鐵路電力貫通線供電可靠性及雷擊過電壓的影響

張涼永

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

鐵路電力貫通線供電可靠性及雷擊過電壓的影響

張涼永

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

鐵路電力貫通線是向鐵路通信、信號等重要負荷提供電源的鐵路電力工程基礎設施。由于與鐵路運營安全直接相關，貫通線的可靠性是設計中需要重點考慮的核心問題。文章對通信信號等重要設備的用電要求、電源配置、貫通線與城市配電網絡可靠性的比較、雷擊過電壓對貫通線可靠性的影響等問題予以淺析，并結合西南地區鐵路貫通線的實際運行情況對線路的雷擊過電壓防護問題提出其改善措施。

電源配置； 貫通線； 雷擊過電壓； 可靠性

鐵路通信信號等重要設備是保證列車運行安全的重要設備，其供電電源要求具有很高的可靠性以確保其穩定可靠運行。在鐵路系統中以電力貫通線為核心，構建鐵路專有的電力子系統向這些重要設備提供電源，這種模式被長期使用、沿用至今，積累了大量的運營管理經驗。而且，鐵路貫通線的實際運行情況表明，鐵路10 kV貫通線的可靠性與城市配電網絡的相比較具有非常明顯的優勢，是鐵路通信信號等與鐵路運營安全相關重要設備接取電源的不二之選。同時，在西南山區鐵路貫通線上雷擊過電壓故障在各種類型的故障中占有很高的比例，雷擊過電壓問題是對鐵路貫通線可靠性產生影響的主要因素之一。本文對通信信號等重要設備的用電要求、電源配置、雷擊過電壓對貫通線可靠性的影響及其改善措施、貫通線與城市配電網絡可靠性的比較等問題予以淺析。

1 貫通線的主要負荷的供電要求

目前鐵路通信信號設備的電源通常由電源防雷箱接入設備電源屏，電源屏對電源的各項電能質量指標進行轉換處理之后再接入設備。

電源屏本身的技術指標和要求在通信、信號等相關專業的行業標準中很明確。2008年4月，鐵道行業標準《客運專線鐵路信號產品標準：鐵路信號電源屏》，是在TB/T 1528.1～TB/T 1528.7標準以及運基信號〔2005〕458號《鐵路信號智能電源屏技術條件》(暫行)及相關附錄基礎上，針對客運專線信號系統的要求進行適應性設計，進一步提高了系統和產品的可靠性要求，并適用于200 km/h以上客運專線。

電源屏本身具備雙電源切換、穩壓隔離、UPS備用等功能。而且技術條件對其頻率、波形失真、工頻耐壓、沖擊耐壓、遠動、防觸電保護、電磁兼容、IP防護等級、防火等方面都有具體詳細的要求。以信號電源屏為例：兩路接入電源的切換時間t≤0.15 s、輸入電壓可介于165～275 V，穩壓精度≤3%Ue，而且可以在5 min內耐受120%的過載。

顯然，通信信號設備的電源屏有較強的電能質量轉換與處理能力，可以根據專業設備的需求對引入外部電源的各項指標參數進行有針對性的轉換和處理，使之符合設備需求，對外部引入電源的電壓降水平、頻率、波形失真等電能質量的指標要求并不高，在鐵路電力工程設計中真正需要重點考慮和著力解決的應該是其接入電源的可靠性問題。

介于通信信號設備可靠運行的重要性，各類規程規范中對于通信信號類負荷的等級界定都很高。《鐵路電力設計規范》(TB 10008-2006)中通信信號類負荷為一級。若參照《民用建筑電氣設計規范》(JGJ 16-2008)中對民航機場通信信號類負荷的分類，結合高鐵的具體情況，鐵路通信信號設備負荷應視為一級負荷中特別重要的負荷。不同規程規范中對此類負荷的電源配置要求是有差異的。

《鐵路電力設計規范》第4.2.6條：“獨立電源應符合下列要求：(1)兩路電源之間無聯系，其中一路電源發生故障，另一路電源應能繼續工作。(2)兩路電源之間有聯系，但發生故障時兩路電源應不致同時損壞。” TB 10008-2006第4.1.3的條文說明對“兩路相對獨立的電源”的界定解釋為：“當兩個電源之間無聯系時：(1)取自兩個發電廠或不同電源的兩個變電所。(2)取自同一發電廠的不同母線，不同母線應接引不同發電機；當兩個電源之間有聯系時：取自同一變電所的不同母線段(可為斷路器分段的110/35(10) kV變壓器的二次側母線)。[3]”而在實際工程應用中，鐵路用戶在某一地區電網的某個片區取得電源時“兩個電源之間無聯系”是很難做到的，直接由發電廠接取電源的情況更為少見，所以，第4.2.6條的要求在工程應用中實際上演變成了：只要是由不同電源的兩個變電所分別取得的電源，甚至同一變電所不同母線上取得的電源，都可以視為相互獨立的兩個電源。

在目前高鐵路網大幅擴張情況下，就通信信號設備負荷的重要性而言，上述電源配置要求應該是偏低的。

《供配電系統設計規范》(GB 50052-2009)中一級負荷雙電源的配置要求和《鐵路電力設計規范》是有差異的。其3.0.2的條文說明的解釋如下：“雙重電源一詞引用了IEC50(601)中術語第601-02-19條‘duplicate supply’，因地區大電力網在主網電壓上都是并網的，用電部門無論從電網取幾回電源進線，也無法得到嚴格意義上的兩個獨立電源。所以這里指的雙重電源可以是分別來自不同電網的電源，或來自同一電網但在運行時電路互相之間聯系很弱，或者來自同一個電網但其間的電氣距離較遠，一個電源系統任意一處出現異常運行時或發生短路故障時，另一個電源仍能不中斷供電，這樣的電源都可視為雙重電源。[2]”顯然，《供配電系統設計規范》的定義更為嚴謹。但要達到“分別來自不同電網的電源”這一要求難度極高，經濟上也不合理。而其后者，“來自同一電網但在運行時電路互相之間聯系很弱，或者來自同一個電網但其間的電氣距離較遠……”更具實際意義，設計上也更具可操作性。

對于大多數一級負荷而言，以這種方式配置的系統已經同時滿足了《供配電系統設計規范》、《高層民用建筑設計防火規范》、《鐵路電力設計規范》的要求。但是在《民用建筑電氣設計規范》中還對“一級負荷中特別重要的負荷”作出了規定，介于其特殊性和重要性，這類負荷要求連續不間斷供電。為達不間斷供電的要求，除外部引入雙電源之外還要求配置應急電源。

在鐵路電力工程設計中，通信信號設備的外部電源通常會由鐵路貫通(自閉)線路、地方電網、柴油發電機等途徑取得雙電源，應急電源通常由通信信號設備自帶的UPS等提供。在高鐵路網節點上的特等站(特大型站房)，當外部電源條件較好便于獲得雙電源引入的情況下，也可由柴油機提供應急電源。此時設備自帶的UPS可以用作應急電源的再備用。

2 貫通線的供電可靠性及雷擊過電壓問題

2.1 鐵路貫通線的主要特征

在鐵路電力系統中以貫通(自閉)線路為主，向通信信號等重要設備提供電源的供電方式在各國鐵路系統中廣泛使用，而且在長期的使用過程中積累了大量的運行管理經驗。長期的運營管理實踐證明這種技術上成熟可靠的模式可以有效滿足通信信號等重要設備電源的可靠性要求。

普速鐵路通常配置一條電力貫通(自閉)線，為通信信號等重要負荷專用，鐵路沿線各車站由地方電網取得電源供車站生產生活用電，同時為通信信號設備提供備用電源。隨著國內高鐵客運專線的大規模擴張，為提高系統可靠性和供電能力，在鐵路兩側各通長架設一條貫通線路的雙貫通線供電方式被大量使用。雙貫通模式下一條貫通線為通信信號等重要負荷專用，另一條貫通線提供通信信號設備的備用電源，并在供電能力允許的條件下接入其他負荷，以盡可能提高電力設備利用率和資金使用效率。

貫通(自閉)線已經成為確保通信信號等關鍵設備正常運行的重要保障設施，也是鐵路安全運營的重要保證。以貫通線和鐵路變配電所為核心構成的鐵路專用供電系統，其電源取自鐵路沿線各地區電網，10 kV架空或電纜線路沿鐵路通長架設，分區段供電(供電臂長度一般40～60 km)，相鄰供電臂之間互為備用(ZCH+BZT)。其典型特點為：

(1) 系統外部電源來自鐵路沿線各地區城市供配電網絡(在外部電源匱乏的貧困地區也可由鐵路牽引供電系統取得電源)。

相互獨立的電源多點接入，系統電源的可靠性很高。貫通線是沿鐵路通長架設的專用電力線路，由若干個供電臂相互接續覆蓋鐵路全線。每個供電臂兩端由不同的地方電力網絡接入電源，并經由設置于鐵路變配電所內的調壓裝置隔離，使之相對地獨立于地方電力系統之外。由于每個供電臂的長度可達40～60 km，其兩端的電源來自不同地區(或片區)，電源相互之間的獨立性高，可以滿足“分別來自不同電網”或“來自同一電網但在運行時電路互相之間聯系很弱，或者來自同一個電網但其間的電氣距離較遠……”的要求，完全可以視為嚴格意義上兩個相互獨立的電源。相互接續的每個供電臂都采用這種方式配置，獨立電源多點接入，其系統電源的可靠性是非常高的。在貫通線的實際運行過程中，除供電臂兩端的電源互為備用之外，在極端情況下，只要供電能力許可，還可以跨區遠程供電。

(2) 負荷量小而且負荷性質單一。

在專用自閉線路模式下，除信號類負荷之外其他性質的負荷極少，在單貫通(或部分雙貫通線)模式下，也以通信信號類負荷為主；鐵路車站上的其他等級不高的站房照明、車站站場照明、機務、車務、工務、給排水設備等各類生產生活用電，一般情況下可在地方電網另行接入外部電源電。貫通線這種負荷性質單一、而且負荷量不大的顯著特征為其可靠運行提供了非常好的基礎條件。

(3) 運行過程中的外部干擾影響小。

在鐵路電路工程設計中，鐵路貫通線的路徑選擇大多靠近鐵路正線，尤其是電纜線路，絕大多數設置于鐵路用地范圍之內，受到外界工程施工、人為因素或其他用戶影響的概率很低。這個特征和城市網絡中的電力線路有明顯區別。鐵路供電段、水電段等運行管理部門只要做好日常線路巡視、定期計劃檢修維護等工作，貫通線由于人為因素導致的故障率完全可以控制在非常低的水平上。

(4) 供電臂長，供電能力受限。

貫通線的每一個供電臂都必須承擔其覆蓋范圍內鐵路沿各站的通信信號等重要負荷，所以沿鐵路遠距離送電是貫通線的客觀需求，在供電電壓允許偏差不大于±5%Ue(《鐵路電力設計規范》第4.3.1～4.3.3條)等規范要求的技術指標限定之下，貫通線的供電能力受到較大制約。當線路末端有重要的大容量單臺設備時受到貫通線供電能力制約的情況尤為明顯。例如，位于高鐵路網重要節點上的特大型客站，其信號的單臺設備容量Pe可達80～90 kW，若由貫通線提供電源，當貫通線反方向送電時設備即位于線路末端，此時的貫通線電壓降水平校驗計算要滿足“電壓允許偏差不大于±5%Ue”的條件是很難的。這類問題一般情況下只能通過合理的負荷分類、限制非重要負荷的接入，盡量提高貫通線的重要負荷使用效率等措施來解決。

2.2 貫通線和城市配電網絡的可靠性比較

就系統運行的可靠性而言，以鐵路貫通線為核心構成的專用供電系統與城市配電網絡相比較具有明顯優勢。以下為鐵路某供電段管內電力貫通線(包括雙貫通和單貫通)和西南某市城市電網(包括市區某區域用戶情況和城鄉電網)的實際運行可靠性情況對比。以年平均停電時間、年平均停電次數、系統故障率3個指標作為系統可靠性的評估參數，各項參數按如下方法統計計算。

2.2.1 系統年故障停電時間：Ttd

2.2.2 系統年故障率(‰)：Kj

式中：Ttd為年系統故障停電時間；Tz為該系統(鐵路貫通線或城市某片區電網)年運行正常時間和故障停電時間的之和。

2.2.3 用戶平均停電次數：Dpj

式中：N為用戶總數(或貫通線的負荷點數)，λk為第k個用戶的故障次數，Dpj的單位是次/戶。

2.2.4 用戶年平均停電時間：Tpj

式中：N為用戶總數(或貫通線的負荷點數)；δk為第k個用戶的故障后停電的平均持續時間；Tpj的單位是h/戶。

貫通線與城市10 kV配電網絡供電故障對比見表1。

表1 貫通線與城市10 kV配電網絡供電故障率對比

由表1統計數據分析結果可以清晰地表明，鐵路10 kV貫通線的可靠性明顯優于城市10 kV配電網絡，這和貫通線電源多點接入、負荷性質單一、受外界的干擾影響小等特征相吻合。這種高可靠性的特征迎合了通信信號等與鐵路運營相關重要設備用電的可靠性需求。這也是為確保運輸安全，鐵路電力工程長期以來以貫通線為核心構建鐵路專有的電力子系統的主因。近年來，隨著高鐵、客運專線路網的快速擴張，雙貫通線模式得以推廣使用，這種模式非常有效的進一步提高了鐵路通信信號等重要設備的電源可靠性。

2.3 雷擊過電壓對鐵路貫通線可靠性的影響

2.3.1 鐵路貫通線運行可靠性的影響因素

對鐵路貫通線運行可靠性產生的影響因素很多，諸如：線路設計標準、絕緣等級、產品質量、冰雪雷雨等氣候因素、地形地貌條件、負荷情況、施工質量、維護管理水平、其他工程施工或人為干擾影響、山體滑坡及其他自然災害等等。而且不同地區的線路其重要的影響因素和也存在明顯差異，例如，東北地區導線桿塔的覆冰問題，東南沿海潮濕氣候及腐蝕問題，西北黃土高原區域塵埃對絕緣水平的影響等等。

2.3.2 10 kV貫通線的雷擊過電壓

對貫通線運行產生影響的眾多因素中，雷擊過電壓是對可靠性構成威脅的一個極其重要的因素，其影響范圍很廣，并在華東、華南及西南山區尤為突出。

由于鐵路貫通線沿鐵路通長架設，其供電范圍覆蓋鐵路全線。長距離的10 kV(或35 kV)電力線路暴露于曠野而且連續不間斷運行，線路遭受雷擊的概率高。在華東、華南及西南山區，由于年平均雷暴日較高，雷擊過電壓誘發故障的概率明顯高于其他地區。

西南山區的貫通線路，因雷擊產生的過電壓擊穿絕緣導致針式瓷瓶或懸式絕緣子炸裂、避雷器損壞、相間閃絡、斷線等原因導致的故障跳閘在貫通線停電事故中占有非常高的比例。地形地貌復雜、氣候多變的山區架空線路，此類故障的占有率甚至可以高達70%以上。

架空電力線路因雷擊產生的過電壓分兩類情況:雷直擊于桿塔或導線引起的“直擊雷過電壓”和雷擊于電力線路附近的地表，由電磁感應在導線、橫擔等金屬構件上而產生的“感應雷過電壓”。

在雷擊事故中，感應雷過電壓的發生概率約占80%，遠高于直擊雷過電壓。由于電壓等級、絕緣強度、桿塔形式(鐵塔或鋼筋混凝土桿塔)、接地裝置、避雷線設置等技術標準上的差異，通常情況下，35 kV及以下等級的電力線路和設備上感應雷過電壓所構成的威脅明顯多于110 kV及以上高電壓等級電力線路及設備。

圖1 雷電波波形

對大多為10 kV等級的長距離鐵路貫通線而言，感應雷過電壓是對線路運行的可靠性構成威脅的主要原因之一。

(1)感應雷過壓：當雷云中電荷大量聚集并向地表接近時， 雷云和大地之間形成高強度電場，其場強達到2 500～3 000 kV/ m時,會發生先導放電，隨后在極短的時間(約為50～100 μs)內產生“閃絡”，其強烈的電荷“中和”過程導致被稱為“主放電階段”的極大放電電流(數十到數百 kA)。由于放電電流變化速率很快，尤其是在放電電流達到峰值之前陡度α(α=di/dt)值很高，在放電通道周圍空間將形成強度很高而且變化速度很快的磁場，位于磁場內的導線、避雷線、接地引下線、橫擔等金屬導體上都會產生很高的電磁感應電壓。規程建議，在當雷擊點距離線路的距離S>65 m時，感應過電壓的最大值Ug可按下式估算：

式中：Ug為感應電壓最大值(kV)；Ugd為帶避雷線情況下感應電壓最大值(kV)；I為雷電流幅值(kA)；hd為線路導線懸掛高度(m)；S為雷擊點距離線路的距離(m)，K為避雷線與導線的耦合系數。其中的雷電流幅值，應根據不同地區雷電流幅值積累概率分布情況在設計中合理選定。

若針對西南山區鐵路電力貫通線的情況，并參考貴州省雷電流幅值積累概率分布，取貫通線計算參數：hd=10 m，I=20 kA，S=65 m，K=0，則Ugd=Ug=76.9 kV，即：出于感應雷過電壓防護的需要，在云貴山區雷擊事件發生率較高的區段，10 kV貫通線上常用的針式絕緣子的50%全波沖擊閃絡電壓(U50%)亦大于80 kV。設計中可靠的選型應當使用P-15T(U50%=115 kV)，若基于節約投資的目的選用P-10T(U50%=80 kV)，雖然技術參數上也可以滿足要求，但發生雷擊閃絡擊穿事故的概率會明顯增加，在雷擊高發區貫通線的可靠性被大幅降低了(表2)。

表2 10 kV貫通線幾種絕緣子電氣特性比較

(2)直擊雷過電壓：當雷擊于桿塔時雷電流會通過桿塔泄入大地。當雷直擊導線時雷電流沿導線流動，部分雷電流經由避雷器的放電間隙、桿塔接地裝置等泄入大地(部分雷電流將通過線路侵入變電站在設備上產生雷電侵入波過電壓)。在雷電流泄放的短暫過程中，由雷電通道所產生的空間電磁場發生急劇變化，將在導線感應出與雷電流極性相反的過電壓。對無避雷線、高度40 m以下的線路，此過電壓最大值Uga使用下式估算：

式中：α為感應過壓系數(kV/m)，其數值等于以kA/m計算的雷電流平均陡度，即α=I/2.6，取貫通線計算參數：hd=10 m，I=20 kA，則Uga= 76.9 kV。上述分析表明，直擊雷過電壓與S=65 m時的感應過電壓水平一致，此時Uga=Ugd。當雷擊線路外側地表的位置S>65 m后，感應過電壓水平低于直擊雷過電壓或S=65 m時的感應雷過電壓，設計中鐵路貫通線的絕緣水平直接使用Uga=Ugd參數進行校驗即可。

2.3.3 貫通線雷擊過電壓的防護

“關于雷擊過電壓的防護，至今國內外專家的共識是：無源不可消雷、也不能驅(拒)雷，只能攔截和改變入大地路徑，很好的設計和建設雷擊過電壓防護措施是能夠避免雷擊過電壓產生的破壞性后果的。[1]”雷擊過電壓防護措施是一個涉及到電力系統中各個環節的復雜系統問題。就鐵路10 kV貫通線而言，以下這些措施經過長期的運行管理實踐證明可以有效地改善和提高雷擊過電壓的防護效果。

(1)降低桿塔接地阻抗。

這是改善貫通線路直擊雷防護效果最為有效的措施。桿塔接地阻抗的大小和直擊雷情況下桿塔頂部電位呈正相關，阻抗越大桿塔頂部電位越高，和導線之間的電位差越大，發生絕緣子閃絡的概率越高。可以通過改變接地體的尺寸、截面積、埋深、幾何形狀等方式來降低工頻接地電阻和沖擊接地電阻。在雷電流泄放過程中由于土壤中存在火花擊穿效應。沖擊接地電阻一般低于工頻接地電阻，而且沖擊接地電阻因土壤性質、沖擊電流峰值及波形、接地裝置的幾何形狀不同而差異很大，在設計中常以工頻電阻值作為接地設計的依據，但其中需要注意垂直接地體在雷電流沖擊時的電感效應。延長接地體的長度會導致電感效應增加，這是對雷電流的泄放的不利因素。在山區線路的石質基坑或土壤電阻率較高的桿塔建議使用長效降阻劑，并加強定期檢測，尤其是在雷雨季節來臨之前要切實掌握桿塔接地電阻值的變化情況。

(2)合理確定貫通線路絕緣水平。

在設計中適當提高絕緣等級，尤其是在山區線路上的雷擊高發區段加強絕緣，增加絕緣子U50%(50%全波沖擊閃絡電壓)值，可以改善感應雷過電壓情況下反擊閃絡的防護效果。

(3)避雷線設置。

規程規定35 kV及以下的線路一般不全線架設避雷線，裝設自動重合閘裝置。西南地區電力貫通線的實際運行情況表明，在地貌條件復雜氣候多變的山區，雷擊有非常明顯的選擇性。某些區域會有雷雨高發的局部小氣候，貫通線路上的部分區段會頻繁的反復遭受雷擊、而部分區段會多年無雷擊記錄?？稍诓糠掷讚舾甙l區段的貫通線路上加強絕緣并增設避雷線。貫通線路徑上的雷擊故障明顯高發區段通常出現在突兀的山脊、高導電巖層區段、高差大而陡峭的山谷等區段，在這些區段針對性的設置避雷線可以非常明顯改善整條貫通線的防雷擊過電壓水平、大幅度降低雷擊故障率。

(4)安裝避雷器。

由于雷電流陡波的折射與反射，線路末端斷開時反射波等于入射波，當波到達開路末端時全部磁場能量將被轉變而使電壓上升1倍，因此在鐵路貫通線路的每一條供電臂末端、架空線與電纜轉換處的終端桿、末端變臺桿等處必須安裝避雷器。

(5)在貫通線中電纜線路所占比例越高，雷擊過電壓的故障概率越低。

在西南山區鐵路橋梁隧道比例較高的區段盡可能在橋梁上、隧道內敷設電纜。采用全電纜貫通線方案幾乎可以徹 底解決雷擊故障問題，國內多條高鐵客專采用全電纜10kV貫通線方案并已投入運行。海南省是國內典型的雷擊高發區(局部地區的年均雷暴日數在100以上)，海南東環鐵路采用全電纜10kV貫通線，自2010年12月底開通運行至今，貫通線的雷擊停電故障次數為零。

3 結束語

通信信號等重要設備直接關系到系統運營安全，其接入電源的可靠性是鐵路電力工程設計需要考慮的重要問題。以電力貫通線為核心構建的鐵路專有電力系統向通信信號等重要設備提供電源的模式可以提供可靠性較高的電源，這種模式已經在鐵路系統多年的實踐中積累了豐富的運行管理經驗，對于雷擊過電壓等對貫通線可靠性影響的問題在設計中應當予以高度重視，并采取綜合措施著力解決。

[1] 許穎，徐士珩.交流電力系統過電壓防護及絕緣配合[M].中國電力出版社，2006

[2] GB 50052-2009供配電系統設計規范[S]

[3] TB 10086-2006鐵路電力設計規范[S]

[4] GBJ 64-1983工業與民用電力裝置的過電壓保護設計規范[S]

[5] DL/T 620-1997交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S]

張涼永(1964～)，男，工程師，國家注冊電氣工程師。

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[定稿日期]2014-10-29