大秦線接觸網(wǎng)防雷措施淺談

張清文

【摘要】 本文對大秦線遭受雷擊跳閘進(jìn)行了探討和分析，根據(jù)大秦線途徑區(qū)域的地質(zhì)及氣象特點(diǎn)，借鑒最新研究成果，對大秦線接觸網(wǎng)的防雷方案進(jìn)行了初步探討。

【關(guān)鍵詞】 大秦線 接觸網(wǎng) 雷電 防護(hù)措施

引言

1988年12月大秦鐵路一期開通，1992年年底二期開通，全線開通后又經(jīng)過多次供電能力擴(kuò)能改造使年運(yùn)量迅速提升，2014年大秦線全年完成運(yùn)輸任務(wù)4.5億噸，行車密度很大，一旦發(fā)生接觸網(wǎng)停電故障，就會打亂正常的行車秩序給行車組織造成很大干擾。而每年在雨季，雷擊引發(fā)的接觸網(wǎng)故障都會頻繁發(fā)生，干擾了正常的運(yùn)輸秩序。

大秦鐵路于1985年1月開工建設(shè)，由于設(shè)計及開工時間較早，很多部位沒有達(dá)到規(guī)范的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，自1988年12月28日開通以來，在規(guī)范中的重點(diǎn)位置及部分區(qū)間線路雷擊故障頻發(fā)，發(fā)生多起雷擊燒傷設(shè)備故障，僅2013年4月至2015年8月就因雷擊跳閘386次，燒傷支柱6根，懸式絕緣子破損86處，碗臂絕緣子破損23處，附加懸掛斷線6次。因此如何降低接觸網(wǎng)雷擊跳閘頻率加強(qiáng)接觸網(wǎng)的雷害防護(hù)水平，提高大秦線牽引供電的可靠性，非常必要也極為迫切。

一、雷電對接觸網(wǎng)的危害分析

1.1雷電流幅值計算方法

雷電是一種劇烈的大規(guī)模的放電現(xiàn)象，一般有多個帶電中心，且大多數(shù)為負(fù)閃電，少數(shù)為正閃電，通常一次雷電持續(xù)時間大約是0.1～0.2秒并會發(fā)生3次左右的放電，最大電流一般出現(xiàn)在第一次放電過程中，正閃電一般比負(fù)閃電的電流大，其電流峰值往往在100kA以上。雷電流幅值及其累積概率分布在一般地區(qū)可按下式求得：

tgP =I/88

式中：P——雷電流幅值概率；

I——雷電流幅值，kA

1.2雷擊接觸網(wǎng)的頻度

按相關(guān)規(guī)定根據(jù)地區(qū)雷暴日的數(shù)量分為4個等級，其中年平均雷暴日大于20日小于40日的地區(qū)劃為多雷區(qū)；年平均雷暴日大于40日小于60日的地區(qū)劃為高雷區(qū)。接觸網(wǎng)線路所在地區(qū)的年平均雷暴日數(shù)與其遭受雷擊的可能性相關(guān)，通常單位面積大地1年的雷擊次數(shù)隨年平均雷暴日數(shù)增大而變大。

1.3大氣過電壓對接觸網(wǎng)影響分析

1.3.1直擊雷過電壓

直擊雷擊中接觸網(wǎng)懸掛在高處的導(dǎo)線，導(dǎo)線上會產(chǎn)生巨大的雷電流及過電壓，直擊雷的電流峰值可達(dá)幾十到幾百kA，電壓峰值通常可達(dá)幾百到幾千kV過電壓，釋放出有很強(qiáng)破壞性的巨大能量。

1.3.2感應(yīng)雷過電壓

靜電感應(yīng)雷是架空線路導(dǎo)線或其他導(dǎo)電凸出物頂部在帶電積云接近地面時感應(yīng)出大量反極性束縛電荷引起的，產(chǎn)生出很高的感應(yīng)電壓，其電壓幅值可達(dá)到幾十到幾百kV，這種類型的過電壓對于接觸網(wǎng)線路有較大的危害性。

1.3.3雷電反擊過電壓

雷電反擊通常是閃絡(luò)在金屬體遭受直擊雷后引導(dǎo)雷電流流入大地的過程中發(fā)生的。

1.4大秦線接觸網(wǎng)遭受雷擊跳閘分析

大秦線全長653km，其中大秦二期312km線路在2015年4月1日至2015年9月15日間，所經(jīng)過地區(qū)在有雷雨天氣的32個雷暴日里，發(fā)生雷擊接觸網(wǎng)后變電所饋線跳閘98次，其中重合閘失敗中斷供電15次，重合閘成功恢復(fù)送電83次。大秦二期各牽引變電所饋線因雷擊引起的跳閘詳見表1。

實(shí)際上，因雷擊造成跳閘占總故障跳閘比例很高，如遷西變電所2015年4月1日至2015年9月15日期間共跳閘30次，其中發(fā)生在雷雨天饋線斷路器跳閘24次，雷雨天跳閘比率高達(dá)77.42%。有時一次惡劣的雷雨天氣造成變電所饋線斷路器多次跳閘的同時，也會發(fā)生多起供電設(shè)備由于雷擊損壞中斷行車的故障。

2014年8月7日在遷西境內(nèi)一次劇烈的雷雨天氣就發(fā)生了5起故障，中斷行車96分鐘，故障詳情如表2所示，由此看來雷擊接觸網(wǎng)故障已經(jīng)成為影響牽引供電可靠運(yùn)行的重要因素。

二、大秦線接觸網(wǎng)防雷保護(hù)措施探討

2.1大秦線雷電活動分析

大秦線途徑山西（大同）、河北（張家口、唐山、秦皇島）、北京、天津等地區(qū)，所經(jīng)地區(qū)雷電活動頻度見表2。大秦線全長653km，其中年平均雷暴日在40～60天的線路約為260km占總線路長度39.81%，年平均雷暴日在20～40天的線路約為393km占總線路長度60.19%。大部分閃電高密度中心與鐵礦區(qū)密切相關(guān)如所經(jīng)過的張家口、唐山、秦皇島地區(qū)，特別是大秦二期鐵路基本沿燕山南麓由西向東修建，所處地域為燕山迎風(fēng)坡，區(qū)域內(nèi)鐵礦區(qū)分布眾多，是我國三大鐵礦集中區(qū)之一并且是最大的，區(qū)域內(nèi)降雨很充沛，森林植被覆蓋率也很高，有多條河流，是雷電活動比較頻繁的地區(qū)。大秦線途徑地區(qū)雷電活動詳見表3所示。

2.2電力系統(tǒng)輸電線路的主要防雷措施

2.2.1避雷線

避雷線的工作原理和避雷針的工作原理類似，在電力系統(tǒng)架空輸電線路中得到廣泛應(yīng)用并且有多年的運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗，是一種被證實(shí)的非常有效的線路防雷措施。保護(hù)原理是通過合理配置避雷線的高度和保護(hù)角起到對導(dǎo)線的屏蔽作用，降低雷電直擊導(dǎo)線的可能性。

2.2.2保護(hù)間隙

保護(hù)間隙是一種非常簡單的防雷裝置，由保持一定間隙距離的兩個金屬電極構(gòu)成，其自身絕緣強(qiáng)度比所要保護(hù)的線路絕緣強(qiáng)度低，當(dāng)雷擊輸電線路時，由于雷擊過電壓保護(hù)間隙首先被擊穿迅速將雷電流泄入大地，降低過電壓幅值減少非自恢復(fù)性故障發(fā)生次數(shù)，來起到保護(hù)作用。

2.2.3避雷器

由于避雷器具有很好的非線性伏安特性，殘壓低，當(dāng)雷擊線路時能夠限制絕緣子的端電壓，極大的降低了絕緣子發(fā)生閃絡(luò)的概率，也能夠抑制工頻續(xù)流，防止輸電線路由于雷擊過電壓發(fā)生跳閘。避雷器對雷電有很好的防護(hù)效果，存在的不足就是造價偏高。

2.3目前高鐵接觸網(wǎng)防雷的研究結(jié)論

（1） 直擊雷是接觸網(wǎng)沒有做防雷措施的條件下跳閘的主要原因，雷擊跳閘中95%～98%是直擊雷引起的跳閘。感應(yīng)雷是接觸網(wǎng)沒有做防雷措施的條件下跳閘的次要原因，雷擊跳閘中2%～5%是感應(yīng)雷引起的跳閘。。

（2） 將接觸網(wǎng)現(xiàn)有保護(hù)線抬高或接觸網(wǎng)支柱頂部架設(shè)架空地線利用其屏蔽作用有效降低直擊雷雷擊接觸網(wǎng)概率。

（3）在接觸網(wǎng)安裝金屬氧化物避雷器。

2.4大秦線接觸網(wǎng)防雷方案探討

依據(jù)設(shè)計規(guī)范和研究成果結(jié)合大秦線接觸網(wǎng)的防雷現(xiàn)狀，對大秦線接觸網(wǎng)防雷方案探討如下：

2.4.1對應(yīng)設(shè)計規(guī)范完善重點(diǎn)部位防雷設(shè)施

《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于接觸網(wǎng)的防雷措施主要是安裝避雷器和架設(shè)避雷線，同時做好必要的接地。因此需要沿線供電車間組織骨干技術(shù)力量依據(jù)規(guī)程對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行對標(biāo)梳理，結(jié)合所經(jīng)過地區(qū)的雷電活動的頻度和管轄區(qū)間受雷擊發(fā)生故障的歷史數(shù)據(jù)，制定方案分步完善現(xiàn)有重點(diǎn)部位的防雷設(shè)施。

2.4.2架設(shè)避雷線或架空地線

電力系統(tǒng)通過總結(jié)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗結(jié)合實(shí)驗室研究數(shù)據(jù)，認(rèn)為所經(jīng)地區(qū)年平均雷暴日數(shù)在30天及以上的地區(qū)對帶有重要負(fù)荷的66kV輸電線路，應(yīng)該全線架設(shè)避雷線。大秦鐵路牽引供電系統(tǒng)電壓為25kV，但其重要程度等同或高于電力系統(tǒng)66kV線路，為了保證供電可靠性，應(yīng)當(dāng)在全線架設(shè)避雷線。目前可選擇在雷害比較頻繁的地區(qū)，如遷西～遵化區(qū)間、羅家屯～遷安區(qū)間加裝避雷線?，F(xiàn)有線路有加強(qiáng)線的區(qū)段，也可以暫時把加強(qiáng)線退出運(yùn)行并抬高臨時作為架空地線使用，通過一段時間運(yùn)行，再與歷史數(shù)據(jù)對比，來實(shí)際驗證防雷效果。新增加的避雷線為了保證防雷效果，在設(shè)置時對承力索和正饋線的保護(hù)角分別約為60度和40度，避雷線架設(shè)在柱頂1.5米處或在距承力索懸掛處1.7米處，具體架設(shè)方案如圖 1所示 。

2.4.3安裝避雷器

在所亭出口合架供電線區(qū)段，由于不具備增設(shè)架空地線的條件，可在支柱F線、T線懸掛絕緣子上分別安裝金屬氧化物避雷器。在雷電特別嚴(yán)重區(qū)域采用增大絕緣強(qiáng)度，架設(shè)避雷線等措施不可能完全防止接觸網(wǎng)雷擊閃絡(luò)故障，可以安裝線路金屬氧化物避雷器來防止雷電反擊。

2.4.4 降低接地電阻

防雷設(shè)施的接地裝置是用來向大地引泄雷電流的主要設(shè)備，有效降低接地電阻可以提高電氣設(shè)備的耐雷水平。因此接觸網(wǎng)支柱的接地電阻增大也將會使閃絡(luò)的雷電流幅值和絕緣子閃絡(luò)概率增大，降低接地電阻可以有效地提高線路的耐雷水平。

實(shí)際運(yùn)行中，大秦線牽引供電線路中存在大量支柱接地電阻不合格情況，僅以遷西站為例，實(shí)測支柱接地電阻42處，合格18處，不合格24處，合格率僅為42.86%。因此需要采取平推的方式，對不合格的接地電阻采取降阻處理，提高線路耐壓水平。具體實(shí)施可以根據(jù)不同情況區(qū)別對待，本著方便施工、節(jié)約投資、可靠有效的原則進(jìn)行。對銹蝕嚴(yán)重或已損壞的接地極更換為經(jīng)過熱鍍鋅防腐處理的新接地極，并嚴(yán)格落實(shí)安裝工藝標(biāo)準(zhǔn)施工。對接地極良好但是接地電阻不符合要求的處所，要增加接地極極數(shù)或延長引入附近地點(diǎn)做接地極，直至接地電阻達(dá)標(biāo)。對困難地段采用普通接地極無法達(dá)到要求的可以采用價格相對昂貴的石墨接地極或其他形式的接地極。

三、結(jié)論

本文對雷電特性、電力系統(tǒng)、高鐵防雷的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，對大秦線牽引供電的防雷措施進(jìn)行了簡要探討，由于雷擊故障的頻繁發(fā)生，嚴(yán)重困擾大秦鐵路牽引供電的可靠性，其現(xiàn)有防雷設(shè)施與大秦線在國民經(jīng)濟(jì)中的地位嚴(yán)重失衡，需要不斷投入科研力量和技術(shù)設(shè)施，提升防雷設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，提高大秦鐵路牽引供電的整體防雷水平。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)[M]. 西南交通大學(xué)出版社，2005

[2] 簡克良.電力系統(tǒng)分析[M].西南交通大學(xué)出版社，2003

[3] 褚偉龍.淺談架空輸電線路的防雷措施[J]. 科技與企業(yè)，2013

[4] 王建恒，楊仲江，吳孟恒.河北省雷電分布特征研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010