杭深高鐵杭州供電段接觸網防雷分析及其改進措施

張明銳張海龍許玉德張永健周成昆

杭深高鐵杭州供電段接觸網防雷分析及其改進措施

張明銳1張海龍1許玉德2張永健3周成昆4

（1.同濟大學電子與信息工程學院，201804，上海；2.同濟大學交通運輸工程學院，201804，上海；3.上海鐵路局供電處，200071，上海；4.中鐵電氣化鐵路運營管理有限公司杭州維管段，310021，杭州//第一作者，教授）

我國客運專線以高架橋為主，接觸網遭受雷擊的概率較大。為了減輕雷電對接觸網造成的危害，在分析國內外接觸網防雷情況的基礎上，引入了高速鐵路電氣幾何模型（EGM）。通過對模型的分析計算以及與現(xiàn)有防雷措施的比較，同時結合杭深高鐵杭州供電段的防雷現(xiàn)狀，提出了杭深高鐵杭州供電段接觸網防雷的改進措施，得出了杭州供電段每百公里每年的雷擊跳閘率，為杭州供電段制定相關防雷指標及改進方案提供了理論依據(jù)。

杭深高速鐵路；接觸網；防雷；雷擊跳閘率

First-author′s address College of Electronics and Information Engineering，Tongji University，201804，Shanghai，China

杭深高速鐵路客運專線是中國中長期鐵路規(guī)劃的“四縱四橫”客運專線之一，其中杭甬高鐵和甬臺溫客運專線供電由鐵路杭州供電段管轄。

杭甬高鐵是國家高速鐵路網和規(guī)劃建設中的長三角城際鐵路網的重要組成部分。作為沿海高鐵的一段，杭甬高鐵西起杭州東站，向東經蕭山、紹興、上虞、余姚、莊橋，到達寧波站，設計時速350 km，全長約149.8 km，其中橋梁、隧道有121.8 km，占線路總長度的83%。

甬臺溫客運專線位于浙江省東部沿海地區(qū)，線路北起寧波市，經臺州市南至溫州市，北端經蕭甬線與滬杭線、浙贛線連通，南端同金溫線和溫福線連接。設計時速為250 km，全長282.39 km，其中橋梁、隧道180.418 km，占線路總長度的63.8%。

由于杭深高鐵杭州供電段內橋隧比大，使得引雷范圍相較于普速鐵路大大增加［1-2］，且大部分區(qū)域位于雷電多發(fā)區(qū)，在雷雨季節(jié)，極易因雷擊造成接觸網設備損壞，嚴重時甚至造成供電中斷，給鐵路的安全運行帶來了較大隱患。

1 國內外接觸網防雷情況

1.1 國外接觸網防雷現(xiàn)狀

日本和德國是目前世界上高速鐵路相對較發(fā)達的國家，日本新干線是全世界第一條投入商業(yè)營運的高速鐵路系統(tǒng)。在電氣化鐵路防雷設計中，日本根據(jù)雷擊頻度和線路重要程度，將其防雷等級劃分為A、B、C三個區(qū)域，并規(guī)定了相應的防雷措施。A區(qū)為需全線架設避雷線的雷害嚴重區(qū)，屬于重要線路；B區(qū)為需對雷害場所、重點設備進行防雷保護，在特別需要的場所，沿接觸網架設避雷線，也屬于重要線路；A、B區(qū)避雷器設置在牽引變電所出口，接觸網隔離開關兩側，架空線與電纜連接處及架空線終端；C區(qū)為A、B區(qū)以外的區(qū)域，避雷器設置在牽引變電所出口，接觸網隔離開關兩側及架空線與電纜連接處［3］。

德國鐵路是歐洲鐵路中具有代表性的鐵路之一。實際測量結果表明，接觸網每百公里每年的可能遭受的雷擊次數(shù)僅為1次。由于雷擊次數(shù)少，因此，僅在雷害嚴重區(qū)段加裝避雷器，其他區(qū)段不設置避雷裝置。因歐洲整體雷電活動強度較弱，故歐洲國家鐵路防雷措施普遍較為簡單［4］。

1.2 國內接觸網防雷現(xiàn)狀

我國高速鐵路的接觸網防雷設計主要參考TB 10621—2014《高速鐵路設計規(guī)范》和TB 10009—2005《鐵路電力牽引供電設計規(guī)范》兩個標準。根據(jù)上述設計規(guī)范，通常在分相和站場端部絕緣錨段關節(jié)、長度2 km及以上隧道的兩端、供電線上網點和需要重點防護的設備等多雷區(qū)及強雷區(qū)設置避雷器。在各牽引變電所、分區(qū)所和自耦變壓器（AT）所設獨立避雷針，但并未單獨架設避雷線以防止直擊雷。在《鐵路電力牽引供電設計規(guī)范》中，對于防雷接地方式有：

（1）接觸網支柱宜利用回流線或保護線作閃絡保護地線的集中接地方式。

（2）當成排支柱不懸掛回流線或保護線時，可增設架空地線實現(xiàn)集中接地；零散的接觸網支柱宜單獨設接地極接地（有信號軌道回路區(qū)段），或通過接地線直接接鋼軌（無信號軌道回路區(qū)段）。

（3）對于鋼柱，回流線或保護線宜采用絕緣方式；對于鋼筋混凝土支柱，回流線或保護線宜采用不絕緣方式，并應與支柱內部接地鋼筋相連接。當設有綜合貫通地線時，回流線或保護線均宜采用不絕緣方式。

（4）與回流線或保護線連接的吸上線在有信號軌道回路區(qū)段可直接接扼流變壓器線圈中性點，在無信號軌道回路區(qū)段可直接接鋼軌。

（5）避雷器應設接地極實現(xiàn)工作接地。

2 現(xiàn)有防雷措施及其模型

2.1 防雷措施

2.1.1 架設避雷線

避雷線通過其形成的扇形屏蔽區(qū)域防止直擊雷，同時可降低雷電感應過電壓的幅值。根據(jù)經驗計算［5-6］，將避雷線安裝在桿塔頂部，與橫腕臂相距1.7 m，保護角為20°～30°，并與地線相連接（與支柱鋼筋連在一起）。通過支柱底部接地孔接地，保證雷擊過電壓及時通過接地線泄漏至大地中，從而有效防止直擊雷（安裝示意圖如圖1所示）。

2.1.2 安裝放電間隙

在腕臂絕緣子上加裝放電間隙。接觸網在遭受雷擊時，保護間隙內的空氣先被擊穿，用于防止絕緣子在工頻續(xù)流電弧的燒蝕下發(fā)生炸裂、破損等故障，并使重合閘成功，保證供電的可靠性。安裝放電間隙具有結構簡單，便宜等優(yōu)點。但同時存在安裝后會導致全線絕緣水平降低，雷擊跳閘率上升的問題。

圖1 避雷線安裝示意圖

2.1.3 增設避雷器

我國高速鐵路主要采用無間隙氧化鋅避雷器。在正常工作時，流過避雷器的電流極??；遭受雷擊后，避雷器的非線特性發(fā)揮作用，流過避雷器的電流達數(shù)千安培，避雷器處于導通狀態(tài)，釋放過電壓能量，從而有效防止過電壓對接觸網的侵害。避雷器具有防護效果好的優(yōu)點，缺點在于成本較高。

2.2 每百公里每年的雷擊跳閘率

高速鐵路高架橋電氣幾何模型（EGM）如圖2所示。考慮高架橋的影響，需在計算時將中間過程中的γe替換為γE，可得以下計算式［7］：

（1）感應雷擊跳閘率

式中：

Ie（xa）和Ie（xc）——xa和xc點所對應的最小雷電流幅值；

ΔLa和ΔLc——田野側與線路側感應弧的投影長度；

Td——雷電日數(shù)；

γ——落雷密度；

f（I）——雷電流幅值I出現(xiàn)的概率；

η——建弧率；

Imax——當?shù)乜赡艹霈F(xiàn)的最大雷電流幅值。

（2）反擊雷擊跳閘率

式中：

xb-xa——反擊時接觸網的引雷范圍；

Ig——引起接觸網反擊絕緣子閃絡所需的最小雷電流幅值。

（3）繞擊雷擊跳閘率

式中：

xc-xb——繞擊時接觸網的引雷范圍；

Ic——繞擊時造成接觸網直擊跳閘所需的最小雷電流幅值。

圖2 高速鐵路高架橋電氣幾何模型

3 杭州供電段雷擊跳閘情況分析

杭深高鐵杭州供電段的6個變電所、33條供電單元的牽引供電雷擊跳閘情況如表1所示。從表1可看出，2012年、2014年雷擊跳閘數(shù)幾乎占到跳閘總數(shù)的一半，分別為48.9%和49.3%，由此可見雷電導致的跳閘是該段牽引供電設備跳閘的主要因素之一。

表1 杭深高鐵杭州供電段牽引供電雷擊跳閘情況

3.1 變電所跳閘情況

圖3為2012-2014年杭州供電段的6個變電所雷擊跳閘比例圖。2013年10月6—7日，蒼南變電所受臺風影響導致連續(xù)跳閘，排除該影響后，由圖3可知，杭州供電段管內奉化、臺州、溫州南變電所雷擊跳閘較多。針對奉化、臺州、溫州3個變電所的跳閘數(shù)據(jù)，其供電臂斷路器跳閘次數(shù)統(tǒng)計如圖4所示。

圖3 2012—2014年各變電所雷擊跳閘比例

圖4 2012—2014年各變電所供電臂斷路器跳閘次數(shù)

由圖4可以看出，奉化變電所211、212、213、214號斷路器，臺州變電所213、214號斷路器，溫州南變電所211、212號斷路器均屬于受雷擊影響跳閘多發(fā)的供電臂斷路器。

3.2 供電臂雷擊跳閘情況分析

近3年來，牽引變電所供電臂雷擊跳閘集中度情況如表2所示。

表2 近3年來供電臂雷擊跳閘集中度

從表2可以看出，同一供電臂因雷擊跳閘2次及以上的在2012年有12次，2013年有17次，2014年有18次；1 km以內同時出現(xiàn)跳閘的在2012年出現(xiàn)6次，2013年出現(xiàn)8次，2014年出現(xiàn)5次。以上數(shù)據(jù)可以看出，在杭深高鐵存在相對比較集中的雷擊易發(fā)或多發(fā)區(qū)段。

通過2014年溫州、寧波、臺州的每月雷雨或雷暴天數(shù)與相應區(qū)段跳閘次數(shù)對比，得出如圖5所示的關系圖。

圖5 2014年甬臺溫客運專線供電跳閘與雷雨/雷暴天氣對比圖

從圖5的數(shù)據(jù)對比可看出，跳閘次數(shù)曲線與雷雨及雷暴天氣數(shù)量曲線走向基本一致。由此可見，雷雨或雷暴天氣對牽引供電設備跳閘有直接影響。

4 杭州供電段防雷現(xiàn)狀與改進措施

4.1 避雷器與避雷針設置

杭州供電段在供電線上網處、長度超過2 km的隧道或隧道群兩端、車站絕緣關節(jié)處和電分相處、牽引變電所高壓進線側、主變壓器低壓側、2×27.5 kV與27.5 kV饋線側、分區(qū)所進線側、饋線側等位置處設置了電氣化專用氧化鋅避雷器，以限制雷電波的幅值。在各牽引變電所、分區(qū)所和AT所設獨立避雷針以防止直擊雷對全所設備、架構及建筑物的襲擊。

4.2 接地措施

（1）路基與橋梁上每個鋼支柱接地孔通過接地線與附近綜合地線端子連接。

（2）隧道內所有吊柱底座通過“上部接地跳線”接地連線與保護線（PW線）相連接，PW線每隔500 m通過“下部接地線”與隧道內的綜合地線連接。

（3）架設車站內PW線與支柱絕緣通過車站人群聚集區(qū)，增設架空地線（GW）作為閃絡保護地線和與相關支柱、設備等電位連接的貫通地線。作為閃絡保護地線使用的PW或GW線每隔500 m接一次綜合地線（優(yōu)先采用）或不大于10Ω的接地極，地線終端下錨處雙引雙接地（接R≤10Ω獨立接地級且優(yōu)先接綜合地線）。

由此可見，杭州供電段的接觸網防雷與接地設計均符合TB 10621—2014和TB 10009—2005的相關設計指標。

4.3 雷擊跳閘率

取復線上下行線路的中心距離為5 m，正饋線（AF）對地距離為8.34 m；承力索對地高度6.9 m；橋高10 m；AF線絕緣子U50%放電電壓為315 kV；雷電流波前時間為2.6μs；年雷電日40 d。取雷電流概率密度函數(shù)為：

根據(jù)式（1）-（4）計算得：感應雷擊跳閘率ngy= 0.060 375次/（100 km·a），反擊雷擊跳閘率ng=2.489 55次/（100 km·a），繞擊雷擊跳閘率nc=0.090 3次/（100 km·a），總的雷擊跳閘率=2.640 225次/（100 km·a）。

計算結果接近于浙江臺州110 kV、220 kV輸電線路的雷擊跳閘率［8］。相較于德國的防雷措施，杭州供電段具備更為完整的防雷體系［5］。但由于部分線路建設時間較早，對于雷電防護缺乏經驗，因此，需要制定相應的改進措施，對這部分線路進行防雷改造。

4.4 改進措施

按照杭州供電段的實際情況，選取橋梁高度為10 m，雷暴日為30 d，將現(xiàn)有PW線安裝位置抬高兼作避雷線，分別計算抬高前后AF線和傳輸線（T線）的閃絡次數(shù)。設PW線高于AF線1.5 m，保護角α=10°，根據(jù)式（5）計算［9］的結果如表3所示。

式中：

P（I）——雷電流幅值概率分布函數(shù)；

D（I）——導線暴露寬度函數(shù)；

Ilimit——線路最小耐雷水平；

Imax——最大雷電流，不受導線屏蔽時取為300 kA；

Ng——地閃密度，指在統(tǒng)計區(qū)域內一年平均每平方公里發(fā)生的云地放電次數(shù)。

表3 防雷改進前后直擊雷閃絡頻率對比次（/100 km·a）

對比表3中PW線抬高前后AF線和T線的閃絡頻率，可知將PW線抬高后，直擊雷對AF線和T線的影響大大降低。

5 結語

根據(jù)對杭深高鐵杭州供電段雷擊跳閘情況的分析，可知杭州供電段的整體防雷情況較好，每百公里每年的雷擊跳閘率為2.640 225次。建議杭州供電段在雷電多發(fā)區(qū)將回流線或保護線適當抬高兼作避雷線，以減小直擊雷對AF線和T線的影響。制定高鐵每100 km每年雷擊跳閘率指標要求，用于防雷系統(tǒng)綜合評價的指示體系。

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Analysis of Lightning Protection for Hangzhou-Shenzhen High-speed Railway Overhead Catenary System and Improvement Measures

ZHANG Mingrui，ZHANG Hailong，XU Yude，ZHANG Yongjian，ZHOU Chengkun

Most of passenger dedicated lines in China are primarily viaduct lines，resulting in higher probability of lightning stroke on the catenary.In order to reduce the harm caused by lightning，EGM(electro-geometric model)of high-speed railway is introduced based on the analysis of catenary lightning protection methods both in China and abroad.By analyzing the EGM and compared with the existing lightning protection methods，improved lightning protection measures of Hangzhou power supply section are proposed according to the current situation.The lightning trip-out rate of 100 km/year on this line is also calculated，providing a theoretical basis for Hangzhou power section to develop the related lightning protection indexes and scheme improvement.

Hangzhou-Shenzhen High-speed Railway；overhead catenary；lighting protection；lighting trip-out rate

TU895；TM922.5

10.16037/j.1007-869x.2017.08.034

2016-04-15）