接觸網(wǎng)雷電危害及防護(hù)

余 韜

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

1 概述

接觸網(wǎng)大多為露天供電裝置，雷擊事故較為頻繁，如果缺少有效防護(hù)，可能導(dǎo)致絕緣子損壞，擊穿支柱混凝土保護(hù)層，造成線路跳閘等，影響電氣化鐵路的運(yùn)營(yíng)，因雷擊導(dǎo)致人員傷亡、設(shè)備損壞的事故也屢見(jiàn)不鮮。由于接觸網(wǎng)無(wú)備用冗余的特殊性，為了鐵路安全運(yùn)行，應(yīng)采取必要的防雷措施。本文通過(guò)詳細(xì)分析雷電對(duì)接觸網(wǎng)的危害形式，并根據(jù)相應(yīng)的危害形式提出對(duì)應(yīng)的解決措施和計(jì)算方法。

2 雷電防護(hù)相關(guān)概念

2.1 雷電的形成

雷電是雷云之間或雷云對(duì)地面放電的一種自然現(xiàn)象。雷云對(duì)地放電雖然少，但對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)而言，雷電事故均來(lái)源于此，該放電過(guò)程可分為三個(gè)階段。

(1)先導(dǎo)放電階段

由于靜電感應(yīng)，雷云電荷在地面感應(yīng)出異性電荷，兩者之間構(gòu)成一個(gè)巨大的空間電容器。當(dāng)雷云中的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到25～35 kV/cm時(shí)，空氣開(kāi)始游離，成為導(dǎo)電通道，叫做雷電先導(dǎo)。雷電先導(dǎo)分上行先導(dǎo)和下行先導(dǎo)，如圖1，圖2所示。

(2)主放電階段

圖1 雷電下行先導(dǎo)

圖2 雷電上行先導(dǎo)

地面異性電荷經(jīng)過(guò)先導(dǎo)通道與雷云電荷發(fā)生強(qiáng)烈中和，瞬時(shí)產(chǎn)生極大電流并發(fā)出光和聲。主放電階段一般為50～100μs，電流可高達(dá)數(shù)十萬(wàn)安培。

(3)余輝階段

主放電階段結(jié)束后，雷電中的殘余電荷繼續(xù)經(jīng)放電通道泄流階段。余輝電流一般為100～1000 A，持續(xù)時(shí)間一般為0.03～0.15 s。

2.2 雷擊導(dǎo)線的臨界距離

對(duì)于某一幅值為I的雷電流，當(dāng)雷電下行先導(dǎo)距導(dǎo)線較近時(shí)，在假定不考慮導(dǎo)線周圍支柱及避雷針等影響的條件下，由于導(dǎo)線的引雷作用，雷電將擊在導(dǎo)線上，形成直擊雷過(guò)電壓;若下行先導(dǎo)距導(dǎo)線較遠(yuǎn)，雷電可能直接擊向大地，在導(dǎo)線上感應(yīng)出過(guò)電壓。針對(duì)雷擊導(dǎo)線的臨界距離，本文引入“擊距”的概念。

擊距是指先導(dǎo)頭部與被擊點(diǎn)間的平均電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到臨界放電場(chǎng)強(qiáng)時(shí)二者的距離。先導(dǎo)對(duì)導(dǎo)線的擊距r，先導(dǎo)對(duì)大地的擊距h，根據(jù)IEEE推薦的擊距公式［1］

式中:I為雷電流幅值/kA。

如圖3所示，以導(dǎo)線為中心，半徑為r的M1M3圓弧;高度為h1，平行于大地的M1M2。當(dāng)雷電下行先導(dǎo)擊在M1M3圓弧上，將因?qū)Ь€的引雷作用而擊在導(dǎo)線上。擊在M1M2的雷電將導(dǎo)向大地。

圖3 雷擊導(dǎo)線的臨界示意

假設(shè)雷電下行先導(dǎo)垂直落向大地，則導(dǎo)線與M1的水平距離s稱為雷擊大地臨界距離

2.3 雷電危害

雷擊對(duì)接觸網(wǎng)的破壞作用可分為一次效應(yīng)和二次效應(yīng)作用。

一次效應(yīng)是直接雷擊接觸網(wǎng)承力索、接觸線或附加導(dǎo)線等，使接觸網(wǎng)產(chǎn)生很高電位，引起過(guò)電壓，流過(guò)數(shù)十萬(wàn)安培電流，導(dǎo)致接觸網(wǎng)設(shè)備或支柱燒損。

二次效應(yīng)是感應(yīng)雷擊或雷電反擊造成的破壞。感應(yīng)雷擊是雷電作用在接觸網(wǎng)附近，雷擊放電產(chǎn)生強(qiáng)大的變化電磁場(chǎng)，使得磁場(chǎng)內(nèi)的接觸網(wǎng)產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電壓。雷電反擊是雷電作用在接觸網(wǎng)支柱上，在支柱上產(chǎn)生沖擊電壓，并在接觸網(wǎng)上產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電壓。二次效應(yīng)的電壓可達(dá)數(shù)十萬(wàn)千伏，引發(fā)接觸網(wǎng)跳閘或絕緣子閃絡(luò)。

3 防雷措施

通過(guò)分析雷擊過(guò)電壓的危害，本文將根據(jù)不同的過(guò)電壓進(jìn)行防護(hù)。

3.1 直接雷擊和感應(yīng)雷擊的防護(hù)措施

當(dāng)前防止直擊雷擊、感應(yīng)雷擊的技術(shù)措施可以采用設(shè)置避雷器，增加接觸網(wǎng)絕緣子的雷電沖擊耐受電壓和設(shè)置避雷線。

(1)設(shè)置避雷器

當(dāng)雷擊發(fā)生在設(shè)置避雷器的電氣化鐵路時(shí)，只要避雷器沖擊放電電壓低于接觸網(wǎng)絕緣(空氣間隙和絕緣子)或電力機(jī)車車頂保護(hù)電器(保護(hù)間隙和車頂避雷器)的沖擊放電電壓，避雷器就會(huì)動(dòng)作，以避免饋線斷路器跳閘。由于避雷器動(dòng)作后吸收了雷電能量，絕緣子、支柱的等值阻抗上受到的沖擊電壓僅為避雷器的殘壓，提高了接觸網(wǎng)的耐雷電沖擊水平。

當(dāng)前接觸網(wǎng)用避雷器一般采用閥式避雷器(SiC電阻片)和氧化鋅避雷器(ZnO電阻片)。后者因?yàn)閮?yōu)異的非線性伏安特性(圖4)而在避雷器中廣泛采用［2］。

圖4 避雷器伏安特性曲線

設(shè)置避雷器對(duì)提高接觸網(wǎng)的防雷擊水平有一定作用，但也存在不足。電氣化鐵路全線如要防止雷擊，幾乎需要在每根支柱上都安裝一臺(tái)避雷器［3］，如此密集安裝避雷器則每年的預(yù)防試驗(yàn)和維修工作量極大，維修費(fèi)用也將大大增加。此外牽引變電所饋線側(cè)設(shè)有避雷裝置且設(shè)有自動(dòng)重合閘裝置，即使雷擊造成饋線斷路器跳閘，1～2 s后自動(dòng)重合閘可恢復(fù)供電。

因此，接觸網(wǎng)上安裝避雷器只能作為牽引供電系統(tǒng)防雷技術(shù)措施的一種補(bǔ)充。在接觸網(wǎng)上安裝避雷器時(shí)，應(yīng)根據(jù)線路及其具體情況，充分分析安裝避雷器的利弊，綜合考慮，適量安裝。

(2)增加接觸網(wǎng)絕緣子的雷電沖擊耐受電壓

相對(duì)于瓷絕緣子，復(fù)合材料絕緣子有良好的憎水性，不致形成連續(xù)的表面積垢。對(duì)經(jīng)常發(fā)生雷擊或重污穢區(qū)段的絕緣子進(jìn)行定期清掃，在高雷區(qū)和重污區(qū)采用復(fù)合材料絕緣子和加大絕緣子的爬電距離等措施，均可以有效的提高雷電沖擊耐受電壓。

(3)設(shè)置避雷線

《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》［4］中對(duì)避雷線的保護(hù)范圍進(jìn)行了定義:

①當(dāng)hx≥時(shí)

式中:rx為每側(cè)保護(hù)范圍的寬度/m;P為高度影響系數(shù)，h≤30m，P=1。

②當(dāng)hx時(shí)

如圖5中，假定避雷線距離承力索高度為2m，通過(guò)公式(3)，避雷線距離承力索水平距離應(yīng)不大于0.94m，避雷線保護(hù)角為25.17°。但是該方式可能因懸掛等故障使避雷線搭在接觸網(wǎng)腕臂上，導(dǎo)致漏電等安全隱患，目前接觸網(wǎng)懸掛一般不采用該方式。

圖5 避雷線安裝示意圖

如果采用架空地線柱頂正上方安裝兼避雷線功能時(shí)，假定支柱側(cè)面限界3m，即rx=0，通過(guò)公式(3)計(jì)算，避雷線距離腕臂底座高度應(yīng)不小于6.38m。目前接觸網(wǎng)支柱頂部距接觸懸掛安裝上底座露頭高度一般不大于300 mm，因此柱頂架空地線時(shí)，只起到耦合地線的作用，防雷效果有限。

3.2 雷擊反擊的防護(hù)措施

可以采用降低接觸網(wǎng)支柱接地電阻和縮短保護(hù)地線接地間距的防止雷電反擊技術(shù)措施。

(1)降低接地電阻

借用《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》中定義的鋼筋混凝土支柱電桿等值電感0.84μH/m，假定采用9.2m支柱，承力索距地面高度8m，絕緣子濕閃電壓150 kV。

絕緣子閃絡(luò)的概率可表示為

式中:R為支柱的沖擊接地電阻/Ω;L為支柱的等值電感/μH;hc為導(dǎo)線平均高度，m。

分別采用1Ω、10Ω和30Ω時(shí)，接地電阻阻值越小，絕緣閃絡(luò)概率(見(jiàn)表1)就越低。

表1 絕緣閃絡(luò)概率

目前我國(guó)高速鐵路均采用綜合接地系統(tǒng)，該系統(tǒng)要求接地電阻不大于1Ω，因此接觸網(wǎng)接入綜合接地后能大幅減少絕緣子閃絡(luò)。

(2)縮短保護(hù)地線的接地間距

我國(guó)電氣化鐵路中一般采用架空地線、回流線或保護(hù)線(AT供電方式)作為保護(hù)地線，并每隔一段距離與接地極或鋼軌相連進(jìn)行接地。架設(shè)保護(hù)地線時(shí)，雷擊接觸網(wǎng)支柱時(shí)的耐雷水平參考《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》中的計(jì)算公式

式中:U50%為絕緣子的50%沖擊放電電壓/kV;ha為保護(hù)地線肩架對(duì)地高度/m;ht為接觸網(wǎng)支柱高度/m;hg為保護(hù)地線對(duì)地高度/m;hc為承力索對(duì)地高度/m;k為接觸網(wǎng)與保護(hù)地線的耦合系數(shù);k0為接觸網(wǎng)與保護(hù)地線的幾何耦合系數(shù);β為支柱分流系數(shù);有

式中:Lg為支柱兩側(cè)保護(hù)地線電感并聯(lián)值/μH;對(duì)單保護(hù)線約等于0.67l。l為雷擊點(diǎn)至接地極(接鋼軌)處的長(zhǎng)度/m。

在多雷區(qū)通過(guò)縮短保護(hù)地線的接地間距，相當(dāng)于降低了接觸網(wǎng)支柱的接地電阻，可以防止雷擊反擊對(duì)接觸網(wǎng)的侵害。

3.3 國(guó)內(nèi)規(guī)范中的防雷措施

我國(guó)電氣化鐵道接觸網(wǎng)防雷設(shè)計(jì)主要依據(jù)《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》［5］和《鐵路防雷、電磁兼容及接地工程技術(shù)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)［2007］39號(hào))的相關(guān)規(guī)定。

①吸流變壓器的原邊應(yīng)設(shè)避雷裝置。

②高雷及強(qiáng)雷區(qū)下列位置設(shè)避雷裝置:分相和站場(chǎng)端部的絕緣關(guān)節(jié)、長(zhǎng)度2000m及以上隧道的兩端、長(zhǎng)度大于200m的供電線或AF線連接到接觸網(wǎng)上的連接處。

③強(qiáng)雷區(qū)設(shè)置獨(dú)立避雷線，保護(hù)角為0°～45°，其接地電阻值不大于10Ω。

4 結(jié)論

接觸網(wǎng)大多為露天供電裝置且無(wú)備用冗余，一旦發(fā)生雷擊事故，將影響鐵路的正常運(yùn)營(yíng)，因此需要采取必要的防雷措施。本文通過(guò)說(shuō)明雷電的產(chǎn)生和雷擊導(dǎo)線的臨界距離，引出感應(yīng)雷擊、雷擊導(dǎo)線、雷擊反擊三種接觸網(wǎng)雷電危害形式，提出并計(jì)算分析了不同的防護(hù)措施:

①設(shè)置避雷器可以提高接觸網(wǎng)的防雷水平，但保護(hù)距離和發(fā)揮的作用有限，在雷電頻繁區(qū)域或上網(wǎng)點(diǎn)等重點(diǎn)區(qū)段，可局部增設(shè)避雷器。

②采用復(fù)合材料絕緣子，加大絕緣子的爬電距離，定期清掃既有線路絕緣子，以便減少絕緣子的閃絡(luò)。

③設(shè)置并調(diào)整避雷線的高度，具有有限的防雷效果。

④降低接地電阻阻值，特別是采用綜合接地系統(tǒng)，可以大幅減少絕緣子閃絡(luò)。

⑤在多雷區(qū)可以通過(guò)縮短接地間距對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行雷電防護(hù)。

［1］Transmission and Distribution Committee of the IEEE Power Engineering Society．IEEE guide for improving the lightning performance of transmission lines［M］．New York:The Institute of Electrical and E-lectronics Engineers lnc，1997

［2］張雪原．接觸網(wǎng)安裝避雷器的防雷效果研究［J］．鐵道工程學(xué)報(bào)，2010(9)

［3］劉明光，李光澤，孔中秋，等．論接觸網(wǎng)上避雷器的應(yīng)用［J］．電氣化鐵道，2005(5)

［4］電力工業(yè)部科學(xué)技術(shù)司．DL/T620—1997 交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合［S］．北京:中國(guó)電力出版社，1997

［5］鐵道部建設(shè)管理司．TBl0009—2005 鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005