛的絕緣安裝形式，并采用抱箍將避雷線支架與支柱的柱頂固定安裝方式。

4.4避雷線的接地方式根據(jù)武廣客專鐵路新增避雷線接地經(jīng)驗(yàn)，推薦采用每隔200 m進(jìn)行接地設(shè)置〔4〕。為使避雷線接地與綜合接地系統(tǒng)相對隔離，避雷線采用單獨(dú)接地；路基區(qū)段避雷線接地引至路基外離路基20 m以外接至不大于10 Ω的獨(dú)立接地極。橋梁區(qū)段如橋梁墩臺不高，且橋下狀況較好，推薦采用引下獨(dú)立接地極。如獨(dú)立接地極引下困難，可單獨(dú)雙引下連接至橋墩頂部預(yù)留的綜合接地端子，同時(shí)拆除該橋墩與橋梁之間的接地連接，確保接觸網(wǎng)防雷接地與鐵路綜合接地系統(tǒng)和信號防雷接地屏蔽分離；引下線采用70 mm2絕緣單芯銅纜，避免與綜合接地系統(tǒng)的直接相連。

5　結(jié)論

為保證客運(yùn)專線運(yùn)行的高可靠性、達(dá)到牽引供電系統(tǒng)少維護(hù)的目的，目前，柳南客專鳳凰至來賓北區(qū)間重雷區(qū)接觸網(wǎng)防雷設(shè)計(jì)中，己經(jīng)采用架設(shè)避雷線方案，待柳南客專鳳凰至來賓北區(qū)間重雷區(qū)避雷線架設(shè)完成后，統(tǒng)計(jì)雷害數(shù)據(jù)與2014年同期比較，屆時(shí)可驗(yàn)證避雷線的防雷效果。

高速鐵路客運(yùn)專線接觸網(wǎng)系統(tǒng)的防雷，已成為影響列車安全運(yùn)行的重要因素之一，成為保障列車高速安全運(yùn)行的短板，在工程實(shí)踐中應(yīng)根據(jù)雷電活動(dòng)情況，考慮環(huán)境、地形、雷暴日等情況，因地制宜，采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

參考文獻(xiàn)：

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中圖分類號：U224.2+5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-8686（2016）-02-0043-05