淺析鐵路牽引供電系統(tǒng)防雷技術研究與建議

王志剛

摘要： 隨著鐵路行業(yè)的迅速發(fā)展，人們的生活越來越離不開便捷高速的鐵路運輸方式，并對其安全性提出了更高的要求。電氣化鐵路是以電能為牽引動力的一種現代化交通運輸工具，在其設備維護的過程中，牽引供電系統(tǒng)是否正常運行顯得尤為重要，如果被雷擊中損失巨大。因此，雷擊是引起牽引供電系統(tǒng)故障主要原因之一。鑒于此，本文闡述了雷電對鐵路牽引供電系統(tǒng)以及鐵路運輸安全造成的威脅，淺析了雷電防護中存在的問題，并對雷擊所導致絕緣子閃絡的原因進行了分析，提出了一些改善優(yōu)化鐵路牽引供電系統(tǒng)防雷體系的建議。

Abstract： With the rapid development of the railway industry， people's lives are more and more inseparable from the transportation mode of high-speed railway， and the higher requirements for railway security are put forward. Electrified railway is a kind of modern transportation means， which is based on electric energy. In the process of equipment maintenance， the traction power supply system is particularly important. If the traction power supply system is struck by lightning， the loss is very huge. Therefore， the lightning is one of the main causes of the failure of traction power supply system. So， this paper expounds the threat of the railway traction power supply system and safety of railway transportation caused by thunder and lightning， analyzes the problems in lightning protection and analyzes the causes of insulator flashover caused by lightning stroke to put forward some suggestions for improving the lightning protection system of railway traction power supply system.

關鍵詞： 鐵路；牽引供電系統(tǒng)；防雷技術

Key words： railway；tractive power supply system；lightning protection technology

中圖分類號：TM862 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）06-0143-02

0 引言

據了解，我國一直堅持在鐵路牽引供電系統(tǒng)防雷技術方面的研究，為鐵路安全可靠運行以及運行速度的提高提供著重要的理論依據和實踐參考。鐵路牽引供電系統(tǒng)防雷工作落實是否到位，將直接影響鐵路運輸以及鐵路安全，并可能導致一系列事故的發(fā)生。通過有關專家研究，我國的鐵路牽引供電系統(tǒng)仍存在一些弊端和缺陷。通過電氣幾何模型及實測數據可以分析沒有避雷線時鐵路牽引供電系統(tǒng)的雷擊特性，通過分析發(fā)現，雷擊次數的翻倍增加，再加上高架橋平均高度達到一定數值后，就會導致感應過電壓很小，引發(fā)鐵路事故發(fā)生。而且傳統(tǒng)的感應雷防護體系是沒有效果的，并且隨著鐵路交通設施建設規(guī)模的日益加大，高架橋的高度還在繼續(xù)增高，感應雷和直擊雷引起的絕緣閃絡次數也在不斷增加。由此可見，鐵路牽引供電系統(tǒng)防雷技術必須進行改進和優(yōu)化。

1 雷電對列車安全造成的威脅

如果牽引供電系統(tǒng)被雷擊中將會導致列車的供電被中斷，造成列車被迫停運，甚至會直接導致列車事故，造成人員的傷亡和較大的經濟損失。在鐵路運輸史上，由于雷擊造成的列車事故歷歷在目，其中“7.23”甬臺溫特大鐵路交通事故從開始到結束的七分鐘內，雷擊累計次數竟然達到近百次。有關專家分析這次事故，當時牽引供電系統(tǒng)的電力荷載能力達不到列車運行需要的電力系統(tǒng)的要求，引發(fā)了單相接地系統(tǒng)的跳閘，而且當時鐵路沿線的高架橋眾多，雷擊概率陡然增大，導致絕緣子被破壞嚴重，短時間內跳閘密集爆發(fā)。牽引供電系統(tǒng)雷擊防護管理不到位，會引起絕緣子擊穿爆炸而導致長達數小時的鐵路運輸中斷，給鐵路運輸帶來巨大的經濟損失和安全風險。因此，雷電對鐵路運輸的威脅是不可忽視的。

2 防雷體系以及缺陷

2.1 防雷體系

普速列車牽引供電設備包括變電設備（變電所、開閉所、分區(qū)所）、接觸網和遠動系統(tǒng)。牽引供電設備應保證不間斷行車的可靠供電。牽引供電能力應與線路的運輸能力相適應，滿足規(guī)定的列車重量、列車密度和運行速度的要求。雖然變電所的防雷技術非常完善，但是只在線路的變電所入口，隧道口兩端等關鍵部位安裝了避雷裝置。鐵路通常用高架橋的方式跨越河流和谷地，高架橋上的接觸網支柱一般都通過橋墩里面的接地引下線以及內部鋼筋結構接地，在這種情況下接地電阻有一些是不合格的，所以為防止雷擊高架橋上的接觸懸掛系統(tǒng)過電壓導致的絕緣閃絡，就在大橋兩端安置避雷設施。

2.2 缺陷

鐵路接觸網防雷設計除了在部分關鍵處安裝避雷器，幾乎全線不安裝避雷線。我國鐵路運行線路中高架橋非常多，高架距離非常廣，很多高架橋處接觸網對地高度和110kV架空線路的對地高度相似，在沒有避雷線的情況下，接觸網系統(tǒng)遭受雷擊的危險性很高。直擊雷進入接觸網的路徑主要有雷擊正饋線、雷擊承力索、雷擊保護線等。通過測試可知，牽引網雷擊正饋線懸式絕緣子雷擊閃絡幾率要比腕臂絕緣子雷擊閃絡概率高。據有關數據表明，雷擊正饋線絕緣子的破壞幾率超過了T線絕緣子的三十倍。導致這種現象出現的原因就在于，正饋線位于承力索的外側，且其設置的位置也高于承力索，故而在發(fā)生雷暴天氣的狀況下。正饋線遭受到累計的的概率要高于承力索。

當今防雷系統(tǒng)就是通過在線路的關鍵位置安裝避雷設施以防止直擊雷和感應雷的襲擊，但是效果都不好，尤其是面對直擊雷的襲擊。很多鐵路都發(fā)生過連續(xù)多個避雷器動作，但是變電所依舊出現跳閘，其原因就是沿線接地電阻大，避雷器殘壓太高。

鐵路運輸中，列車牽引引起的電流短路時有發(fā)生，具有電阻在鋼軌產生泄露的特點。因此，地面人員在鐵路運行過程中觸電的情況并不鮮見。為了規(guī)避這種觸電事故的發(fā)生，在技術上采用了多種方式予以預防，如綜合接地方式，就是在運行地段打下接地極，按照地線的貫通要求進行接地極的埋設，無論是數量，還是位置，均要符合貫通地點的接地電阻數值要求。例如，如果工頻電壓波長是6000公里，則供電臂的長度就應該是大約20公里。而且，供電臂的接地就是要降低綜合接地系統(tǒng)的電阻。包括經過河流、山谷等雷電多發(fā)地段時，接地電阻可以達到幾十甚至上百個歐，如果在鐵路運行過程中，接地電阻是少于工頻接地電阻的要求，就很容易發(fā)生絕緣子閃絡等故障，導致避雷器等設施發(fā)生爆炸。還要考慮列車運行對于橋梁等沖擊電阻的影響，防止接地鋼筋產生的火花或者電感效應等導致的絕緣子的破壞，所有的工作都是要進一步完善和優(yōu)化工頻接地電阻表征以及接地電阻的運行。

鐵路沿線的土壤參數以及雷電參數都不盡相同，在不同的雷電危害下的防雷設施應該具有針對性，而在鐵路運行的防雷電的設計中卻缺少這方面的研究。

3 優(yōu)化鐵路供電系統(tǒng)防雷體系

3.1 正饋線和雷擊承力索的防護

35 kV以下的線路接觸網支柱不應附掛通信、有線電視等非供電線路設施；在設有接觸網的線路上，嚴禁攀登車頂及在車輛裝載的貨物之上作業(yè)；如確需作業(yè)時，須在指定的線路上，將接觸網停電接地并采取安全防護措施后，方準進行?？梢钥紤]采用抬升PW保護線，專用避雷線，回流線以進行雷擊預防。在圖二中，a是接觸網線到支柱間的長度。L′是復線鐵路兩側線路中心的橫向距離。d是A到軌道平面的垂直距離。其保護范圍就是弧AB′。依據接觸網的參數和不同線路形式可以算出避雷線架設建議高度。單線鐵路接觸網的避雷線架設高度是9米，復線架設高度7.2米。4線鐵路并行時，四根支柱并列，其避雷線架設高度取7.6米。4線硬橫梁形式的接觸網避雷線假設高度取7.5米。4線中3線是硬橫梁形式，另一線是支柱形式接觸網。1線和3線的接觸網避雷線假設高度分別是9米和7.3米。通過試驗證明，這種方案明顯減少了雷擊跳閘次數。

3.2 對絕緣子破壞的防護

在雷擊過程中，過電壓不僅會讓絕緣子出現閃絡現象，其閃絡之后的電弧還會燒蝕，以致使絕緣子永久性毀壞。針對這種情況可以在懸式絕緣子和水平絕緣子兩端裝置帶間隙或者保護間隙避雷器。在絕緣子的兩端增加保護距離，可以疏導工頻電弧，定位雷擊閃絡位置，避免絕緣子損害，從而起到保護絕緣子的作用。但是絕緣子的沖擊閃絡電壓削減了線路的抗雷水平，如果加入絕緣間隙就會增加雷擊的跳閘概率，因此需要配合高效可靠的自動重合閘系統(tǒng)。

3.3 加強雷電監(jiān)測

牽引變電所應采取防雷措施，設置機房專用空調?？刂?、保護及通信設備，應裝有防止強電及雷電危害的浪涌保護器等保護設備，電子設備應符合電磁兼容有關規(guī)定。所以，在氣象部門借鑒了雷電監(jiān)測技術，在對鐵路走廊周圍雷電互動密切監(jiān)測的基礎上，開發(fā)出更適合于監(jiān)測鐵路走廊的雷電監(jiān)測系統(tǒng)，并不斷進行了優(yōu)化，經過統(tǒng)計，獲得了列車運行過程中雷電流幅值和地閃密度等相關重要參數。還能對走廊沿線的雷電活動在必要時進行檢測預警，劃分并記錄下鐵路雷電區(qū)強弱。根據雷電監(jiān)測體系記錄下鐵路雷擊故障的情況以及雷電活動情況，以供電臂為單位，明確感應雷和直擊雷，并兼顧雷電故障信息和雷電流的統(tǒng)計參數，采取各種防護實現對鐵路牽引網的針對性防雷。

4 結語

通過鐵路牽引供電系統(tǒng)防雷技術的研究，可以找到防雷技術的一些不足，根據這些不足加以分析，文章最終明確了幾種優(yōu)化方案。希望在不久的將來，在有關技術人員的一致努力下，鐵路牽引供電防雷體系能夠越來越完善，從而使得人們的出行有一個更高水平的保障，也使得鐵路行業(yè)有一個更加廣闊的發(fā)展空間。

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