城際鐵路接觸網雷電安全評估及防護措施研究

曹建設 隋延民 宮衍圣 劉長利 李慶軍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司電氣化處，710043，西安∥第一作者，高級工程師)

接觸網作為向電力機車供電的特殊形式的輸電線路，具有露天布置、工作環境惡劣、無備用的特點。鐵路沿線所經地區地理、氣候條件復雜，接觸網極易遭受雷擊而影響運輸安全。珠三角城際鐵路地處雷電災害的重災區，年平均雷暴日87.6天，部分地區年雷暴日高達127天;且高架橋比例很高，更易遭受雷擊。本文結合廣佛環線進行牽引網雷電安全評估及防護措施研究。

1 牽引網雷擊過電壓的分類

按雷擊點的不同，可以將雷擊過電壓劃分為直接雷擊過電壓和感應雷擊過電壓。直接雷擊過電壓是雷電直接擊中承力索、回流線或架空地線、支柱、軟(硬)橫跨引起的線路過電壓。根據雷擊線路部位的不同，直接雷擊過電壓又分為兩種情況:一種是雷電直接擊中接觸網支柱頂部，瞬時升高的電位可能超過接觸網絕緣子承受電壓的能力，會向接觸網導線放電，這種在正常工作狀態下的低電位點向高電位點放電現象稱為反擊;另一種是直接擊中承力索(無避雷線時)或繞過避雷線(屏蔽失效)擊中導線，直接在導線上產生過電壓，稱之為繞擊。線路附近的地面落雷，在線路上產生感應雷擊過電壓。

牽引網絕緣耐受雷電沖擊電壓的能力有限，無論雷電直接擊中導線或者雷擊線路附近地面，雷電過電壓都可能超過接觸網的絕緣承受能力，導致線路絕緣放電，引起線路跳閘［1］。為了考核和評價接觸網耐受雷電的能力，比較接觸網的不同防雷設計方案或防雷改造措施前后的技術性能和效果，首先需要研究接觸網雷電安全評估方法。

2 牽引網雷電安全評估方法

TB 10009—2005《鐵路電力牽引供電設計規范》規定:年平均雷暴日超過60天的強雷區應架設獨立避雷線。一般而言，年平均雷暴日多的地區，牽引網雷電事故發生的頻率更高。然而，影響牽引網雷電事故頻率的因素很多，單純以年平均雷暴日的高低來評估是否采取必要的防雷措施值得商榷。

日本在接觸網防雷方面取得了比較成功的經驗。其針對雷擊頻度及線路重要程度，將線路所在地區劃分為A、B、C 3個區。對于劃分為A區的雷害嚴重且重要的線路，全線采用架設避雷線的防雷措施。在牽引網雷電安全評估上，建議采用牽引網耐雷水平及雷擊跳閘率來評價牽引網的雷害程度。

2.1 牽引網耐雷水平及雷擊跳閘率

2.1.1 雷電直擊接觸網支柱頂部

雷電直擊接觸網支柱頂部時，同一支柱上平腕臂和斜腕臂絕緣子上的雷電過電壓，誰先達到自己的50%沖擊放電電壓，誰就先放電，兩者的最小值為雷電直擊接觸網支柱頂部情況下的接觸網耐雷水平。

平腕臂的絕緣子耐雷水平Ip為:

式中:

U1——支柱平腕臂絕緣子50%沖擊閃絡電壓;

β——支柱分流系數;

Rc——接觸網支柱的等值沖擊接地電阻;

τf——雷電流波頭時間;

L0——接地引下線的單位長度等值電感;

hp——支柱上平腕臂絕緣子接地端對地距離;

hg——接地引下線的長度;

hc——承力索對地平均高度;

hr——回流線對地平均高度;

k0——回流線與接觸網之間的幾何耦合系數，考慮電暈修正系數，k≈1.15k0。

斜腕臂的絕緣子耐雷水平Ix為:

式中:

U2——支柱斜腕臂絕緣子50%沖擊閃絡電壓;

hx——支柱上斜腕臂絕緣子接地端對地距離;其余變量同上。

2.1.2 雷電直擊接觸網承力索

雷電直擊接觸網承力索時的耐雷水平I0為:

式中:

Um——支柱絕緣子最小沖擊閃絡電壓，取U1和U2的最小值;

z——接觸網波阻抗。

2.1.3 直擊雷引起每年實際發生的跳閘次數

直擊雷引起每年實際發生的線路跳閘次數n1為:

式中:

N——線路上每年落雷總數;

η——建弧率;

g1，g2——分別為擊柱率和擊線率;

p1——超過雷擊接觸網支柱時耐雷水平的雷電流概率;

p2——超過雷擊承力索時耐雷水平的雷電流概率;

T——線路所在地區平均雷電日;

γ——地面落雷密度，γ =0.023 × T0.3;

be——復線接觸網等值受雷寬度，be=b+2d+4hs，其中b為線間距，d為架空地線距離支柱中心的距離，hs為線路最上層導線的對地平均高度。

除了陜南以外的西北地區、內蒙古自治區的部分地區，我國一般地區雷電流幅值超過I的概率P可按下式計算:

2.1.4 接觸網附近地面落雷引起每年實際發生的雷擊跳閘次數

接觸網附近地面落雷引起每年線路實際發生的雷擊跳閘次數n2為:

式中:

bs——線路單側等值受雷寬度;

其余變量同上。

2.2 分流系數及雷電擊柱率

2.2.1 高架區段支柱分流系數的計算

對于非高架區段，文獻［1］給出了雷擊有集中接地引下線(吸上線)連接點的支柱分流系數。對于高架區段，因線路的支柱接地引下線長度和相鄰兩接地引下線之間的架空地線長度相差不大，因此，計算分流系數的等值電路需考慮接地引下線的影響。

高架區段支柱分流系數等值電路如圖1所示。

圖1 高架區段支柱分流系數等值電路

計算雷電流分流系數β的等值方程為:

式中:

Rg——接地引下線的等值沖擊接地電阻;

L0——接地引下線的單位長度等值電感;

hg——接地引下線長度;

L——相鄰兩根支柱間回流線的等值電感。

需要說明的是，對于高架區段采用鋼支柱及綜合接地技術的客運專線及城際鐵路，需用鋼支柱相關參數取代接地引下線參數。

由式(8)可推出分流系數(為便于計算，取t=τf/2):

2.2.2 擊柱率和擊線率的計算

由于支柱和架空地線的絕緣很低甚至不存在，在雷電直擊的情況下，它們可以看作是物理連接的一個整體，故在分析牽引網的雷擊屏蔽范圍時將雷擊支柱的情況歸為雷擊架空地線(回流線)［2］。廣佛環線牽引網的雷電屏蔽范圍見圖2(導線高度考慮了高架及地面線路的平均高度21.27 m)。

復線牽引網的擊柱率為架空地線(回流線)的雷電屏蔽寬度l1與整個牽引網的雷電屏蔽寬度l1+l2之比。

圖2 牽引網的雷電屏蔽范圍

2.3 廣佛環線牽引網雷電安全評估

根據上述牽引網雷電安全評估方法，廣佛環線雷電直擊承力索時的耐雷水平為4.498 kA，雷電直擊接觸網支柱時的耐雷水平為33.593 kA，直擊雷引起的跳閘次數為5.636次，地面落雷引起的雷擊跳閘次數為4.732次，每年實際雷擊跳閘次數合計10.368 次。

目前國際、國內已頒布的防雷標準均不適用于鐵路系統。鐵路標準中也沒有專門針對防雷的標準，僅在TB 10009—2005中規定:年平均雷暴日超過60天的地區，應架設獨立避雷線。其它條件不變的情況下，年平均雷暴日60天時，廣佛環線每年對應的雷擊跳閘次數為6.339次。廣佛線起碼應將其作為控制目標，即將每年跳閘次數控制在6次以內。

3 接觸網防雷保護措施及效果分析

在牽引網雷電安全評估、確定線路雷害程度的基礎上，根據線路的重要程度，適當考慮景觀要求，結合隧道、地形、風口等因素，爭取以最小的投資代價，將接觸網雷擊跳閘率限制在可接受的范圍之內。

到目前為止，還沒有一種裝置(或方法)能阻止雷電的產生，也沒有能夠阻止雷擊到接觸網上的器具和方法，采用金屬材料接閃、引下并導入大地是目前唯一有效的防雷方法。適合接觸網防雷保護的措施有降低接觸網支柱的接地電阻、設置避雷器、安裝避雷線。

3.1 降低支柱的接地電阻

降低支柱的接地電阻，是減少雷擊支柱頂部引起反擊、提高線路耐雷水平的最簡單有效的方法。

由于沖擊幅值大、陡度高的雷電流會使得接地裝置周圍的土壤發生電離，并呈現非線性與頻率變化特性，因此采用沖擊接地電阻來表征接地體的暫態電阻特性。輸電線路沖擊接地電阻一般采用工頻接地電阻乘以沖擊系數的方法來確定。沖擊系數根據模擬試驗方法獲得［3］。也有文獻給出了接地電阻和沖擊接地電阻的關系式［4］。單獨接地體的沖擊系數可按SDJ 8—1979《電力設備接地設計技術規程》選取。對于采用綜合接地系統的城際鐵路，尚未見國內外文獻有沖擊接地電阻試驗的相關報道，建議盡快開展相關技術研究。出于保守考慮，計算時沖擊系數暫取1。

雷擊廣佛環線的接觸網支柱頂部時，不同阻值的沖擊接地電阻與雷擊支柱頂部牽引網耐雷水平及直擊雷引起的跳閘率的關系分別見圖3、圖4。

圖3 沖擊接地電阻和雷擊支柱牽引網耐雷水平的關系

圖4 沖擊接地電阻和雷擊支柱引起的雷擊跳閘率的關系

從圖3、圖4可以看出，接觸網沖擊接地電阻越大，雷擊支柱的牽引網耐雷水平越低，引起的雷擊跳閘率越高。因此，需確保高架區段的接觸網支柱接入綜合接地系統的可靠性，否則其將成為雷擊危害的薄弱環節。

3.2 接觸網防雷采用避雷器的探討

3.2.1 相關規范對接觸網采用避雷器的規定

TB 10009—2005等設計規范對接觸網上采用避雷器做出了相應規定。對于高雷區及強雷區:由于站場咽喉部位允許對接觸網進行檢修的時間有限，分相供電臂末端可能出現雷電行波發生全反射使過電壓提高一倍，且分相和站場部絕緣錨段關節結構復雜，更換和維修相對困難，因此分相和站場端部絕緣錨段關節應設避雷器;長大隧道濕度大，絕緣子容易積污，而且隧道內接觸網檢修困難，因此長達2 000 m及以上的隧道兩端應設避雷器;為了避免接觸網中的雷電過電壓侵入到牽引變電所，較長的供電線或正饋線連接到接觸網上的接線處應設避雷器。這些規定對接觸網防雷設計起到了重要的指導作用。

3.2.2 接觸網全線采用避雷器的防雷效果

金屬氧化物避雷器(MOA)在防止雷電直擊導線或桿塔，以及避雷線的反擊、繞擊等方面是非常有效的。然而，國內外研究結果均表明:線路避雷器并不適合廣闊區間的分散式安裝，應該在雷擊比較密集的地點采取密集的安裝方式［5－6］。全線大規模采用氧化鋅避雷器會帶來如下問題:

(1)高密集地安裝避雷器，每年的預防試驗和維修工作量極大，維修費用也將大大增加。

(2)我國電氣化鐵道沿線都屬嚴重污穢地區，隧道和站場等個別區段屬污穢特別嚴重地區，不存在輕污區［7］。污穢條件下，避雷器的工頻電壓耐受能力低，其大量安裝在接觸網上，必然增加污閃事故率［8］。

(3)避雷器自身故障率不可忽略。2005年，廣東某供電局62個10 kV配網避雷器共發生故障62次［9］。什邡供電局經過對2005—2007年配網系統故障的原因分析后發現，有近30%的故障原因都是由于避雷器自身故障造成的［10］。電氣化鐵道用的金屬氧化物避雷器也存在著硅橡膠外套接縫開裂、電阻片老化、瓷外套MOA密封失效受潮等問題。若按照文獻［11］考慮避雷器自身故障率為0.5%，則廣佛環線20.02 km的露天線路避雷器每年發生的故障將超過4次，達到雷電安全評估年實際雷擊跳閘次數(10.4次)的近40%。

因此，接觸網全線大規模采用避雷器并不能取得預期的防雷效果，建議在電分相、車站絕緣錨段關節處、長隧道兩端等重要場合適量安裝。

3.3 避雷線的屏蔽效果及保護角的確定

防雷如同防洪，有選擇性地人為提供一條雷電流入地的良好通道，是防止雷電直擊的基本方法。經過國內外長期工程實踐考驗的直擊雷防護裝置有避雷針和避雷線。其中，避雷針作為一種主動式接閃裝置，不適用于沿狹長地帶分布的接觸網防雷。

電力部門35 kV及以下電力線路一般不沿全線架設避雷線。雖然可以將牽引供電系統的絕緣等級等同于電力部門的35 kV線路，但由于牽引供電系統的重要程度遠高于電力部門的35 kV及以下線路，因此要求接觸網具有更高的可靠性［12］。

3.3.1 避雷線的屏蔽效果

避雷線與大地相連保持地電位，可以看作將一部份“大地”引入導線的近區。對于靜電感應，其影響是增大了導線的對地電容而使導線對地電位降低;對于電磁感應，其影響相當于在導線—大地回路附近增加了一個地線—大地的短路環，因而抵消了一部分導線上的電磁感應電動勢。因此，由于接地避雷線的電磁屏蔽作用，會使導線上的感應過電壓降低。感應過電壓降低的倍數就是避雷線與接觸網之間的幾何耦合系數。廣佛環線按照圖5加高肩架3 m的情況下，感應過電壓可降低28.43%。

3.3.2 避雷線保護角的確定

避雷線的保護作用在于引雷擊自身，以保護導線不受直擊。但這種保護作用并非100%有效，繞擊率是衡量避雷線保護作用的重要參數。

線路運行經驗、現場實測和模擬試驗均證明，雷電流繞過避雷線直擊導線的概率與避雷線對邊導線的保護角、桿塔高度，以及線路經過地區的地形、地貌、地質條件等有關。我國電力部門規定避雷線對邊導線的保護角一般采用20～30°。日本國鐵在重雷區采用避雷線進行直擊雷防護，其保護角定為45°。DL/T 620－1997推薦，對平原線路，繞擊率Pa和保護角a、桿塔高度ht的關系式為:

廣佛環線可參照日本國鐵單獨架設避雷線的安裝方式，在接觸網鋼支柱上方加高肩架(見圖5)。

由于承力索和支柱中心的距離確定，肩架的高度h1隨著a的減小而增大，兩者的關系為:

結合式(10)和(11)，可得出橋高21.27 m時繞擊率隨肩架高度變化的關系，如圖6所示。

圖5 接觸網避雷線安裝示意圖

圖6 廣佛線環線繞擊率與肩架高度的關系

因此，橋高21.27 m的情況下，推薦在接觸網鋼支柱上方加高肩架3 m，其對應的避雷線保護角約為44.56°，此時繞擊率可降低到0.1左右。

需要特別說明的是，若將繞擊率控制在一定數值下，高架橋越高，需要增加的肩架高度也越高，保護角需要控制得更小。反之亦然。這就要求在設計時，根據具體情況進行計算，確定合理的保護角大小，最終將繞擊率控制在能接受的范圍內。

4 結語

(1)本文給出了牽引網雷電安全評估方法，建議采用牽引網耐雷水平及雷擊跳閘率評價接觸網的雷害程度。降低支柱的接地電阻，是減少雷擊支柱頂部引起反擊、提高線路耐雷水平的最簡單有效的方法。避雷器只建議在電分相、車站絕緣錨段關節處、長隧道兩端等重要場合適量安裝。

(2)避雷線的電磁屏蔽作用會使導線上的感應過電壓降低，但避雷線防范直擊雷并非百分之百有效。繞擊率是衡量避雷線保護作用的重要參數。研究結果表明:若將繞擊率控制在一定數值下，高架橋越高，需要增加的肩架高度也越高，保護角則需要控制得越小。因此，在設計及制定相關標準時，需根據具體情況進行計算，確定合理的保護角大小，最終將繞擊率控制在能接受的范圍內。

(3)牽引網防雷技術研究必須結合大量的統計分析資料，建議相關部門盡快統一組織開展沖擊接地電阻研究及牽引供電系統防雷標準的制定。

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