南廣鐵路接觸網雷電防護方案的研究

黃鎮城（中國鐵道科學研究院研究生部，研究生，北京　100081；南寧鐵路局供電處，工程師，廣西　南寧　530029）

南廣鐵路接觸網雷電防護方案的研究

黃鎮城
（中國鐵道科學研究院研究生部，研究生，北京100081；南寧鐵路局供電處，工程師，廣西南寧530029）

摘要：結合南廣鐵路所經過地區的地理、氣候條件及接觸網運行中出現的雷害情況，通過分析接觸網的雷擊類型及其作用范圍，研究接觸網線路增設避雷器和架設避雷線2種方案的雷電防護效果，并提出南廣鐵路接觸網雷電防護方案設計優化的建議，以提高接觸網線路的雷電防護水平，降低雷擊跳閘率。

關鍵詞：南廣鐵路；接觸網；雷電防護；避雷線

10.13572/j.cnki.tdyy.2015.04.004

南廣鐵路位于北緯23°~23°26′（北回歸線）之間，屬南亞熱帶海洋氣候，受東南亞大陸季風影響，夏長冬暖，高溫多雨，干濕季節分明，每年5~8月為雨季，年平均降雨量1 600~1 800 mm。南廣鐵路自既有南寧站引出后，經廣西貴港、梧州市，廣東云浮、肇慶市，引入廣州南站，正線全長574 km，其中南寧站至黎塘西站間為客運專線，黎塘西站至廣州南站間為設計時速200 km/h的Ⅰ級鐵路。南廣鐵路廣西段高架橋梁有178座，合計118.163 km，占廣西段正線總長的37.72%。

南廣鐵路廣西段于2014年4月開通運營，沿線地區多雷暴，年平均雷暴日高達99天，屬于強雷區。截至10月底，南廣鐵路廣西段接觸網因雷擊跳閘93次，占南寧局高鐵接觸網雷擊跳閘總件數的50.5%，占南廣鐵路接觸網跳閘總件數的84.55%，其中造成接觸網絕緣部件擊穿或損傷55處，極大威脅高鐵接觸網運行安全。因此，針對南廣鐵路的特殊氣象條件開展接觸網雷電防護方案的研究刻不容緩。

1　線路防雷設計現狀及效果

1.1線路防雷設計南廣鐵路廣西段的防雷設計采用接觸網正線絕緣錨段關節、關節式電分相、2 000 m以上長度的隧道兩端、電纜終端及200 m以上長度的供電線處均加密設置氧化鋅避雷器的方式，共設置698臺（上下行各349臺）。1.2防雷效果采用氧化鋅避雷器加密設置的防護方式，僅僅是降低了雷擊損壞接觸網設備的概率〔1〕，接觸網及AF線因雷擊導致避雷器動作、絕緣子閃絡及損壞的情況仍時有發生〔2〕，桂平、貴港牽引變電所附近雷害尤為突出。南廣鐵路廣西段4~7月份32起接觸網雷擊故障統計見表1，接觸網部分設備受雷擊損壞情況分別見圖1、圖2、圖3所示。

表1　2014年4~7月份接觸網雷擊故障統計表

圖1　厚祿至桂平間261#支柱附近承力索被雷擊斷6股

圖2　厚祿至桂平間301#支柱附近承力索被雷擊斷5股

圖3　根竹至貴港間112#、215#支柱斜腕臂絕緣子被雷擊壞

從4~7月份接觸網雷擊故障統計數據和接觸網設備受雷擊損壞的情況看，因受到避雷器保護范圍有限的影響，采用線路避雷器加密設置方案的雷電防護效果并不理想。

2　接觸網雷電防護方案的效果分析

2.1接觸網雷擊類型的劃分根據雷擊點位置和雷擊過電壓產生原理，可將接觸網雷擊過電壓的產生途徑分為3種〔3、4〕，如圖4所示。

1）感應過電壓：當雷電擊中接觸網線路附近的地面時（圖中A點），雷電流通過電磁耦合在接觸網上產生感應過電壓，這種雷擊類型簡稱為感應雷。

2）雷擊接地部分產生的過電壓：當雷電直接擊中接觸網的接地部分時，如支柱頂部（圖4中B點）、回流線、AT供電方式下的保護線等，雷電流通過導線電感及接地電阻產生的過電壓。其與電力系統反擊過電壓的產生原理相同，因此也定義為反擊過電壓，這種雷擊類型簡稱為反擊雷。

3）雷擊高壓部分產生的過電壓：當雷電直接擊中接觸網的高壓帶電部分時，如接觸線或承力索（圖4中C點），AT供電方式下的正饋線和加強線，雷電流通過高壓導線的波阻抗產生的過電壓。其與電力系統的繞擊過電壓的產生原理相同〔5〕，因此也定義為繞擊過電壓，這種雷擊類型簡稱為繞擊雷。

圖4　接觸網雷擊類型

2.2避雷線防雷效果分析

1）未裝設避雷線時接觸網的防雷區域見圖5所示。從圖5可以看出，當雷擊點位于BCD之間時，雷電將擊中承力索等設備，此時接觸網的雷擊類型為繞擊雷，接觸網的耐雷水平為3 kA左右；當雷擊于AB或DE區間時，雷電將擊中回流線，此時接觸網的雷擊類型為反擊雷，接觸網的耐雷水平與接地電阻有關。

圖5　未裝設避雷線時接觸網不同雷擊類型的作用區域

2）裝設避雷線后接觸網雷擊區域見圖6所示。從圖6可以看出，由于避雷線位置較高，圖5中繞擊區域被壓縮，當避雷線位置足夠高時，從圖6左半部分可以看出，上下行線路的避雷線引雷區間相互重疊，此時接觸網的高壓帶電部分被避雷線有效保護，因此雷電繞擊的概率接近為零。接觸網的最低耐雷水平由雷擊避雷線所決定，當避雷線直接通過支柱接地時，接觸網的耐雷水平等于反擊耐雷水平，通過降低接觸網的接地電阻，可有效提高接觸網的耐雷水平，降低雷擊跳閘率。

圖6　裝設避雷線后接觸網雷擊區域

3）通過避雷線防雷效果分析可知，避雷線的主要作用是通過改變雷擊類型，從而提高供電線路的耐雷水平〔6〕。參考IEEE導則IEEE std 1234-1997中電氣幾何模型以及A.J.Phillips在IEEE基礎上的改進電氣幾何模型中的擊距公式〔7、8〕：

rc=1.34（h+x）0.6I0.65（1）

rg=rc（2）

式中：rc和rg分別為雷電對承力索和大地的擊距；

I為雷電流幅值。

由公式（1）可知，雷電流幅值越大，擊距越大，由此人們得出了計算防雷保護范圍的滾球法。在接觸網避雷線設計時，推薦采用滾球法對避雷線保護范圍進行確定，在復線區段，為使上下行線路的避雷線引雷區域相互重疊，可適當提升避雷線高度，以避免接觸網高壓帶電部分受到雷電繞擊的影響，從而有效保護接觸網設備。

2.3增設線路避雷器的防雷效果分析避雷器通過釋放雷電和電力系統操作過電壓的能量，保護電氣設備免受瞬時過電壓危害，又能截斷續流，避免引起系統接地短路。當過電壓值達到規定的動作電壓時，避雷器立即動作，流過電荷，限制過電壓幅值，保護設備絕緣；電壓值正常后，避雷器又迅速恢復原狀，以保證系統正常供電。

為研究避雷器的保護范圍，采用圖7所示避雷器等效電路模型，將避雷器安裝在圖8中的第J6基支柱上，通過仿真試驗（仿真計算結果見表2）研究其相鄰支柱絕緣子閃絡與雷電流的關系。

圖7　避雷器模型圖

圖中L0=0.2 d/n（3）

R0=100 d/n（4）

L1=15 d/n（5）

R1=65 d/n（6）

C=100 d/n（7）

式中：d—避雷器長度，n一般情況都取1。

圖8　避雷器保護范圍仿真圖

表2　雷擊第J 6基支柱時的仿真結果

由仿真結果可知，隨著接地電阻的降低，接觸網的耐雷水平顯著提高。以接地電阻10 Ω為例，耐雷水平比60 Ω時提高了50 kA，支柱安裝避雷器后，本基支柱絕緣子基本不會閃絡，最先閃絡的支柱絕緣子是J 3#和J 9#，即避雷器可靠的保護了相鄰的J 4、J 5#和J 7、J 8#支柱絕緣子。在不同的接地電阻下，由于避雷器的作用，首先出現閃絡動作的支柱也不同，由此可見避雷器的保護范圍有限，避雷器一側僅能保護附近3~5基支柱的供電設備。

結合避雷器保護范圍分析，在強雷區每基支柱的接地電阻降到10 Ω的條件下，每隔2個跨距安裝1個避雷器，方可使整個接觸網的雷擊跳閘率與安裝避雷線的效果基本相同。但由于避雷器的防護范圍有限及雷擊點的隨機性，為達到避雷線的雷電防護效果需要增設大量的避雷器，由此造成線路設備成倍增加，維護工作量加大，反而降低了接觸網運行可靠性。

3　結束語

南廣鐵路廣西段接觸網近一年的運行實踐證明，當前的線路防雷設計遠不能滿足接觸網運行高可靠性的需求，通過接觸網線路增設避雷器和架設避雷線兩種方案的雷電防護效果研究，其雷電防護方案還有進一步優化的空間。可以選取受雷害影響最為嚴重的桂平牽引變電所作為試點，采用供電線直線區段和上下行接觸網線路支柱頂部單獨架設避雷線的雷電防護方案，提高該區段接觸網線路的雷電防護水平，降低雷擊跳閘率，從實踐上驗證避雷線對接觸網線路的雷電防護效果。

參考文獻：

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文章編號：1006-8686（2015）0008-04

文獻標識碼：A

中圖分類號：U223.8