南方某動車所雷擊故障分析及建議探討

陳慶華，韓聰穎

（1. 中國國家鐵路集團有限公司工電部，北京 100844；2. 北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070）

1 概述

2019 年7 月，南方某動車所發(fā)生雷擊故障，導致道岔信號電纜斷線、防雷分線柜燒損、接觸網(wǎng)短路跳閘。

故障電纜的方向盒正位于被擊中接觸網(wǎng)附近，如圖1 所示。

2 現(xiàn)場環(huán)境情況

2.1 方向盒及電纜走向情況

DS-4 道岔電纜方向盒距機械室292 m，如圖2所示。盒中共一根主干電纜（D68G、66DG 軌道電路與66 號、8A/8B 號道岔共用）、兩根分支電纜，故障主干電纜28 芯至室內(nèi)分線柜內(nèi)成端、一根故障分支電纜24 芯至DS-2、另一根分支電纜至終端盒，如圖3 所示。

圖1 故障電纜方向盒位置Fig.1 Location of malfunctioning cable direction box

圖2 DS-4道岔電纜方向盒位置Fig.2 Position of cable direction box of DS-4 switch

圖3 電纜故障示意圖Fig.3 Diagram of malfunctioning cable

2.2 附近其他箱盒情況

DS-4 附近還有25 Hz 軌道電路終端盒、信號機終端盒，如圖4 所示。軌道電路終端盒內(nèi)接地端子排引至貫通地線，信號電纜在該端子屏蔽接地；信號機終端盒內(nèi)無接地端子排。

圖4 DS-4電纜方向盒附近箱盒Fig.4 Boxes next to DS-4 cable direction box

2.3 接地電阻測試情況

機械室內(nèi)新裝防雷分線柜接地電阻值為0.26 Ω，機械室內(nèi)匯流排接地電阻值為0.26 Ω；DS-2 箱盒接地電阻值為1.7 Ω；DS-4 方向盒接地端子接地電阻值無窮大；DS-4 方向盒附近接觸網(wǎng)支柱接地電阻8.2 Ω。

2.4 電纜成端方式

電纜金屬外皮在室內(nèi)側(cè)單端接地，電纜外皮鋼帶直接引入防雷分線柜進行一次成端，如圖5 所示。

圖5 電纜金屬外皮上柜Fig.5 Connection of metal cable sheath with the cabinet

3 雷害原因分析

直擊雷擊中接觸網(wǎng)造成絕緣子閃絡(luò)，雷電流和接觸網(wǎng)工頻短路大電流通過接觸網(wǎng)支柱和斜拉鎖入地，造成其附近地電位升高，反擊至電纜盒中電纜上。大電流經(jīng)道岔信號電纜金屬外皮引入機械室泄放，泄放時分線柜通路中接觸電阻發(fā)熱造成防雷分線柜燃燒。如圖6 所示。

圖6 沖擊電流入侵通道Fig.6 Channel of inrush impulse current

雷電流和接觸網(wǎng)工頻短路大電流通過電纜盒獨立接地極及引接線引入方向盒內(nèi)時，該接地引接線與道岔信號電纜并行通過主保護管進入電纜盒，道岔信號電纜金屬外皮與接地引接線放電，經(jīng)該電纜金屬外皮至機械室防雷分線柜處泄放。

4 雷電仿真分析

采用3D-FDTD 算法仿真的工作空間為x×y×z=110 m×335 m×500 m，全空間離散為1 m×1 m×1 m 的網(wǎng)格。接觸網(wǎng)桿高度為5 m，其接地體長度為1 m。其他接地體位置和尺寸如圖7所示。大地厚度設(shè)置為15 m，大地的電導率為0.01 s/m，相對介電常數(shù)為10，相對磁導率為1。

雷電通道基電流波形采用Nuccietal.（1990）提出的基電流模型，表達式如下：

公式（1）中， I1= 9.9 kA，η= 0.845，τ1=0.072 μs，τ2= 5 μs，I2= 7.5 kA，τ3= 100 μs，τ4= 6 μs。

通道回擊模型采用TL 模型（Umanetal. 1975），雷電流回擊速度為c/3，通道內(nèi)任意高度z ′在t 時刻的雷電流表達式為：

公式（2）中，v 是回擊速度，P 為不同模型對應(yīng)的表達式，TL 模型中P 等于1。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，搭建仿真模型如圖7 所示。

圖7 仿真模型Fig.7 Simulation model

沖擊源設(shè)置為10 kA，計算后，模型中各點對地電位升如圖8 所示。

圖8 地電位抬升結(jié)果Fig.8 Results of earth potential rise

根據(jù)仿真分析，電纜方向盒處地電位抬升近60 kV，遠大于電纜絕緣耐受的15 kV，足夠擊穿電纜絕緣護套進入電纜金屬護套層。

5 結(jié)論

該動車所周邊屬沿海地形，雷電活動較為頻繁，此前未因雷擊導致信號設(shè)備故障，即現(xiàn)有防雷措施對一般雷害有效。針對本次直擊雷害影響和防雷設(shè)施存在的問題，提出以下結(jié)論和建議。

5.1 結(jié)束語

該動車所建設(shè)時期較早，設(shè)計為分散接地；供電等其他專業(yè)分別設(shè)置獨立接地體；信號專業(yè)前期采用專用貫通地線接地，經(jīng)過4 次施工改造，貫通地線徑路被改造線路占壓，造成后續(xù)施工的DS-4電纜盒無法接入貫通地線，采用獨立接地，造成雷擊時該箱盒電位高于信號機械室，沖擊電流向機械室泄流。

該動車所電纜外皮鋼帶直接引入防雷分線柜進行一次成端，未做二次成端，不能有效防止大電流直接侵入機械室。

5.2 工程建議

建議新建動車所執(zhí)行高速鐵路標準。

1）新建高速鐵路車站、中繼站及動車段所信號電纜引入機械室均應(yīng)設(shè)置兩次成端。一是修訂現(xiàn)行相關(guān)技術(shù)標準，明確要求信號設(shè)備用房應(yīng)專門設(shè)置電纜引入間，電纜引入應(yīng)采取兩次成端方式；二是針對既有高鐵線路排查情況，對于僅采取一次成端方式的，研究相應(yīng)的補強整治措施，在信號機械室外增加一次成端。由于信號電纜數(shù)量較多且采取集中引入方式，互相堆疊，施工難度及風險較大，需充分研究論證方案實施的可行性。

2）新建動車所應(yīng)執(zhí)行高速鐵路接地標準，設(shè)計綜合接地系統(tǒng)。