滬寧區(qū)間接觸網(wǎng)雷害分析及防雷措施改進(jìn)建議

張 慎 上海鐵路局調(diào)度所

1 雷電對滬寧段牽引供電運(yùn)行影響的現(xiàn)狀

在整個牽引供電系統(tǒng)的防雷中，接觸網(wǎng)的防雷問題最為突出。運(yùn)營經(jīng)驗表明，接觸網(wǎng)設(shè)備遭受雷擊已經(jīng)成為變電所跳閘的主要原因，嚴(yán)重時會造成接觸網(wǎng)設(shè)備的損壞，從而使整個供電臂停電，影響運(yùn)輸安全。如：2011年8月13日18：31，長安集牽引所 211、212DL 跳閘，重合閘失敗。故障造成合肥到長安集上行停電8 min，下行停電72 min。經(jīng)查故障原因為長安集至合肥西合武繞行下行線351#支柱正饋線(F線)支持絕緣子被雷擊后折斷接地。

上海鐵路局管內(nèi)京滬線（上海站-南京站間）、滬寧城際（上海或虹橋站-南京站間）、京滬高鐵（虹橋站-南京南站間）都處于強(qiáng)雷區(qū)。由于供電方式的不同及接觸網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境的差別，雷擊造成的影響也有所不同。現(xiàn)對三線在2011年雷電活動最為頻繁的7、8月份的跳閘次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計和比較分析(見表1)。

表1 2011年7、8月份的跳閘次數(shù)統(tǒng)計和比較分析

從表中可看出：受雷擊影響，高速線路跳閘次數(shù)多于普速線路，京滬高鐵的跳閘次數(shù)最多。這是因為京滬高鐵絕大部分為高架橋梁，穿越地區(qū)最為空曠（京滬線、滬寧城際的車站都處于市區(qū)，而京滬高鐵的車站都處于郊區(qū)）；部分區(qū)段（變電所至第1個AT所）接觸網(wǎng)安裝結(jié)構(gòu)中又增設(shè)了加強(qiáng)線；建設(shè)期間，設(shè)計未充分考慮防雷措施，導(dǎo)致京滬高鐵在雷雨季節(jié)更容易遭到雷擊。為確保牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行安全，尤其是京滬高鐵的運(yùn)營安全，有必要加強(qiáng)對接觸網(wǎng)防雷問題的研究，采取有效的防雷措施。

2 接觸網(wǎng)雷害分析

襲擊接觸網(wǎng)線路的雷電主要有兩類，一類是"直擊雷"，即雷云與大地之間放電，俗稱"落地雷"。如果接觸網(wǎng)線路經(jīng)過一大片空曠大地，而周圍又沒有比它更高的物體，那么，在雷雨天氣，它就可能成為"直擊雷"的襲擊目標(biāo)。直擊雷往往產(chǎn)生幾百萬伏特的超高電壓，會嚴(yán)重破壞輸電線路上的各類電氣設(shè)備。另一類是"感應(yīng)雷"，它是云間放電或云地放電而在接觸網(wǎng)線路上感應(yīng)出來的幾萬、幾十萬伏特高電壓，它與輸電線本身的電壓疊加在一起，也對接觸網(wǎng)線路的各類電氣設(shè)備造成嚴(yán)重威脅。

接觸網(wǎng)雷害事故的形成通常要經(jīng)歷這樣幾個階段：首先接觸網(wǎng)線路要受到雷擊過電壓的作用，并且線路要發(fā)生閃絡(luò)，然后從沖擊閃絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的工頻過電壓，引起線路跳閘，如果跳閘后自動重合閘不成功，就會造成供電臂停電。具體發(fā)生地點及其原理可分為兩類：

(1)雷擊接觸網(wǎng)支柱。當(dāng)雷擊接觸網(wǎng)支柱時，雷電流沿支柱入地并在支柱上

產(chǎn)生沖擊電壓U1，其計算式為：

式中，R為支柱的沖擊接地電阻，Ω；i為雷擊電流幅值，kA；L為支柱的等值電感，μH。

同時雷擊通道產(chǎn)生的電磁場迅速變化。規(guī)程上給出的感應(yīng)過電壓U2的計算式為：

式中，H為導(dǎo)線的離地高度，m。

沖擊電壓和感應(yīng)過電壓的疊加值，隨著接觸網(wǎng)支柱的接地電阻升高而升高，即引起閃絡(luò)的雷電流幅值和絕緣子閃絡(luò)概率隨接觸網(wǎng)的接地電阻而增加。

(2)雷擊接觸網(wǎng)導(dǎo)線。雷擊接觸網(wǎng)，包括承力索、接觸線、正饋線、加強(qiáng)線等在接觸網(wǎng)上產(chǎn)生過電壓。當(dāng)這個電壓達(dá)到支持絕緣子的沖擊放電電壓時絕緣子閃絡(luò)，雷電流經(jīng)支柱、鋼軌入地，過電壓隨之降低。但由于支柱的電感、接地電阻對雷電流的阻尼作用，過電壓不可能降到某一極小的數(shù)值，然后又隨雷電流在支柱、鋼軌的電感、接地電阻上產(chǎn)生的壓降而增大。作用于線路支持絕緣子上的電壓為：

式中，Z為接觸網(wǎng)線路的波阻抗，Ω；Z0為雷電流波阻抗，Ω；im(t)為雷電流，kA。

3 滬寧段接觸網(wǎng)防雷措施

根據(jù)接觸網(wǎng)雷害事故的形成特點，在防雷措施的采取上也要做到"四道防線"，即：使接觸網(wǎng)線路不直接受雷；或者線路受雷后絕緣不發(fā)生閃絡(luò)；或者閃絡(luò)后不建立穩(wěn)定的工頻電弧；或者建立工頻電弧后不中斷供電臂供電。在確定接觸網(wǎng)線路的防雷方式時，還應(yīng)全面考慮線路的重要程度、系統(tǒng)運(yùn)行方式、線路經(jīng)過地區(qū)雷電活動的強(qiáng)弱、地形地貌的特點、土壤電阻率的高低等條件，結(jié)合既有線路運(yùn)營經(jīng)驗，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的結(jié)果因地制宜，采取合理的保護(hù)措施。

滬寧段三線接觸網(wǎng)在設(shè)計時都參照了《鐵路電力牽引設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定：接觸網(wǎng)大氣過電壓的防護(hù)，應(yīng)根據(jù)雷電活動情況，結(jié)合運(yùn)營經(jīng)驗，采取相應(yīng)的防護(hù)措施，在電分相和電分段錨段關(guān)節(jié)、長大隧道兩端、分區(qū)亭引入線和牽引變電所饋線出口處設(shè)置避雷裝置。

為了加強(qiáng)高速線路接觸網(wǎng)防雷電侵害能力，滬寧城際設(shè)計設(shè)置避雷器的地點是：(1)供電線上網(wǎng)處；(2)超重雷區(qū)正線關(guān)節(jié)處和電分相處加設(shè)避雷器；(3)長度2 000 m及以上隧道進(jìn)出口；(4)超重雷區(qū)長度l 000 m及以上橋梁每一錨段關(guān)節(jié)處。京滬高鐵作為目前國內(nèi)設(shè)計里程最長的高速鐵路，其接觸網(wǎng)防雷設(shè)計上與普速線路相比，并沒有提高標(biāo)準(zhǔn)，只是按照設(shè)計的基本原則在基本處所設(shè)置避雷器。結(jié)果是至今年6月底投運(yùn)以來，如前分析，京滬高鐵的雷擊跳閘次數(shù)遠(yuǎn)大于滬寧城際和京滬普速線。

4 提高防雷能力的建議

為提高滬寧段接觸網(wǎng)，尤其是京滬高鐵接觸網(wǎng)的防雷能力，有兩個方案可供選擇。

(1)方案一：增設(shè)避雷線

避雷線沿鐵路線與接觸網(wǎng)平行架設(shè)，且避雷線高于接觸網(wǎng)設(shè)備，在雷雨天起到了引雷的效果。當(dāng)有直擊雷時，避雷線將雷擊產(chǎn)生的巨大電流通過接地系統(tǒng)釋放。避雷線的架設(shè)可以有效避免直擊雷對接觸網(wǎng)設(shè)備的破壞。它的保護(hù)范圍取決于它的長度，即避雷線架設(shè)到哪里，保護(hù)就到哪里。目前，國外（如日本）部分客專線已經(jīng)采用該方式進(jìn)行避雷。在滬寧段現(xiàn)有運(yùn)營的線路上進(jìn)行改造，其難度較大。當(dāng)前，可考慮在京滬高鐵選擇1至2個供電臂進(jìn)行改造試驗，若在雷雨季節(jié)防雷效果突出，再逐步進(jìn)行推廣使用。方法是直接將加強(qiáng)線改造成避雷線。京滬高鐵的加強(qiáng)線處在一個供電臂的前半段，一般安裝在變電所至第1個AT所間的接觸網(wǎng)支柱柱頂上，用以提高導(dǎo)電有效面積。京滬高鐵和滬寧城際的接觸網(wǎng)導(dǎo)線規(guī)格相同，正線承力索均為銅鎂合金絞線（JTMH120），正線接觸線均為銅鎂合金線（CTMH150），導(dǎo)線載流量滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。按照京滬高鐵初期運(yùn)營速度，與滬寧城際接近，列車密度還小于滬寧城際，而滬寧城際的接觸網(wǎng)構(gòu)造中，并未采用加強(qiáng)線。同時采用加強(qiáng)線還具有一定的副作用，如引雷（也是京滬高鐵雷擊跳閘次數(shù)大于其它線路的原因之一）。運(yùn)營經(jīng)驗表明，取消加強(qiáng)線是可行的。改造后的避雷線安裝可參考圖1所示：

圖1 避雷線安裝示意圖

(2)方案二：增設(shè)避雷器

避雷器的主要作用是限制雷電波侵入接觸網(wǎng)系統(tǒng)的主要電氣設(shè)備。為了使避雷器達(dá)到預(yù)期的保護(hù)效果，必須正確使用和選擇避雷器，對避雷器的基本要求是：雷電擊于接觸網(wǎng)線路時，過電壓會沿著導(dǎo)線侵入變電所，在危及被保護(hù)絕緣時，要求避雷器能瞬時動作；避雷器一旦在沖擊電壓作用下放電，就造成對地短路，此時瞬間的雷電過電壓雖然已經(jīng)消失，但工頻電壓卻相繼作用在避雷器上，此時流經(jīng)間隙的工頻電弧電流將是間隙安裝處的短路電流，為了不造成斷路器跳閘，避雷器應(yīng)當(dāng)具有自行迅速截斷工頻電弧電流、恢復(fù)絕緣強(qiáng)度的能力，使供電系統(tǒng)得以繼續(xù)正常工作；應(yīng)當(dāng)具有平直的伏秒特性曲線，并與被保護(hù)設(shè)備的伏秒特性曲線之間有合理的配合，這樣，在被保護(hù)物可能擊穿之前，避雷器便發(fā)生動作，將過電壓波截斷，從而起著可靠的保護(hù)；具有一定的通流容量，避雷器動作以后，在規(guī)定的雷電流通過時，不應(yīng)損壞避雷器，同時在避雷器上造成的壓降（殘壓）應(yīng)低于被保護(hù)物的沖擊耐壓值，否則，雖然避雷器動作，被保護(hù)物仍有被擊穿的危險。

現(xiàn)在國內(nèi)客運(yùn)專線多采用氧化鋅避雷器，該型避雷器為新型過電壓擬制電器，主要由氧化鋅非線性電阻片組裝而成，是一種空氣間隙金屬氧化鋅避雷器。它具有理想的伏安特性，這種特性使它在正常的工作情況下，流過的電流非常小，即在系統(tǒng)工作電壓下，具有極高的電阻而呈絕緣狀態(tài)。當(dāng)過電壓幅值超過一定范圍時，則呈低阻狀態(tài)，泄放雷電流，使與避雷器并聯(lián)的電氣設(shè)備的殘壓擬制在設(shè)備絕緣安全值以下。待有害的過電壓消減后迅速恢復(fù)高阻絕緣狀態(tài)，從而保證了電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。另外該種避雷器體積小、重量輕，安裝在現(xiàn)有接觸網(wǎng)上不會明顯增加接觸網(wǎng)的機(jī)械負(fù)荷；避雷器結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方式簡單，便于現(xiàn)場安裝和更換。對京滬高鐵接觸網(wǎng)而言，除按《鐵路電力牽引設(shè)計規(guī)范》的要求在基本處所設(shè)置氧化鋅避雷器外，還應(yīng)考慮在重雷區(qū)、重污區(qū)或空曠的地方，每個錨段的F線、T線各增加一臺氧化鋅避雷器。

5 結(jié)論

綜合比較以上兩個方案，方案一的防雷效果好，但施工改造難度大；方案二的安裝施工簡單，但防雷保護(hù)范圍有限。應(yīng)組織有關(guān)部門進(jìn)行綜合試驗，通過運(yùn)營經(jīng)驗來檢驗防雷效果，并為其它客運(yùn)專線的防雷設(shè)計提供參照。當(dāng)前設(shè)備管理單位必須高度重視接觸網(wǎng)防雷工作，針對雷擊跳閘占總跳閘次數(shù)比例大的現(xiàn)狀，加強(qiáng)線路防雷運(yùn)營維護(hù)，及時查找雷擊故障點和更換受損的絕緣子；完善線路雷擊跳閘信息的統(tǒng)計，及時開展防雷運(yùn)行總結(jié)和分析評估；積極開展線路防雷科研和新技術(shù)應(yīng)用，有效指導(dǎo)線路雷擊故障點查找。通過多種措施，切實提高滬寧段接觸網(wǎng)的防雷能力，確保牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行安全。