柳南客專雷電災(zāi)害特性及防雷措施探討

裴振

(南寧鐵路局南寧供電段,廣西南寧 530003)

柳南客專雷電災(zāi)害特性及防雷措施探討

裴振

(南寧鐵路局南寧供電段,廣西南寧 530003)

本文在分析柳南客專途經(jīng)地區(qū)雷電氣候成因的基礎(chǔ)上,分別對(duì)接觸網(wǎng)落雷率、接觸網(wǎng)因雷電導(dǎo)致的跳閘次數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。在不同的雷擊情況下,雷擊導(dǎo)致的接觸網(wǎng)跳閘概率不同,其中反擊雷及繞擊雷的跳閘率最高。并對(duì)接觸網(wǎng)防雷設(shè)備在重雷區(qū)的應(yīng)用進(jìn)行了探討,并對(duì)雷擊后的故障處理措施提出了建議。

柳南客專 接觸網(wǎng) 雷電災(zāi)害

1 引言

雷擊對(duì)電氣化鐵路運(yùn)輸?shù)挠绊懯志薮螅苯永讚魰?huì)引起接觸網(wǎng)跳閘，頻繁的雷擊還會(huì)造成避雷器、絕緣子損壞而造成接地故障。目前，高速鐵路為減少征地面積，大量采用高架橋結(jié)構(gòu)，其負(fù)面影響是因高架橋在平原地區(qū)處在至高點(diǎn)，雷擊機(jī)率較普速鐵路成倍增加。在7·23甬臺(tái)溫特大交通事故發(fā)生的7分鐘內(nèi)，線路受到近百次雷擊。位于廣西中部的柳南客專地處我國(guó)雷暴的高發(fā)區(qū)，因廣西地理位置靠近中南半島，可看作是中南半島雷暴高發(fā)區(qū)向北的延伸區(qū)域。本文就柳南客專沿途雷區(qū)情況及如何減少雷擊對(duì)柳南牽引供電系統(tǒng)的影響，保證柳南客專穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)行了初步探討。

2 柳南客專正線途徑地區(qū)雷電災(zāi)害情況

2.1 雷電災(zāi)害的空間分布

2.1.1 地形影響

柳南城際鐵路，又稱柳南客運(yùn)專線，為國(guó)家I級(jí)客運(yùn)專線。其南起南寧東站，北至柳州站，途經(jīng)五塘、黎塘西、來賓北站，是湘桂鐵路擴(kuò)能改造工程的重要組成部分。其建成意義在于縮短南寧柳州兩城市間距離，將柳州融入北部灣1小時(shí)經(jīng)濟(jì)圈，并率先在廣西形成同城效應(yīng)。

柳南客專其沿線經(jīng)過的雷暴區(qū)如圖1所示。由圖可見，柳南客專黎塘至柳州區(qū)間除大明山脈范圍外，均為雷暴高發(fā)區(qū)。雷暴發(fā)生峰值地區(qū)為柳州樞紐及其周邊，在區(qū)間正線上以黎塘為中心，附近為雷電高發(fā)區(qū)。

從廣西地形圖上看，來自北部灣的暖濕氣流登錄后向北，在南寧至貴港一線遇到大明山山脈及平天山山脈的阻擋，起到氣流自然抬升作用，造成該地雷電活動(dòng)頻繁。圖1的分布走向與圖2地形走向一致驗(yàn)證了這一判斷。

同時(shí)，在大明山山脈、鎮(zhèn)龍山脈與平天山間存在兩個(gè)約10km左右的缺口，暖濕氣流受到兩側(cè)山脈的影響，從該缺口吹向柳州盆地，造成在該缺口后方的黎塘鎮(zhèn)(賓陽縣)大氣下層氣流運(yùn)動(dòng)活躍，也從另一方面造成該地雷暴天氣高發(fā)。

2.1.2 土壤電阻率影響

文獻(xiàn)[1]中研究結(jié)果表明，土壤電阻率與雷暴的形成有密切聯(lián)系。通過對(duì)比土壤電阻率可知，農(nóng)田電阻率最低，其次為林地，草地電阻率最高。其成因?yàn)槿祟惢顒?dòng)在施用大量肥料所致。同時(shí)，與土壤電阻率相關(guān)的16個(gè)指標(biāo)中，影響從高到低前三名分別為全鐵、Cl、全氮。根據(jù)賓陽縣概況，該縣農(nóng)田比例占全縣面積的24%，林地占全縣面積的35.9%，兩者相加約達(dá)到全縣面積的60%。由文獻(xiàn)[2]中可知，賓陽縣土地中含N量(0.164%)為全區(qū)第二，僅次于崇左(0.165%)，遠(yuǎn)高于全區(qū)0.121%的平均值。以上兩個(gè)方面因素導(dǎo)致了賓陽縣境內(nèi)土壤電阻率與其它地區(qū)相比偏低。

文獻(xiàn)[3]中研究結(jié)果表明在雷電頻率高、土壤電阻率低的區(qū)域，距離地平面越高，相對(duì)發(fā)生雷擊的危險(xiǎn)等級(jí)越大。

2.2 雷電災(zāi)害的時(shí)間分布

柳南客專沿線的雷暴天氣呈季節(jié)性分布。從氣候上看，雷電活動(dòng)的季節(jié)變化與大氣活動(dòng)的變化有關(guān)。2～6月，南支槽把大量的暖濕氣流輸送到廣西上空，與北方南下的冷空氣交匯，大氣容易產(chǎn)生對(duì)流不穩(wěn)定；而7～9月廣西受副熱帶高壓或西太平洋的熱帶低壓、臺(tái)風(fēng)、輻合線等天氣系統(tǒng)影響，致使雷電活動(dòng)較多。[3]其中，4-9月雷暴的發(fā)生次數(shù)占到了全年的96%。尤其是6-8月間的雷暴天氣最為突出，雷暴天氣均可達(dá)到14-16日以上；4、5、9月雷暴相對(duì)出現(xiàn)機(jī)率相對(duì)偏低，為6-10日左右。

根據(jù)廣西區(qū)防雷中心的統(tǒng)計(jì)，在廣西區(qū)內(nèi)，雷暴的高發(fā)時(shí)段為每日的14：00至19：00間，而夜間與上午是雷暴發(fā)生的低谷。

該結(jié)果與大氣對(duì)流活動(dòng)發(fā)展的基本規(guī)律相符合。在12：00至14：00，太陽輻射最強(qiáng)，造成對(duì)流層底部的大氣活動(dòng)明顯加劇，根據(jù)伯努利定律，底部大氣產(chǎn)生上升氣流。當(dāng)攜帶水汽的氣流上升至距離地面3km左右時(shí)，溫度達(dá)到0℃，水汽逐漸凝結(jié)成冰晶。當(dāng)氣流足夠強(qiáng)勁，攜帶水汽到達(dá)結(jié)冰臨界面以上達(dá)到距離地面6km左右時(shí)，云頂溫度達(dá)到-20℃左右。根據(jù)冰晶起電效應(yīng)原理，當(dāng)對(duì)流云中的冰晶含量足夠多，且有較厚的冰晶和過冷卻水共存層，對(duì)流云的垂直運(yùn)動(dòng)足夠強(qiáng)，即可造成對(duì)流云內(nèi)的電荷分離并最終達(dá)到放電發(fā)生(閃電)階段[4]。而自14：00起，太陽輻射逐漸降低，至日落，對(duì)流層底部逐漸穩(wěn)定，產(chǎn)生雷電的機(jī)率大大降低。而在5月，白天太陽輻射相對(duì)較弱，在夜間云頂輻射使得云頂溫度明顯降低，而云層下底層溫度變化不大，有利于形成不穩(wěn)定的大氣層結(jié)，故夜間有較多閃電發(fā)生。

3 接觸網(wǎng)引雷及跳閘的計(jì)算

按照國(guó)際通行算法，接觸網(wǎng)平均雷擊次數(shù)計(jì)算公式為：

其中， Td為年平均雷電日數(shù)。在計(jì)算復(fù)線其雷擊為2N，廣西多年平均雷電日數(shù)76.72天。按照接觸網(wǎng)支柱高度8m計(jì)算位于平原接觸網(wǎng)高度，代入上式可知，柳南客專復(fù)線每年的雷擊次數(shù)約為38次。目前高速鐵路大量使用橋帶路的方式減少征地面積，提高土地使用率，但無形中將接觸網(wǎng)的高度進(jìn)行了抬升。按照橋梁上接觸網(wǎng)平均高度26m計(jì)算，復(fù)線落雷次數(shù)達(dá)到135次。可知高架橋引雷次數(shù)約為非高架橋的4倍。

對(duì)于高速鐵路接觸網(wǎng)，因其AT供電的特性決定了其支柱外側(cè)懸掛的是正饋線，造成其引雷區(qū)域要遠(yuǎn)大于普速鐵路或帶有回流線的直供方式。

取接觸網(wǎng)耐壓等級(jí)為200kV，當(dāng)支柱高度 Hz按8m計(jì)算，支柱接地電阻值按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)取10Ω，支柱電感為10μH時(shí)， I1=15.71kA 。根據(jù)公式：

計(jì)算可得雷電流超過雷電流幅值的概率為66%。對(duì)雷電流積分可得到該區(qū)域間接觸網(wǎng)100km·a感應(yīng)雷跳閘次數(shù)為：

其中為落雷密度 γ=0.023T4次/km2； f(I)為雷電流幅值出現(xiàn)概率， f(I)=0.026×10-I/88；η 為建弧率，η =(4.5E0.75-14)×10-2；Imax為當(dāng)?shù)乜赡艹霈F(xiàn)最大電流幅值。

反擊雷跳閘次數(shù)為：

繞擊雷擊跳閘率為：

根據(jù)式3、4、5可得柳南客專每100km每年雷擊跳閘率。復(fù)線的雷擊跳閘率為單線的2倍，可得為每100km的雷擊跳閘總次數(shù)為7.448次。。

圖1 柳南客專途經(jīng)區(qū)域雷暴發(fā)生概率圖

圖2 柳南客專途經(jīng)區(qū)域地形衛(wèi)星圖

表1 雷擊危險(xiǎn)性綜合判斷表

圖3 廣西雷暴高發(fā)時(shí)段統(tǒng)計(jì)

圖4 有避雷線與無避雷線接觸網(wǎng)耐雷水平比較

4 接觸網(wǎng)防雷設(shè)備

目前，高速接觸網(wǎng)防雷設(shè)備一般有兩種，一是避雷器，二是避雷線。目前在國(guó)內(nèi)大量采用的防雷設(shè)備仍以避雷器為主。避雷器分為承力索(接觸線)用和正饋線用兩種，均采用同種避雷器。文獻(xiàn)[5]、[6]的研究表明，在強(qiáng)雷區(qū)，除非采用每個(gè)支柱均設(shè)置避雷器的方案，否則，避雷效果相當(dāng)有限。在南昆線運(yùn)行過程中，我們就發(fā)現(xiàn)，在安裝有避雷器的區(qū)段，避雷器動(dòng)作的情況下，牽引變電所依然跳閘的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。同時(shí)，避雷器質(zhì)量不佳造成脫扣器無法脫扣，絕緣子、避雷器絕緣擊穿等故障也影響了避雷器的使用。

在國(guó)外接觸網(wǎng)防雷方面，歐洲大陸因落雷少，因此，多采用避雷器防雷，而處在強(qiáng)雷電影響下的日本在使用避雷器的同時(shí)，大量使用高于接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度的避雷線。避雷線的引入使接觸網(wǎng)引雷跳閘的可能性大大降低。

5 雷擊后的應(yīng)急處置

對(duì)于電氣化鐵路防雷應(yīng)急處置，處在重雷區(qū)和強(qiáng)雷區(qū)的接觸網(wǎng)工區(qū)除應(yīng)對(duì)避雷設(shè)備進(jìn)行定期巡視外，在容易引起雷暴的月份及時(shí)段應(yīng)加強(qiáng)值班，并與變電所及時(shí)溝通。一旦出現(xiàn)接觸網(wǎng)跳閘，重合閘失敗的情況，立即辦理相應(yīng)降弓通過手續(xù)。在雷電天氣結(jié)束后，利用軌汽對(duì)故測(cè)值為中心周圍三個(gè)避雷器開展巡查。如發(fā)現(xiàn)避雷器有絕緣擊穿痕跡，本著先通后復(fù)的原則，立即齊根剪斷避雷器電連接線，恢復(fù)線路供電，待天窗點(diǎn)再對(duì)故障避雷器進(jìn)行處理。如出現(xiàn)絕緣子閃絡(luò)燒損等現(xiàn)象，則維持降弓通過不變，等待天窗點(diǎn)再更換絕緣子。

6 結(jié)語

對(duì)于重雷區(qū)的接觸網(wǎng)線路，應(yīng)安裝避雷線提高線路的避雷能力。在重雷區(qū)的接觸網(wǎng)工區(qū)應(yīng)加強(qiáng)在下午時(shí)段的搶修應(yīng)急準(zhǔn)備工作，同時(shí)，對(duì)雷擊易損壞的避雷器、絕緣子等部件應(yīng)詳細(xì)登記，搶修時(shí)做好相應(yīng)備品的準(zhǔn)備工作。在雷電天氣重合閘失敗后的巡視要加強(qiáng)對(duì)避雷器、絕緣子的巡視。

[1]劉磊.土壤電阻率估算及影響因素研究[D].南京信息工程大學(xué), 2011.

[2]吳圣進(jìn),藍(lán)福生,羅潔，等.廣西主要蔗區(qū)土壤和植株養(yǎng)分狀況的調(diào)查研究[J].廣西植物,1998(8)：291-297.

[3]劉任業(yè).廣西雷電活動(dòng)的方向性變化及其應(yīng)用[J].廣西氣象,2001 (6):22,37-39.

[4]朱乾根,林錦瑞,壽紹文，等.天氣學(xué)原理和方法(修訂本)[M].北京:氣象出版社,2000:402.

[5]張雪原.接觸網(wǎng)線路避雷器不同安裝方式的防雷效果[J].電氣化鐵道,2010,5:35-38.

[6]范海江,羅健.鐵路客運(yùn)專線接觸網(wǎng)防雷研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào), 2008,8:80-83.