廣深鐵路沿線雷電活動分析

張志訪，卓建洪，趙紫輝，曹曉斌，吳廣寧

0 引言

根據國內鐵路牽引供電系統運營部門統計數據，目前已開通了近2.6萬km電氣化鐵路[1]，隨著運營里程的增加以及高速、重載專線的快速發展，提高牽引供電系統接觸網耐雷性能、減少雷擊故障跳閘率，保障電氣化鐵路運輸的安全有著重要的意義。

廣東省部分地區年雷暴日超過100 d。由于雷電活動頻繁，廣深公司管內電氣化鐵路自開通以來一直深受雷害的影響。雷擊支柱頂部后，雷電流通過支柱內部的鋼筋流入大地時使鋼筋發熱，從而導致支柱燒傷開裂。根據不完全統計，2004—2009年，廣深線更換雷擊損壞支柱109根、更換絕緣子97處，因此雷害已嚴重威脅到廣深線的安全運行，并已帶來了極大的經濟損失，因此需要對其進行防雷研究以提高廣深鐵路接觸網的耐雷水平。本文通過對廣深鐵路沿線雷電活動情況分析，確定其雷電流幅值分布范圍以及防雷的目標。

1 廣深鐵路沿線地形情況

Google Earth是一款Google公司開發的虛擬地球儀軟件，它將衛星圖片與全球衛星定位數據、地理信息系統、圖形、視頻流以及3D等技術結合在一起，為用戶實時提供三維空間信息和數據。地形地貌對架空線路防雷的影響，主要是地面傾角對桿塔耐雷水平的影響[2]。圖1為基于Google Earth軟件的廣深鐵路沿線衛星地圖。

圖1 廣深鐵路沿線衛星地圖

從圖1可以看出，廣深線位于珠江下游沖積平原，地勢較為平坦，受亞熱帶海洋氣候的影響，雷電活動較為頻繁。廣深鐵路沿線沒有山丘，四周相對海拔較小，缺乏起屏蔽作用的地形。

2 雷電活動分析

由于廣深鐵路沿線地處廣東省范疇，其雷電特征與廣東省雷電分布有著內在的聯系，本文先從廣東省雷電分布情況入手，進而分析廣深線的雷電分布規律，以便找到兩者之間的異同，更切合實際的確定防雷目標。

2.1 廣東省雷電活動情況分析

（1）雷電活動分布。由于廣東省的雷電數據樣本巨大，并且雷電數據本身具有空間屬性，因此可以選用地理信息系統（GIS）來處理該數據，運用ArcGIS軟件對廣東省的電子地圖進行截取，從而得到廣東省的雷電活動情況，然后通過網格劃分法可以得到不同地區的落雷次數，圖2為2008年7月份廣東省雷電活動分布情況。

圖2 廣東省2008年7月落雷次數分布圖

（2）雷電流幅值分布。通過對廣東省10年間（1998—2008年）的30 667 055個雷電流幅值數據進行分析，得到廣東省雷電流幅值分布如圖3所示。

通過對圖 3曲線擬合得到廣東省雷電流幅值概率計算公式為

式中，P為雷電流幅值概率；I為雷電流幅值，kA。

（3）雷電流幅值概率密度。分布函數無法直觀地得到某一個雷電流幅值范圍內的實際落雷情況，因此本文計算了廣東省雷電流概率密度曲線如圖4所示。

圖3 廣東省雷電流幅值分布圖

圖4 廣東省雷電流概率密度曲線圖

其對應的雷電流概率密度

2.2 廣深鐵路沿線雷電活動情況分析

（1）雷電流幅值概率密度。通過廣深公司測得的衛星定位數據，以廣深線為中心，以雷電監測系統的精度（1 km）為半徑，可得影響廣深線的雷電活動區域（見圖5）。

圖5 影響廣深線的雷電活動區域圖

同樣利用ArcGIS對10年間（1998—2008年）的雷電活動數據進行篩選，得到廣深線雷電流概率密度曲線如圖6所示。

圖6 廣深線雷電流概率密度曲線圖

比較圖6與圖4，二者外形比較相似，90%的雷電流幅值分布在80 kA以下，但二者并不重合，圖4的峰值發生在20 kA左右，而廣深線的雷電流概率峰值在40 kA。由于廣深線經過的地方土壤電阻率普遍較低，因此雷電流分布的平均值比廣東省的平均值要高。

（2）雷電流幅值分布。根據雷電活動數據，同樣可以得到圖7所示的廣深線雷電流幅值分布。

圖7 廣深線雷電流幅值分布曲線圖

通過對圖7曲線擬合，得到廣深線雷電流幅值概率

根據式（3）計算得到廣深線主要雷電流幅值分布表（見表1）。

表1 廣深線主要雷電流幅值分布表

從表1中可以看出，雷電流幅值大于80 kA的概率小于10%，大于45 kA的概率為50%。

3 廣深鐵路雷電防護

3.1 防雷目標

由于廣深鐵路處于珠江下游沖積平原，地勢較為平坦，根據廣深鐵路2004—2008年的運行資料顯示，很多區間與站場均發生過支柱燒傷或絕緣子閃絡以及跳線燒傷的現象。通過比較發現這些遭受雷擊的支柱所處地形具有相同的特點，即均處于田野之中，而且附近缺乏建筑物。因此，這些支柱將被列為重點防護支柱。

根據廣深鐵路歷年雷害情況，結合其雷電活動特點以及Google Earth軟件對地形的篩選，確定防雷重點改造區段。其中以吉山—下元區間、下元—仙村區間、仙村站、仙村—石龍區間、石灘—石龍區間以及茶山—東莞區間的雷害現象最多，為重點防護區段。圖8為吉山—東莞三維衛星地圖。

圖8 吉山—東莞三維衛星地圖

3.2 防雷措施

接觸網防雷的主要方法有降低接地電阻、增設線路避雷器、架設避雷線（針）和提高絕緣等級[3]。降低接地電阻可以有效地提高線路的耐雷水平，當接觸網的支柱形式、尺寸與絕緣子型式和數量確定后，影響接觸網反擊耐雷水平的主要因素則是桿塔的接地電阻；增設線路避雷器對防止雷直擊導線、雷擊塔頂或避雷線的反擊、繞擊等方面是非常有效的，但考慮其經濟性和局限性，一般在雷電特別嚴重地區增設避雷器；架設避雷線可以有效降低接觸網遭受直擊雷的概率，同時也可以降低絕緣子因感應過電壓而擊穿閃絡的概率，從而大幅度提高接觸網的耐雷性能；提高線路絕緣等級，其U50%閃絡電壓上升，可以在一定程度上提高線路的耐雷水平，但由于提高幅度有限，因此絕緣子的選擇主要按照線路的污穢等級進行，而在防雷應用中不必特意考慮。

綜上所述，針對廣深鐵路的防雷目標，得出以下雷電防護措施：重點防護支柱建議架設避雷針或避雷器并進行接地改造；防雷重點區段建議全線架設避雷線，并合理增設避雷器，同時進行接地改造。

4 結論

通過對廣深鐵路沿線的雷電流分布情況進行分析，其雷電流幅值分布與廣東省的雷電流幅值分布既有相同之處，也存在著區別。二者相同之處是其雷電流幅值分布曲線的形狀相同，具有相同的變化趨勢，而且90%以上的雷電流幅值小于80 kA；不同之處是廣深鐵路沿線的雷電流幅值比廣東省偏高，其平均值為45 kA，而廣東省的雷電流幅值的平均值約為22 kA。因此在制定廣深鐵路接觸網防雷措施時，按照廣東省的雷電數據進行計算將會產生較大的誤差，這就要求必須按照廣深鐵路沿線的實際雷電參數進行計算。

[1]孫珂，李勇.電氣化鐵路供電工程建設中存在的問題及相關建議[J].能源技術經濟，2010，22（2）：40-41.

[2]曹曉斌，馬御棠，吳廣寧，等.利用地形參數計算超高壓輸電線路繞擊跳閘率[J].高電壓技術，2010，36（5）：1178-1182.

[3]于增.接觸網防雷技術研究[J].鐵道工程學報，2002，（1）：89-94.