滬寧區間接觸網雷害分析及防雷措施改進建議

張 慎 上海鐵路局調度所

1 雷電對滬寧段牽引供電運行影響的現狀

在整個牽引供電系統的防雷中，接觸網的防雷問題最為突出。運營經驗表明，接觸網設備遭受雷擊已經成為變電所跳閘的主要原因，嚴重時會造成接觸網設備的損壞，從而使整個供電臂停電，影響運輸安全。如：2011年8月13日18：31，長安集牽引所 211、212DL 跳閘，重合閘失敗。故障造成合肥到長安集上行停電8 min，下行停電72 min。經查故障原因為長安集至合肥西合武繞行下行線351#支柱正饋線(F線)支持絕緣子被雷擊后折斷接地。

上海鐵路局管內京滬線（上海站-南京站間）、滬寧城際（上海或虹橋站-南京站間）、京滬高鐵（虹橋站-南京南站間）都處于強雷區。由于供電方式的不同及接觸網運行環境的差別，雷擊造成的影響也有所不同。現對三線在2011年雷電活動最為頻繁的7、8月份的跳閘次數進行統計和比較分析(見表1)。

表1 2011年7、8月份的跳閘次數統計和比較分析

從表中可看出：受雷擊影響，高速線路跳閘次數多于普速線路，京滬高鐵的跳閘次數最多。這是因為京滬高鐵絕大部分為高架橋梁，穿越地區最為空曠（京滬線、滬寧城際的車站都處于市區，而京滬高鐵的車站都處于郊區）；部分區段（變電所至第1個AT所）接觸網安裝結構中又增設了加強線；建設期間，設計未充分考慮防雷措施，導致京滬高鐵在雷雨季節更容易遭到雷擊。為確保牽引供電系統運行安全，尤其是京滬高鐵的運營安全，有必要加強對接觸網防雷問題的研究，采取有效的防雷措施。

2 接觸網雷害分析

襲擊接觸網線路的雷電主要有兩類，一類是"直擊雷"，即雷云與大地之間放電，俗稱"落地雷"。如果接觸網線路經過一大片空曠大地，而周圍又沒有比它更高的物體，那么，在雷雨天氣，它就可能成為"直擊雷"的襲擊目標。直擊雷往往產生幾百萬伏特的超高電壓，會嚴重破壞輸電線路上的各類電氣設備。另一類是"感應雷"，它是云間放電或云地放電而在接觸網線路上感應出來的幾萬、幾十萬伏特高電壓，它與輸電線本身的電壓疊加在一起，也對接觸網線路的各類電氣設備造成嚴重威脅。

接觸網雷害事故的形成通常要經歷這樣幾個階段：首先接觸網線路要受到雷擊過電壓的作用，并且線路要發生閃絡，然后從沖擊閃絡轉變為穩定的工頻過電壓，引起線路跳閘，如果跳閘后自動重合閘不成功，就會造成供電臂停電。具體發生地點及其原理可分為兩類：

(1)雷擊接觸網支柱。當雷擊接觸網支柱時，雷電流沿支柱入地并在支柱上

產生沖擊電壓U1，其計算式為：

式中，R為支柱的沖擊接地電阻，Ω；i為雷擊電流幅值，kA；L為支柱的等值電感，μH。

同時雷擊通道產生的電磁場迅速變化。規程上給出的感應過電壓U2的計算式為：

式中，H為導線的離地高度，m。

沖擊電壓和感應過電壓的疊加值，隨著接觸網支柱的接地電阻升高而升高，即引起閃絡的雷電流幅值和絕緣子閃絡概率隨接觸網的接地電阻而增加。

(2)雷擊接觸網導線。雷擊接觸網，包括承力索、接觸線、正饋線、加強線等在接觸網上產生過電壓。當這個電壓達到支持絕緣子的沖擊放電電壓時絕緣子閃絡，雷電流經支柱、鋼軌入地，過電壓隨之降低。但由于支柱的電感、接地電阻對雷電流的阻尼作用，過電壓不可能降到某一極小的數值，然后又隨雷電流在支柱、鋼軌的電感、接地電阻上產生的壓降而增大。作用于線路支持絕緣子上的電壓為：

式中，Z為接觸網線路的波阻抗，Ω；Z0為雷電流波阻抗，Ω；im(t)為雷電流，kA。

3 滬寧段接觸網防雷措施

根據接觸網雷害事故的形成特點，在防雷措施的采取上也要做到"四道防線"，即：使接觸網線路不直接受雷；或者線路受雷后絕緣不發生閃絡；或者閃絡后不建立穩定的工頻電弧；或者建立工頻電弧后不中斷供電臂供電。在確定接觸網線路的防雷方式時，還應全面考慮線路的重要程度、系統運行方式、線路經過地區雷電活動的強弱、地形地貌的特點、土壤電阻率的高低等條件，結合既有線路運營經驗，根據技術經濟比較的結果因地制宜，采取合理的保護措施。

滬寧段三線接觸網在設計時都參照了《鐵路電力牽引設計規范》的規定：接觸網大氣過電壓的防護，應根據雷電活動情況，結合運營經驗，采取相應的防護措施，在電分相和電分段錨段關節、長大隧道兩端、分區亭引入線和牽引變電所饋線出口處設置避雷裝置。

為了加強高速線路接觸網防雷電侵害能力，滬寧城際設計設置避雷器的地點是：(1)供電線上網處；(2)超重雷區正線關節處和電分相處加設避雷器；(3)長度2 000 m及以上隧道進出口；(4)超重雷區長度l 000 m及以上橋梁每一錨段關節處。京滬高鐵作為目前國內設計里程最長的高速鐵路，其接觸網防雷設計上與普速線路相比，并沒有提高標準，只是按照設計的基本原則在基本處所設置避雷器。結果是至今年6月底投運以來，如前分析，京滬高鐵的雷擊跳閘次數遠大于滬寧城際和京滬普速線。

4 提高防雷能力的建議

為提高滬寧段接觸網，尤其是京滬高鐵接觸網的防雷能力，有兩個方案可供選擇。

(1)方案一：增設避雷線

避雷線沿鐵路線與接觸網平行架設，且避雷線高于接觸網設備，在雷雨天起到了引雷的效果。當有直擊雷時，避雷線將雷擊產生的巨大電流通過接地系統釋放。避雷線的架設可以有效避免直擊雷對接觸網設備的破壞。它的保護范圍取決于它的長度，即避雷線架設到哪里，保護就到哪里。目前，國外（如日本）部分客專線已經采用該方式進行避雷。在滬寧段現有運營的線路上進行改造，其難度較大。當前，可考慮在京滬高鐵選擇1至2個供電臂進行改造試驗，若在雷雨季節防雷效果突出，再逐步進行推廣使用。方法是直接將加強線改造成避雷線。京滬高鐵的加強線處在一個供電臂的前半段，一般安裝在變電所至第1個AT所間的接觸網支柱柱頂上，用以提高導電有效面積。京滬高鐵和滬寧城際的接觸網導線規格相同，正線承力索均為銅鎂合金絞線（JTMH120），正線接觸線均為銅鎂合金線（CTMH150），導線載流量滿足設計標準。按照京滬高鐵初期運營速度，與滬寧城際接近，列車密度還小于滬寧城際，而滬寧城際的接觸網構造中，并未采用加強線。同時采用加強線還具有一定的副作用，如引雷（也是京滬高鐵雷擊跳閘次數大于其它線路的原因之一）。運營經驗表明，取消加強線是可行的。改造后的避雷線安裝可參考圖1所示：

圖1 避雷線安裝示意圖

(2)方案二：增設避雷器

避雷器的主要作用是限制雷電波侵入接觸網系統的主要電氣設備。為了使避雷器達到預期的保護效果，必須正確使用和選擇避雷器，對避雷器的基本要求是：雷電擊于接觸網線路時，過電壓會沿著導線侵入變電所，在危及被保護絕緣時，要求避雷器能瞬時動作；避雷器一旦在沖擊電壓作用下放電，就造成對地短路，此時瞬間的雷電過電壓雖然已經消失，但工頻電壓卻相繼作用在避雷器上，此時流經間隙的工頻電弧電流將是間隙安裝處的短路電流，為了不造成斷路器跳閘，避雷器應當具有自行迅速截斷工頻電弧電流、恢復絕緣強度的能力，使供電系統得以繼續正常工作；應當具有平直的伏秒特性曲線，并與被保護設備的伏秒特性曲線之間有合理的配合，這樣，在被保護物可能擊穿之前，避雷器便發生動作，將過電壓波截斷，從而起著可靠的保護；具有一定的通流容量，避雷器動作以后，在規定的雷電流通過時，不應損壞避雷器，同時在避雷器上造成的壓降（殘壓）應低于被保護物的沖擊耐壓值，否則，雖然避雷器動作，被保護物仍有被擊穿的危險。

現在國內客運專線多采用氧化鋅避雷器，該型避雷器為新型過電壓擬制電器，主要由氧化鋅非線性電阻片組裝而成，是一種空氣間隙金屬氧化鋅避雷器。它具有理想的伏安特性，這種特性使它在正常的工作情況下，流過的電流非常小，即在系統工作電壓下，具有極高的電阻而呈絕緣狀態。當過電壓幅值超過一定范圍時，則呈低阻狀態，泄放雷電流，使與避雷器并聯的電氣設備的殘壓擬制在設備絕緣安全值以下。待有害的過電壓消減后迅速恢復高阻絕緣狀態，從而保證了電氣設備的正常運行。另外該種避雷器體積小、重量輕，安裝在現有接觸網上不會明顯增加接觸網的機械負荷；避雷器結構緊湊，安裝方式簡單，便于現場安裝和更換。對京滬高鐵接觸網而言，除按《鐵路電力牽引設計規范》的要求在基本處所設置氧化鋅避雷器外，還應考慮在重雷區、重污區或空曠的地方，每個錨段的F線、T線各增加一臺氧化鋅避雷器。

5 結論

綜合比較以上兩個方案，方案一的防雷效果好，但施工改造難度大；方案二的安裝施工簡單，但防雷保護范圍有限。應組織有關部門進行綜合試驗，通過運營經驗來檢驗防雷效果，并為其它客運專線的防雷設計提供參照。當前設備管理單位必須高度重視接觸網防雷工作，針對雷擊跳閘占總跳閘次數比例大的現狀，加強線路防雷運營維護，及時查找雷擊故障點和更換受損的絕緣子；完善線路雷擊跳閘信息的統計，及時開展防雷運行總結和分析評估；積極開展線路防雷科研和新技術應用，有效指導線路雷擊故障點查找。通過多種措施，切實提高滬寧段接觸網的防雷能力，確保牽引供電系統運行安全。