準(zhǔn)朔鐵路接觸網(wǎng)耐雷水平分析及加裝避雷線方案研究

林 衛(wèi)

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 研究生部， 北京 100081)

準(zhǔn)朔鐵路東起朔州平朔專(zhuān)用線店坪站南側(cè)的店坪南站，經(jīng)晉、陜兩省，進(jìn)入內(nèi)蒙古自治區(qū)到達(dá)本線設(shè)計(jì)終點(diǎn)紅進(jìn)塔站，新建線路全長(zhǎng)204 km。準(zhǔn)朔鐵路的修建，可以使大秦線經(jīng)由平朔線直接延伸至內(nèi)蒙古煤田腹地，為大秦線輸送長(zhǎng)期穩(wěn)定的貨源。作為一條新的"西煤東運(yùn)"重載鐵路在其全線開(kāi)通后，如何保證其牽引供電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)安全是設(shè)計(jì)、施工、設(shè)備管理單位共同面對(duì)的問(wèn)題。

接觸網(wǎng)因雷擊跳閘及因雷擊引發(fā)的接觸網(wǎng)故障近年來(lái)成為了供電管理部門(mén)面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題。準(zhǔn)朔鐵路途經(jīng)晉西北黃土高原及鄂爾多斯高原，所經(jīng)地區(qū)雷電活動(dòng)強(qiáng)烈，加之途經(jīng)地區(qū)煤炭、礦產(chǎn)資源豐富，土壤電阻率較高，準(zhǔn)朔線開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后受雷電影響勢(shì)必嚴(yán)重。

結(jié)合準(zhǔn)朔鐵路供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及接觸網(wǎng)施工，重點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)朔鐵路接觸網(wǎng)耐雷水平進(jìn)行分析。同時(shí)就準(zhǔn)朔線接觸網(wǎng)加裝避雷線提高其接觸網(wǎng)防雷水平的方案進(jìn)行分析研究。

1 準(zhǔn)朔鐵路既有接觸網(wǎng)耐雷水平分析

接觸網(wǎng)的耐雷水平可以通過(guò)分析引起接觸網(wǎng)絕緣子閃絡(luò)的雷電流和其發(fā)生的概率值(閃絡(luò)率)兩個(gè)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行評(píng)判。雷電對(duì)于接觸網(wǎng)線路的影響從雷擊點(diǎn)概括起來(lái)可以分為以下3種情況：

(1)雷擊接觸網(wǎng)附近地面；

(2)雷擊接觸網(wǎng)支柱頂部；

(3)雷直擊接觸網(wǎng)導(dǎo)線。

下面就以上3種情況下，對(duì)可能引起接觸網(wǎng)絕緣子閃絡(luò)的雷電流值及其發(fā)生概率分別進(jìn)行分析。

1.1 準(zhǔn)朔鐵路接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)

準(zhǔn)朔鐵路設(shè)計(jì)為單線電氣化鐵路，牽引供電采用AT供電方式。接觸線采用120 mm2銅銀材質(zhì)電車(chē)線，承力索采用95 mm2銅鎂合金絞線。準(zhǔn)朔線接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)如圖1所示。

圖1 準(zhǔn)朔線接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)示意圖

接觸線平均高度為6.0 m，接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)高度為1.4 m，承力索距地面平均垂直高度hc為8.2 m，距支柱水平距離為3.1 m。接觸網(wǎng)桿之間的平均跨距為60 m。平腕臂絕緣采用型號(hào)為QBJ-25S/12的棒式瓷絕緣子，其爬電距離為1 400 mm，參照《高速鐵路牽引供電系統(tǒng)雷電防護(hù)技術(shù)導(dǎo)則》取沖擊閃絡(luò)電壓U50%為354 kV，接地端距地面高度hgsp為8.12 m。斜腕臂采用型號(hào)為QBJ-25/12的棒式瓷絕緣子，其爬電距離為1 400 mm，沖擊閃絡(luò)電壓U50%為354 kV，斜腕臂棒式絕緣子接地端距地面高度為6.22 m。支柱接地點(diǎn)之間的距離為2 000 m，沖擊電阻Rc為10 Ω。預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土支柱地面以上高度為9.2 m,其單位等值電感為0.84 μH/m[1]。

1.2 雷擊接觸網(wǎng)附近地面

當(dāng)帶電雷云靠近接觸網(wǎng)時(shí)，會(huì)在接觸網(wǎng)上感應(yīng)出束縛電荷，即與雷云所帶電荷極性相異的電荷。而當(dāng)雷云主放電開(kāi)始后，其所帶電荷被迅速中和，此時(shí)接觸網(wǎng)導(dǎo)線中的束縛電荷失去束縛被迅速釋放，從而形成電壓波向接觸網(wǎng)兩側(cè)傳播，即在接觸網(wǎng)上產(chǎn)生了感應(yīng)過(guò)電壓。

在接觸網(wǎng)導(dǎo)線上形成的感應(yīng)過(guò)電壓可以通過(guò)式(1)[2]求得：

(1)

式(1)中：I為雷電流，kA;

hc為承力索對(duì)地距離，m;

s為地面上的落雷點(diǎn)到接觸網(wǎng)的垂直距離，m；

由式(1)可求得該情況下接觸網(wǎng)的耐雷水平為

(2)

式(2)中U50%為平腕臂絕緣子的沖擊閃絡(luò)電壓，由于接觸網(wǎng)線路的引雷作用，當(dāng)雷擊點(diǎn)距離接觸網(wǎng)較近時(shí)，雷電將直擊接觸網(wǎng)而不會(huì)落在地面上，參照文獻(xiàn)[2]地面上的落雷點(diǎn)到接觸網(wǎng)的垂直距離s取值為65 m。

由于準(zhǔn)朔鐵路處于雷電多發(fā)的山區(qū)高原地帶，因此該地區(qū)的雷電流超過(guò)I的概率P參照文獻(xiàn)[3]為

(3)

即

(4)

1.3 雷擊接觸網(wǎng)支柱頂部

如果雷電未落在接觸網(wǎng)附近地面，而直接擊中支柱頂部，此時(shí)接觸網(wǎng)支柱成為了雷電流泄入大地的唯一通道，從而會(huì)在接觸網(wǎng)上形成反擊過(guò)電壓。同時(shí)通過(guò)支柱泄入大地的雷電流感應(yīng)出的變化磁場(chǎng)，會(huì)在接觸網(wǎng)承力索上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。所以當(dāng)雷電直接擊中接觸網(wǎng)支柱頂部時(shí)，接觸網(wǎng)絕緣子兩端承受的過(guò)電壓為上述產(chǎn)生的兩個(gè)過(guò)電壓之和：

(5)

其中沖擊接地電阻；單位等值電感； 雷擊接觸網(wǎng)支柱時(shí)產(chǎn)生的反擊過(guò)電壓； 雷擊支柱時(shí)承力索上產(chǎn)生的感應(yīng)過(guò)電壓；平腕臂絕緣子接地端距地面的高度；承力索距地面的高度。以上數(shù)據(jù)取值具體見(jiàn)第1.1節(jié)準(zhǔn)朔鐵路接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)中內(nèi)容。 為雷電沖擊電壓波形波頭時(shí)間，按照DL/T620-1997標(biāo)準(zhǔn)取值為2.6 μs。

由式(5)可求得該情況下接觸網(wǎng)的耐雷水平為：

(6)

1.4 雷直擊接觸網(wǎng)導(dǎo)線

當(dāng)雷電直擊接觸網(wǎng)導(dǎo)線時(shí)，沿雷電通道流動(dòng)的雷電壓行波到達(dá)承力索被擊點(diǎn)后，沿承力索向兩側(cè)以流動(dòng)波的形式傳播。依據(jù)文獻(xiàn)[2]，雷電直擊承力索靠近被擊點(diǎn)的腕臂絕緣子上產(chǎn)生的過(guò)電壓為：

(7)

其中Z為線路的波阻抗，取Z=250 Ω；Z0為雷道波阻抗，取Z0=300 Ω[2]。

由式(7)可求得該情況下接觸網(wǎng)的耐雷水平為：

(8)

根據(jù)以上計(jì)算分析，準(zhǔn)朔鐵路接觸網(wǎng)耐雷能力評(píng)估如表1所示。

表1 準(zhǔn)朔鐵路接觸網(wǎng)耐雷能力分析結(jié)果

2 準(zhǔn)朔鐵路接觸網(wǎng)加裝避雷線方案分析

2.1 接觸網(wǎng)加裝避雷線作用及應(yīng)用現(xiàn)狀

關(guān)于接觸網(wǎng)加裝避雷線提高接觸網(wǎng)耐雷能力的相關(guān)研究，在理論分析及實(shí)際應(yīng)用中都得到了廣泛驗(yàn)證。避雷線一方面能夠?qū)佑|網(wǎng)線索起到屏蔽作用，減少雷電直接擊中接觸網(wǎng)設(shè)備的概率。同時(shí)由于避雷線與承力索存在耦合作用，可以減少腕臂絕緣子上的過(guò)電壓。由于避雷線裝設(shè)在接觸網(wǎng)上方，順線路架設(shè)，其保護(hù)范圍成條形，可以作為接觸網(wǎng)防雷的主要保護(hù)形[2]。

接觸網(wǎng)裝設(shè)避雷線方案大體可分為單獨(dú)在接觸網(wǎng)支柱柱頂架設(shè)避雷線，或?qū)⒓芸盏鼐€、PW線提升位置兼作避雷線這兩種方案。2014年以來(lái)為提高大秦線接觸網(wǎng)防雷能力，大同西供電段分批次對(duì)玉田北至遵化北、遵化北至遷西站間接觸網(wǎng)實(shí)施了防雷改造。2017年繼續(xù)對(duì)大同縣至陽(yáng)原間、遷西至遷安北間接觸網(wǎng)進(jìn)行了單獨(dú)架設(shè)避雷線的防雷改造。增設(shè)架空避雷線以后，大秦線相關(guān)防雷改造區(qū)段雷擊跳閘次數(shù)有了顯著降低，防雷效果明顯。

對(duì)于升高PW線兼作避雷線方案，該方案對(duì)雷直擊接觸網(wǎng)及PW線造成的雷擊跳閘率影響不大，但對(duì)防止雷電直擊正饋線有明顯效果，同時(shí)由于PW線升高后，保護(hù)線與正饋線的耦合系數(shù)變大，造成感應(yīng)雷引起的雷擊跳閘率有所增[3]。

2.2 準(zhǔn)朔鐵路避雷線最優(yōu)架設(shè)高度計(jì)算

為減少準(zhǔn)朔鐵路開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后雷擊及雷擊跳閘對(duì)接觸網(wǎng)設(shè)備的影響，勢(shì)必要提高接觸網(wǎng)耐雷水平。不論是采取單獨(dú)架設(shè)避雷線或是將架空地線、PW線提升位置兼作避雷線哪一種方案，避雷線架設(shè)高度將是直接影響防雷效果的重要參數(shù)。這里著重就準(zhǔn)朔鐵路單線區(qū)段避雷線最優(yōu)架設(shè)高度進(jìn)行分析計(jì)算，為后續(xù)可能的防雷補(bǔ)強(qiáng)工作提供借鑒。

避雷線保護(hù)范圍的分析在學(xué)術(shù)工程領(lǐng)域已具備成熟的理論和充分的實(shí)踐。避雷線保護(hù)范圍與避雷線的架設(shè)高度存在直接關(guān)系。按照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，可以采取滾球法對(duì)避雷線的保護(hù)范圍進(jìn)行定量計(jì)算，該方法對(duì)于單獨(dú)架設(shè)避雷線或是將架空地線、PW線提升位置充當(dāng)避雷線方案均適用。利用滾球法可以確定避雷線最優(yōu)架設(shè)高度，從而避免因避雷線架設(shè)高度不合理造成的工程投資加大或保護(hù)范圍不足等問(wèn)題。

參照文獻(xiàn)[7]給出的計(jì)算方法，我們按照架設(shè)的避雷線可以同時(shí)保護(hù)接觸線和正饋線考慮，利用滾球法從圖2中我們可以分別得到避雷線架設(shè)的最低位置為C1、C2點(diǎn)。

圖2 準(zhǔn)朔鐵路避雷線計(jì)算示意圖

當(dāng)避雷線裝設(shè)在C1點(diǎn)時(shí)，按照幾何原理可以求得此時(shí)避雷線架設(shè)高度為：

(9)

同理，當(dāng)避雷線安裝在C2點(diǎn)時(shí)，可以計(jì)算得到此時(shí)避雷線的架設(shè)高度為：

(10)

其中Rr為滾球半徑，在這里我們將接觸網(wǎng)視為第一類(lèi)防雷建筑物，取Rr=30 m；a為承力索距支柱的水平距離；b為正饋線距支柱的水平距離；h1為正饋線距地面的距離；h2為承力索距地面的距離。

將具體數(shù)據(jù)分別代入式(9)、式(10)可得

9.50 (m)

11.62 (m)

因此可確定準(zhǔn)朔鐵路避雷線距離地面的最低架設(shè)高度：

h=max{hF,hT}=11.62 m

2.3 接觸網(wǎng)架設(shè)避雷線前后耐雷水平比較

在準(zhǔn)朔鐵路開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后，如果按照上述計(jì)算的最優(yōu)高度架設(shè)避雷線，一方面可以對(duì)接觸網(wǎng)各類(lèi)線索起到屏蔽作用，減少雷電直擊接觸網(wǎng)導(dǎo)線的概率；另一方面當(dāng)雷電擊中接觸網(wǎng)支柱頂部時(shí)由于避雷線及其引下線的分流作用可以降低雷電流產(chǎn)生的反擊過(guò)電壓；同時(shí)由于避雷線與接觸網(wǎng)導(dǎo)線的耦合作用，可以降低接觸網(wǎng)上產(chǎn)生的感應(yīng)過(guò)電壓。所以合理的架設(shè)避雷線在很大程度上避免雷電直擊接觸網(wǎng)導(dǎo)線的同時(shí)，也可以大幅度提高接觸網(wǎng)的耐雷水平。

參照文獻(xiàn)[2]在架設(shè)避雷線情況下，雷擊接觸網(wǎng)附近地面時(shí)在接觸網(wǎng)上形成的感應(yīng)過(guò)電壓為：

(11)

其中k為避雷線與接觸網(wǎng)導(dǎo)線之間的耦合系數(shù)，取其值為0.2。

由式(11)可求得該情況下接觸網(wǎng)的耐雷水平為：

在架設(shè)避雷線情況下，雷擊接觸網(wǎng)支柱頂部時(shí)，接觸網(wǎng)絕緣子兩端承受的過(guò)電壓仍為感應(yīng)過(guò)電壓與反擊過(guò)電壓之和，考慮避雷線的分流作用及與導(dǎo)線之間的耦合關(guān)系，此時(shí)的過(guò)電壓值：

(12)

其中β為避雷線的分流系數(shù)，取其值為0.9。

由式(12)可求得該情況下接觸網(wǎng)的耐雷水平為：

(1-0.2)]=30.49 (kA)

對(duì)于雷電直擊接觸網(wǎng)導(dǎo)線的情況，加裝避雷線可以減少雷電直擊接觸網(wǎng)導(dǎo)線的概率，但此情況下對(duì)于提高接觸網(wǎng)耐雷水平并無(wú)作用，故此部分不做討論。

表2 準(zhǔn)朔鐵路接觸網(wǎng)架設(shè)避雷線前后耐雷能力水平對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述計(jì)算分析可見(jiàn)，無(wú)避雷線時(shí)接觸網(wǎng)耐雷水平不高，在雷擊接觸網(wǎng)附近地面、雷擊接觸網(wǎng)支柱頂部或是雷直擊接觸網(wǎng)導(dǎo)線情況下，均有可能造成接觸網(wǎng)絕緣子的閃絡(luò)，而直擊雷造成接觸網(wǎng)絕緣子閃絡(luò)的概率最大，約為90.04%。為減少接觸網(wǎng)雷擊造成的絕緣子閃絡(luò)故障，我們一方面可以降低接觸網(wǎng)支柱的沖擊接地電阻，另一方面對(duì)受雷電活動(dòng)影響嚴(yán)重區(qū)段的接觸網(wǎng)絕緣子可以更換為沖擊閃絡(luò)電壓更高的絕緣加強(qiáng)型絕緣子。

基于準(zhǔn)朔線接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，計(jì)算出了在準(zhǔn)朔鐵路單線區(qū)段避雷線距離地面的架設(shè)高度取11.62 m的建議值。在后續(xù)設(shè)備運(yùn)營(yíng)管理實(shí)踐中具體采取單獨(dú)架設(shè)避雷線或是將架空地線、PW線提升位置兼作避雷線何種方案應(yīng)根據(jù)防雷需要及設(shè)備改造、維護(hù)成本綜合考慮。