柳南客專接觸網防雷研究

周書念（南寧鐵路局柳州供電段，助理工程師　廣西　柳州　545007）

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柳南客專接觸網防雷研究

周書念
（南寧鐵路局柳州供電段，助理工程師廣西柳州545007）

摘要：柳南客專所經地區地理、氣象、氣候條件差別較大，情況復雜，雷害已成為引發接觸網故障的主要因素。為保證柳南客專接觸網運行的高可靠性，在分析接觸網常用防雷措施的基礎上，結合柳南客專柳州至小平陽段目前的防雷現狀，提出柳南客專接觸網系統防雷的改建建議。

關鍵詞：客運專線；接觸網；防雷

10.13572/j.cnki.tdyy.2016.02.016

柳州至南寧客運專線開通一年來，多次發生雷擊事件，造成多起供電停電故障，嚴重干擾正常行車秩序和行車安全。故此，對其接觸網進行防雷害分析并采取對策方案非常必要和迫切。

1　柳南客專概況

1.1線路概況柳南客專自柳州新建雙線，引入既有進德車站后沿既有湘桂線西側取直并行至來賓地區設新來賓北站，然后跨既有湘桂線后沿既有線東側取直，在小平陽跨既有湘桂線后沿既有湘桂線西側取直至黎塘地區設黎塘西站，然后大取直引入南寧東樞紐，高架通過既有屯里站和長崗嶺站后沿既有湘桂線增建二線至南寧站。

柳南客專采用AT供電方式，柳南客專柳州至小平陽段，全長99.643 km，設置進德、來賓北等AT牽引變電所2座，設置鳳凰、水澗等AT分區所2座；設置新村、甘烈、廣隆等AT所3座。線路正線接觸導線采用錫銅合金導線CTS-150（高強度），導高5 500 mm，承力索采用鎂銅合金絞線JTMH-120，結構高度1 600 mm，正線線間距4.6 m，正饋線采用LBGLJ-240，保護線采用LBGLJ-120，全線絕緣泄漏距離按不小于1 400 mm設計。

1.2氣象概況沿線屬亞熱帶濕潤季風氣候，其氣候特點是溫暖濕潤，雨量充沛，有明顯的干濕兩季之分，夏季易澇，春秋易旱。

據《建筑結構荷載規范》（GB50009-2001）典型氣象區劃分、電力資料、供電運營維護情況及收集的資料，確定柳南客專的氣象條件見表1。

表1　柳南客專柳州至南寧的氣象情況

1.3防雷主要措施柳南客專屬于強雷區，柳州、南寧均是雷暴日發生的高發區，年平均雷電日數達到78.1天，在錨段關節式電分相處、區間的非絕緣錨段關節、長度200 m及以上的供電線上網處、分區所引入線處、開閉所引入線處、長度為2 000 m及以上的隧道口或連續的隧道群兩端設氧化鋅避雷器以預防大氣過電壓。

2　接觸網防雷存在主要問題

2.1雷害對行車干擾嚴重因雷害導致接觸網跳閘停電，將造成鐵路客運列車中斷，特別是高速動車組車上從接觸網得到電源的照明、空調等設備將停止工作，影響旅客的情緒，嚴重時可造成不良的社會影響。2014年，柳南客專進德至小平陽段雷害引起的接觸網跳閘高達二十多次，其中“8.13”雷擊造成避雷器絕緣擊穿及棒式絕緣子靠支柱側同時被擊碎2片，來賓北變電所213饋線由于避雷器短路接地而跳閘，停電3 h 05 min，構成鐵路交通一般D類（D21）事故。

2.2雷害故障原因排查難度大雷害導致的接觸網故障主要有：正饋線絕緣子擊穿、接觸懸掛的棒式絕緣子擊穿、供電線電纜頭絕緣擊穿、避雷器絕緣擊穿等。絕緣擊穿的痕跡基本上無規律可循，特別是棒式絕緣子擊穿，僅憑肉眼巡視檢查，較難發現。且客運專線的維修天窗多是在夜間安排，加上照明的角度、天氣惡劣等因素，加大了絕緣擊穿處所的查找難度。2014年全年柳南客專柳州至小平陽段跳閘共計25次，其中查明跳閘原因的僅有12次，占跳閘總數的48%，是雷害原因查找難度大的最好佐證。

2.3避雷器質量及設置距離存在問題

2.3.1避雷器高壓線支持絕緣子擊穿目前柳南客專使用的避雷器是YH 5 WT-42/120，絕緣爬距為1 400 mm。主要技術指標見表2所示。

表2　YH5WT-42/120型避雷器主要技術指標

至今，避雷器高壓線支持絕緣子已于2014年8 月13和10月30日先后2次被擊穿（如圖1、圖2）。

圖1　8月13日避雷器高壓線支持絕緣子擊穿圖

圖2　10月30日避雷器高壓線支持絕緣子擊穿圖

2.3.2避雷器的設置距離過大目前柳南客專避雷的設置為錨段關節處、饋線上網處。避雷器間隔距離（按照錨段長度計算）約為1.4 km。雷擊接觸網時見圖3所示。

圖3　雷擊接觸網示意圖

由圖3可知，雷擊電壓以v=300 m/μs向雷擊點兩邊的接觸網傳播，在接觸網上形成的雷電前行經過L/V時間到雷擊地點A，忽略避雷器殘壓，近似認為雷電前行波電壓在A點反射，又經過L/V時間后反射到雷擊點J，要使避雷器動作后，接觸網上的絕緣子不發生放電擊穿，可得接觸網上避雷器的保護距離〔1〕，公式如下：

取接觸網波阻抗取z=400 Ω，接觸網本身的耐雷水平I取23 kA，瓷質棒式絕緣子工頻濕耐受電壓為140 kv，則避雷器的保護距離L=237 m。則避雷器設置的合理間距應為2 L=474 m，約為500 m。目前避雷器設置間距為1 400 m，設置間距過大。

2.4雷擊造成絕緣子擊穿柳南客專進德至小平陽段開通一年來，因雷擊跳閘的同時，共發生各種形式絕緣子閃絡或擊碎現象19次，其中T線類（如圖4）絕緣子故障1次，AF線類（如圖5）故障高達16次，雷擊對高鐵設備的危害可見一般。

圖4　雷擊瓷質棒式絕緣子閃絡擊穿圖

圖5　雷擊AF線瓷質懸式絕緣子閃絡擊穿圖

3　接觸網主要的防雷方式

3.1避雷器防雷避雷器是連接在導線和大地之間的一種防止雷擊的設備，通常與被保護設備并聯。避雷器可以有效的保護電力設備，一旦出現過電壓，避雷器產生作用，起到保護作用。當被保護設備在正常工作電壓下運行時，避雷器不會產生作用，對地面視為斷路。一旦出現高電壓，且危及被保護設備絕緣時，避雷器立即動作，將高壓電沖擊電流導向大地，從而限制電壓幅值，保護電器設備絕緣。當過電壓消失后，避雷器迅速恢復到原來狀態，使得系統能夠正常供電。

接觸網用避雷器應體積小、重量輕、結構簡單、安裝方便，其密封性、防爆性、耐污性、可靠性要求較高，不同于一般設置在變電所內的避雷器。目前接觸網常用的避雷器為帶脫離器的氧化鋅避雷器，系統標稱電壓的有效值為27.5 kV，額定電壓有效值為42 kV，持續運行電壓有效值為34 kV，陡波沖擊電流殘壓為138 kV，雷電沖擊電流殘壓為120 kV，操作沖擊電流殘壓為98 kV。雖然設置避雷器對提高接觸網的防雷擊水平有一定作用，但接觸網上安裝的避雷器保護范圍約為250 m，保護范圍有限，只能防止其保護范圍內的接觸網絕緣閃絡；接觸網用氧化鋅避雷器大都采用帶串聯間隙的結構，其復合絕緣子長度短，污染條件下的工頻電壓耐受能力低可能會增加污閃事故率；如大密集安裝避雷器則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。

綜上所述，接觸網上安裝避雷器的保護距離和發揮的作用有限，只能作為牽引供電系統防雷技術措施的一種補充，僅能對接觸網高雷區的局部起防雷作用，未能覆蓋整條線路的接觸網。

3.2避雷針防雷避雷針由引雷器、接地引下線和接地體（接地極）這3部分串聯組成。避雷針的引雷器是指避雷針頂端部分的金屬針頭。引雷器的位置都高于被保護的物體。接地引下線是避雷針的中間部分，是用來連接雷電引雷器和接地體的。接地引下線的截面積不但應根據雷電流通過時的發熱情況計算，使其不會因過熱而熔化，而且還要有足夠的機械強度。接地體是整個避雷針的最底下部分。它的作用不僅是安全地把雷電流由此導入地中，而且還要進一步使雷電流在流入大地時均勻地分散開去。避雷針的工作原理就其本質而言，避雷針不是避雷，而是利用其高聳空中的有利地位，把雷電引向自身，承受雷擊。同時把雷電流泄入大地，起著保護其附近高度比它低的建筑物或設備免受雷擊的作用。

避雷針保護其附近高度比它低的建筑物或設備免受雷擊是有一定范圍的。這范圍像一頂以避雷針為中心的圓錐形的雨傘，罩在雨傘里面空間的物體，可以免遭雷擊，這是避雷針的保護范圍見圖6所示。

圖6　單支避雷針保護范圍圖

3.2.1避雷針在地面上保護半徑的計算〔2〕

計算避雷針在地面上的保護半徑可用公式

式中：Rp為保護半徑；

h為避雷針的高度；

P為高度影響因數。

其中，P的取值是：當h≤30 m，P＝1；當30 m≤h≤120 m時，P=5.5/h1/2；當h＞120 m時，只能取h= 120 m。

3.2.2被保護物高度hp水平面上保護半徑的計算

1）當hp≥0.5 h時，被保護物高度hp水平面上的保護半徑，

式中：Rp為避雷針在hp水平面上的保護半徑；

hp為被保護物的高度；

ha為避雷針的有效高度。

2）當hp＜0.5 h時，被保護物高度hp水平面上的保護半徑

由于考慮線路避雷針安裝于支柱頂部的穩定性，避雷針本體一般高度僅為h=5～6 m（從柱頂算起）。無架空避雷線或地線線路加裝避雷針，只能作為單位避雷針保護，其保護范圍使用公式（3）計算，保護半徑Rp=（h-hp）P=haP，一般小于10 m，保護范圍較小。

且安裝避雷針后，支柱落雷的概率將增大，直擊、繞擊減少而增加了反擊的機會。由于避雷針的接地引下很難和支柱接地分開，鋼支柱尤其如此，事實上，形成接觸網絕緣子也頻繁地承受因雷擊避雷針而形成的反擊電壓。由于安裝于支柱頂部，相當于增加了支柱高度，支柱越高，支柱的電感越大，流過支柱時雷電流產生的幅值越高，同時，支柱越高，大地的屏蔽作用越小，增強了反擊對線路的危害。顯然，考慮避雷針防雷不是最佳方案。

根據公式推算，避雷針的保戶范圍是局部的，與接觸網的帶狀防雷范圍不相符。

3.3避雷線防雷避雷線又稱架空地線，架設在桿塔頂部1根或2根，用于防雷。架空輸電線遭遇雷擊時，可能打在導線上，也可能打在桿塔上。雷擊導線時，在導線上將產生遠高于線路額定電壓的所謂“過電壓”，有時達到幾百萬伏。它超過線路絕緣子串的抗電強度時，絕緣子將“閃絡”，往往引起線路跳閘，甚至造成停電事故。避雷線可以遮住導線，使雷電流導入大地。避雷線的保護效果與它下方的導線與避雷線所成的角度有關，角度越小，保護效果越好。架設有2根避雷線的情況下，容易獲得較小的保護角，線路運行時的雷擊跳閘故障也少，但投資較大。

4　柳南客專接觸網防雷加強建議

柳南客專接觸網分布在曠野，伴隨著鐵路穿過高山、跨過平原，由于接觸線高出地面，且大部分接觸線架設在高架橋上，它對雷電先到的吸引作用很強。柳南客專采用AT供電方式，接觸網的AF線懸掛位置高于T線，上下行線路的AF線對位于兩者之間的T線構成屏蔽，T線引雷寬度較小，并隨著雷電流幅值的增大而減小，考慮接觸網的雷害防護時，重點針對AF線的雷害采取措施。

避雷器和避雷針的保護范圍均是局部范圍，與接觸網帶狀防雷范圍需求不相符。在外局或其他線路有將AT供電方式下的保護線采用柱頂方式安裝，將保護線安裝在AF線上方，保護線起到避雷線作用，可有效防雷。柳南客專進德至小平陽段現為AT供電方式，在支柱的田野側AF線的下方架設有保護線，可將保護線升高至柱頂，兼起到避雷線作用，但此方式，對行車干擾較大，必須在線路封鎖接觸網停電的情況下進行施工，必須考慮電氣過渡，施工難度較大。為此，綜合考慮以上防雷方式，建議柳南客專防雷采用新架設避雷線方式，并且僅考慮AF線的防雷。

4.1避雷線安裝高度的確定避雷線的保戶效果取決于避雷線的安裝高度。根據高鐵接觸網設備的特點，架空線只有在既有支柱上加裝，架空地線的安裝高度決定了其保護范圍。世界各國對接閃器的保戶范圍的計算方法大體有滾球法、保護角法和網絡法3種。我國GB 50057-2010《建筑防雷設計規范》規定接閃器采用滾球法計算〔3〕。

按照滾球法計算原理（如圖7所示）：避雷針在hx高度的x x’平面和地面上的保護半徑按下列方法確定：

式中：rx為避雷針在hx高度x-x’平面的保護半徑；

hr為為滾球半徑；

hx為被保護物的高度（m）；

圖7　滾球法避雷線保護范圍示意圖

柳南客專安裝直線段中間單腕臂安裝（見圖8所示），不難分析出，對于一般中間柱的AF線，在被保護AF線高度hx=7.2 m上，AF線被保護半徑rx= 1.4 m（AF線水平安裝間架與支柱水平距離按1.4 m計），可得避雷線的安裝高度為9 m。在支柱位置，避雷線安裝在支柱柱頂上方0.8 m即可。

圖8　柳南客專示懸掛安裝示意圖

4.2避雷線的線材確定根據在電力系統中架空避雷線一般采用鍍鋅鋼絞線。由于增設的避雷線的主要作用是防止雷擊導線，為增大同截面導線的抗拉強度，建議采用電力系統常用的鍍鋅鋼絞線作為避雷線。

按照防雷裝置設計與安裝要求，避雷線宜采用截面不小于50 mm2的熱鍍鋅鋼絞線。同時，為減小增設的避雷線對既有支柱容量的影響，避雷線的額定張力不能太大，推薦采用5 kN〔4〕。

4.3避雷線的固定形式由于柳南客專接觸網PW線通過吸上線、H型鋼柱等于綜合接地系統相連，采用的是非絕緣安裝形式。為使避雷線與綜合接地系統及弱電設備相對隔離，推薦避雷線采用絕緣子懸掛的絕緣安裝形式，并采用抱箍將避雷線支架與支柱的柱頂固定安裝方式。

4.4避雷線的接地方式根據武廣客專鐵路新增避雷線接地經驗，推薦采用每隔200 m進行接地設置〔4〕。為使避雷線接地與綜合接地系統相對隔離，避雷線采用單獨接地；路基區段避雷線接地引至路基外離路基20 m以外接至不大于10 Ω的獨立接地極。橋梁區段如橋梁墩臺不高，且橋下狀況較好，推薦采用引下獨立接地極。如獨立接地極引下困難，可單獨雙引下連接至橋墩頂部預留的綜合接地端子，同時拆除該橋墩與橋梁之間的接地連接，確保接觸網防雷接地與鐵路綜合接地系統和信號防雷接地屏蔽分離；引下線采用70 mm2絕緣單芯銅纜，避免與綜合接地系統的直接相連。

5　結論

為保證客運專線運行的高可靠性、達到牽引供電系統少維護的目的，目前，柳南客專鳳凰至來賓北區間重雷區接觸網防雷設計中，己經采用架設避雷線方案，待柳南客專鳳凰至來賓北區間重雷區避雷線架設完成后，統計雷害數據與2014年同期比較，屆時可驗證避雷線的防雷效果。

高速鐵路客運專線接觸網系統的防雷，已成為影響列車安全運行的重要因素之一，成為保障列車高速安全運行的短板，在工程實踐中應根據雷電活動情況，考慮環境、地形、雷暴日等情況，因地制宜，采取相應的防護措施。

參考文獻：

〔1〕劉明光、李光哲等.論接觸網上避雷器的引用〔J〕.電氣化鐵道，2005.〔5〕：29.

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〔4〕中鐵第四勘查設計院，武漢至廣州客運專線防雷改造加強安裝圖.武漢，2012.

中圖分類號：U224.2+5

文獻標識碼：A

文章編號：1006-8686（2016）-02-0043-05