鐵路牽引供電接觸網(wǎng)直擊雷防護分析

劉建軍

（中鐵電氣化局集團第一工程有限公司，北京 100070）

1 引言

相關(guān)調(diào)查顯示，列車在運行期間接觸網(wǎng)遭受雷擊的發(fā)生率偏高，這已經(jīng)成為不容忽視的問題。例如，京滬高鐵由北京發(fā)往上海方向的列車因為接觸網(wǎng)遭受雷擊而癱瘓2 h，造成了一定的經(jīng)濟損失。由此可見，為保證列車正常運行，需要完善符合我國實際情況的接觸網(wǎng)直擊雷防護技術(shù)，這也是本次研究的主要目的。

2 防雷技術(shù)

2.1 架設(shè)避雷線

架設(shè)避雷線，可以形成扇形屏蔽區(qū)域，達到規(guī)避直擊雷的目標(biāo)。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，該技術(shù)可以改善雷電感應(yīng)過電壓的參數(shù)值，有助于強化防雷效果。根據(jù)現(xiàn)有工程項目經(jīng)驗，避雷線通常安裝在塔桿頂部位置，設(shè)定保護角20°～30°，與橫腕臂相距1.7 m，與地線連接。上述結(jié)構(gòu)可確保雷擊后的電壓快速泄漏至大地，達到保障安全的目的[1]。

2.2 安裝放電間隙

安裝放電間隙是在腕臂絕緣子上采用雙重絕緣并增設(shè)放電間隙。在雷擊發(fā)生后，保護間隙中的空氣往往先被擊穿，安裝放電間隙用于防止絕緣子在工頻續(xù)流電弧的燒蝕作用下發(fā)生炸裂、破損等故障，并使重合閘成功，保證供電的可靠性。通過在現(xiàn)有防雷系統(tǒng)中安裝放電間隙具有操作簡單、成本低等優(yōu)點，但是相關(guān)人員要警惕絕緣水平下降等情況。

2.3 設(shè)置避雷器

目前，在高速鐵路上常見的避雷器為無間隙氧化鋅避雷器，在正常工況下流過壁壘的電流量幾乎可以忽略不計。但是在雷擊發(fā)生后，因為避雷器具有非線性特性，瞬間通過避雷器的電流量可能達到數(shù)千安培，此時避雷器為導(dǎo)通狀態(tài)，可以短時間內(nèi)釋放電壓能量，最終降低雷擊的傷害[2]。

3 實例分析

3.1 案例項目簡介

某鐵路供電段共設(shè)置6 個變電所以及33 個供電單元，根據(jù)2018－2020 年的相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，近幾年雷擊跳閘次數(shù)明顯增加，相關(guān)數(shù)據(jù)如表1 所示。

同時，案例項目的調(diào)查結(jié)果顯示，牽引變電所供電臂雷擊跳閘集中度的相關(guān)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 供電臂雷擊跳閘集中度的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果

結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀笮畔⒌荣Y料展開進一步分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)罔F路牽引供電接觸網(wǎng)雷擊現(xiàn)象與惡劣氣候數(shù)量呈正比例關(guān)系，因此，可認(rèn)為雷雨等惡劣天氣與雷擊跳閘之間存在相關(guān)性。

3.2 防雷措施

在案例項目中所采取的防雷措施主要包括以下幾種。

3.2.1 設(shè)置避雷器與避雷針

設(shè)置避雷器與避雷針是案例項目的主要防雷措施。通過在供電線上網(wǎng)處以及長度超過2 km 的隧道或者隧道群兩端位置、車站絕緣關(guān)節(jié)處等特殊部位設(shè)置避雷器（電氣化專用氧化鋅避雷器），這種方法可以控制雷電波幅值，同時在各牽引變電所以及分區(qū)所在位置設(shè)置避雷針，這種設(shè)計方案的主要目的是減少建筑物、主要電氣設(shè)備所遭受雷擊傷害。

3.2.2 接地措施

該項目的主要接地措施主要包括：（1）在橋梁與路基的鋼支柱接地孔位置做接地，接地線與地線端子連接。（2）隧道內(nèi)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，隧道內(nèi)的吊柱底座經(jīng)上部接地連線與PW 線（保護線）連接，PW 線與綜合地線系統(tǒng)連接，保證了防雷接地效果。（3）車站及旅客密集區(qū)域，設(shè)置GW 線（架空地線）為閃絡(luò)保護地線。PW 線與支柱絕緣系統(tǒng)通過車站的旅客密集區(qū)域，在車站周圍設(shè)置GW 線（架空地線）為閃絡(luò)保護地線，并每隔500 m 位置連接綜合地線，連接小于或等于10 Ω 的接地極，或者與小于或等于10 Ω 的接地極對接。

3.2.3 電氣幾何模型

為更深入了解案例項目雷擊相關(guān)問題，通過構(gòu)建電氣幾何模型（EGM）來分析整個系統(tǒng)雷擊情況。該模型的基本原理為：在雷擊發(fā)生后，雷電先導(dǎo)向地面發(fā)展，當(dāng)達到線路的臨界擊穿距離屏蔽的范圍時，即向該條線路放電。在該集合模型中，擊距是影響雷擊效果的重要物理量，不容忽視。

同時根據(jù)當(dāng)前水平導(dǎo)體的模擬內(nèi)容可知，傳統(tǒng)的工作中主要將水平導(dǎo)體等效為中心位置線電荷，而在實際上，受到下行先導(dǎo)作用影響，導(dǎo)線表面上的電荷分布存在明顯的差異性，一般沿著Y 軸方向，可能存在n 個離散的線電荷，導(dǎo)致電氣幾何模型所模擬的內(nèi)容更加復(fù)雜。

3.2.4 架設(shè)避雷線

該項目在接觸網(wǎng)未架設(shè)避雷線之前，接觸網(wǎng)處于完全暴露在雷電先導(dǎo)的情況下，影響防雷效果，所以在架設(shè)在接觸網(wǎng)的上下行支柱上各設(shè)置獨立避雷線。此時理論上最大耐雷理論水平達到了300 kA，此時接觸網(wǎng)導(dǎo)線雷擊跳閘率可以按照式（1）驗算：

式中，Rk為雷擊跳閘率；γ 為落雷密度值；Td為雷電日；η 為建弧率，接觸網(wǎng)AF 線取0.95，T 線取0.73；Imin為最小耐雷理論水平，最大值≤3.0 kA；Imax為最大耐雷理論水平；P（I）為雷電流概率密度函數(shù)；ΔI 為變化量，本次研究中取值為1.0 kA；D（I）為導(dǎo)線引流寬度。

根據(jù)式（1）的相關(guān)數(shù)據(jù)計算架設(shè)避雷線前后案例項目的雷擊閃絡(luò)情況后，相關(guān)數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 安裝避雷線前后的雷擊跳閘數(shù)據(jù)

根據(jù)表3 的相關(guān)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在安裝避雷線后，線路發(fā)生雷擊跳閘的次數(shù)明顯減少，提示該技術(shù)措施可以取得滿意的防雷接地效果，所提出的“在接觸網(wǎng)的上下行支柱上各設(shè)置獨立避雷線”技術(shù)具有可行性。

需要注意的是，在鐵路牽引供電接觸網(wǎng)直擊雷防護中，架設(shè)避雷線前，原防雷接地系統(tǒng)隨著雷暴時間的增加，接觸網(wǎng)的直擊雷閃絡(luò)問題更為嚴(yán)重，而高架橋高度的增加與直擊雷跳閘率之間存在相關(guān)性。因此，為了進一步提升防雷保護效果，建議在雷暴日超過60 d 的地區(qū)架設(shè)專門的避雷線。

3.2.5 改善接地方案

接觸網(wǎng)接地系統(tǒng)的廣泛使用可以強化直擊雷防護效果。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，當(dāng)前綜合接地系統(tǒng)的接地電阻的參數(shù)應(yīng)小于或等于1Ω，所以在改進方案中也應(yīng)該考慮到該數(shù)值的影響[3]。根據(jù)案例項目的勘察結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前的綜合接地系統(tǒng)中電阻的相關(guān)參數(shù)滿足防雷接地的技術(shù)要求，但是受到雷電流沖擊作用的影響，在該接地系統(tǒng)中可以實現(xiàn)有效泄流的構(gòu)件少，最終導(dǎo)致沖擊接地電阻水平異常，最終導(dǎo)致閃絡(luò)問題，所以可采用優(yōu)良接地模塊或者在系統(tǒng)中設(shè)定獨立接地極等方法進行改進。

因為案例項目的地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，土壤電阻率高，存在降阻難度偏高的問題。結(jié)合該項目某段的勘察結(jié)果和相關(guān)部門的檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤電阻率的數(shù)據(jù)差異較為明顯。

而根據(jù)相關(guān)研究可知，根據(jù)土壤電阻率的數(shù)據(jù)差異，可以選擇的接地裝置也存在差異。其中復(fù)合型接地裝置適合電阻率偏高地區(qū)，射線形接地裝置適合土壤電阻率中等地區(qū)，而方框形接地裝置適合土壤電阻率較低的區(qū)域。在綜合成本等因素后，該項目決定采用差異化的防雷接地裝置。

3.2.6 安裝絕緣子并聯(lián)保護間隙

根據(jù)前文對案例工程項目的研究可知，該工程并未采取絕緣子并聯(lián)保護裝置。為了能夠強化直擊雷防護，決定采用安裝絕緣子并聯(lián)保護間隙的方法，在接觸網(wǎng)T 線與F 線安裝保護間隙，此時線路絕緣水平比現(xiàn)實情況下降約20%，同時取直擊雷水平為現(xiàn)實情況的80%。計算結(jié)果顯示，在做出上述調(diào)整后，系統(tǒng)的直擊雷閃絡(luò)率有明顯下降，從0.69%下降至0.02%，取得了預(yù)期效果。

3.3 綜合防護方案

根據(jù)案例項目的實際情況，提出以下直擊雷綜合防護方案：

1）在距離支柱頂端約（1.50±0.50）m 位置增設(shè)避雷線，并且在T 線與F 線絕緣子上增設(shè)保護間隙，這種設(shè)計方案可以避免雷擊閃絡(luò)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)重合成功的概率更高；

2）在F 線絕緣子上增設(shè)串聯(lián)間隙避雷器，在T 線絕緣子上增設(shè)保護間隙。

而針對雷電活動更為強烈的區(qū)域，在案例項目中可采取的綜合措施為：抬高PW 線為避雷線，并且在絕緣子上增設(shè)串聯(lián)間隙避雷器，這種設(shè)計方案可以進一步增強整個系統(tǒng)的防雷保護效果，理論上的雷擊閃絡(luò)率為0%，并且該設(shè)計方案兼顧了防雷保護的經(jīng)濟效益要求。

3.4 效果評價

最終案例項目于2021 年3 月開始進行鐵路牽引供電接觸網(wǎng)直擊雷防護改造，改造前后的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，AF 線的閃絡(luò)率從改造前的25.340 下降至0.009；T 線閃絡(luò)率從改造前的0.678 下降至0.000，取得了滿意效果。

4 結(jié)語

當(dāng)前鐵路牽引供電接觸網(wǎng)直擊雷防護成為保障鐵路安全的重要組成部分。根據(jù)案例項目的經(jīng)驗，通過結(jié)合實際情況對直擊雷防護方案進行改進后可以顯著提升系統(tǒng)安全性，有效改善閃絡(luò)頻率，取得了預(yù)期效果，對于類似鐵路電氣防雷系統(tǒng)方案改造有一定的借鑒作用，值得做進一步推廣。