柳南客專雷電災害特性及防雷措施探討

裴振

(南寧鐵路局南寧供電段,廣西南寧 530003)

柳南客專雷電災害特性及防雷措施探討

裴振

(南寧鐵路局南寧供電段,廣西南寧 530003)

本文在分析柳南客專途經地區雷電氣候成因的基礎上,分別對接觸網落雷率、接觸網因雷電導致的跳閘次數進行了計算。在不同的雷擊情況下,雷擊導致的接觸網跳閘概率不同,其中反擊雷及繞擊雷的跳閘率最高。并對接觸網防雷設備在重雷區的應用進行了探討,并對雷擊后的故障處理措施提出了建議。

柳南客專 接觸網 雷電災害

1 引言

雷擊對電氣化鐵路運輸的影響十分巨大，直接雷擊會引起接觸網跳閘，頻繁的雷擊還會造成避雷器、絕緣子損壞而造成接地故障。目前，高速鐵路為減少征地面積，大量采用高架橋結構，其負面影響是因高架橋在平原地區處在至高點，雷擊機率較普速鐵路成倍增加。在7·23甬臺溫特大交通事故發生的7分鐘內，線路受到近百次雷擊。位于廣西中部的柳南客專地處我國雷暴的高發區，因廣西地理位置靠近中南半島，可看作是中南半島雷暴高發區向北的延伸區域。本文就柳南客專沿途雷區情況及如何減少雷擊對柳南牽引供電系統的影響，保證柳南客專穩定運行進行了初步探討。

2 柳南客專正線途徑地區雷電災害情況

2.1 雷電災害的空間分布

2.1.1 地形影響

柳南城際鐵路，又稱柳南客運專線，為國家I級客運專線。其南起南寧東站，北至柳州站，途經五塘、黎塘西、來賓北站，是湘桂鐵路擴能改造工程的重要組成部分。其建成意義在于縮短南寧柳州兩城市間距離，將柳州融入北部灣1小時經濟圈，并率先在廣西形成同城效應。

柳南客專其沿線經過的雷暴區如圖1所示。由圖可見，柳南客專黎塘至柳州區間除大明山脈范圍外，均為雷暴高發區。雷暴發生峰值地區為柳州樞紐及其周邊，在區間正線上以黎塘為中心，附近為雷電高發區。

從廣西地形圖上看，來自北部灣的暖濕氣流登錄后向北，在南寧至貴港一線遇到大明山山脈及平天山山脈的阻擋，起到氣流自然抬升作用，造成該地雷電活動頻繁。圖1的分布走向與圖2地形走向一致驗證了這一判斷。

同時，在大明山山脈、鎮龍山脈與平天山間存在兩個約10km左右的缺口，暖濕氣流受到兩側山脈的影響，從該缺口吹向柳州盆地，造成在該缺口后方的黎塘鎮(賓陽縣)大氣下層氣流運動活躍，也從另一方面造成該地雷暴天氣高發。

2.1.2 土壤電阻率影響

文獻[1]中研究結果表明，土壤電阻率與雷暴的形成有密切聯系。通過對比土壤電阻率可知，農田電阻率最低，其次為林地，草地電阻率最高。其成因為人類活動在施用大量肥料所致。同時，與土壤電阻率相關的16個指標中，影響從高到低前三名分別為全鐵、Cl、全氮。根據賓陽縣概況，該縣農田比例占全縣面積的24%，林地占全縣面積的35.9%，兩者相加約達到全縣面積的60%。由文獻[2]中可知，賓陽縣土地中含N量(0.164%)為全區第二，僅次于崇左(0.165%)，遠高于全區0.121%的平均值。以上兩個方面因素導致了賓陽縣境內土壤電阻率與其它地區相比偏低。

文獻[3]中研究結果表明在雷電頻率高、土壤電阻率低的區域，距離地平面越高，相對發生雷擊的危險等級越大。

2.2 雷電災害的時間分布

柳南客專沿線的雷暴天氣呈季節性分布。從氣候上看，雷電活動的季節變化與大氣活動的變化有關。2～6月，南支槽把大量的暖濕氣流輸送到廣西上空，與北方南下的冷空氣交匯，大氣容易產生對流不穩定；而7～9月廣西受副熱帶高壓或西太平洋的熱帶低壓、臺風、輻合線等天氣系統影響，致使雷電活動較多。[3]其中，4-9月雷暴的發生次數占到了全年的96%。尤其是6-8月間的雷暴天氣最為突出，雷暴天氣均可達到14-16日以上；4、5、9月雷暴相對出現機率相對偏低，為6-10日左右。

根據廣西區防雷中心的統計，在廣西區內，雷暴的高發時段為每日的14：00至19：00間，而夜間與上午是雷暴發生的低谷。

該結果與大氣對流活動發展的基本規律相符合。在12：00至14：00，太陽輻射最強，造成對流層底部的大氣活動明顯加劇，根據伯努利定律，底部大氣產生上升氣流。當攜帶水汽的氣流上升至距離地面3km左右時，溫度達到0℃，水汽逐漸凝結成冰晶。當氣流足夠強勁，攜帶水汽到達結冰臨界面以上達到距離地面6km左右時，云頂溫度達到-20℃左右。根據冰晶起電效應原理，當對流云中的冰晶含量足夠多，且有較厚的冰晶和過冷卻水共存層，對流云的垂直運動足夠強，即可造成對流云內的電荷分離并最終達到放電發生(閃電)階段[4]。而自14：00起，太陽輻射逐漸降低，至日落，對流層底部逐漸穩定，產生雷電的機率大大降低。而在5月，白天太陽輻射相對較弱，在夜間云頂輻射使得云頂溫度明顯降低，而云層下底層溫度變化不大，有利于形成不穩定的大氣層結，故夜間有較多閃電發生。

3 接觸網引雷及跳閘的計算

按照國際通行算法，接觸網平均雷擊次數計算公式為：

其中， Td為年平均雷電日數。在計算復線其雷擊為2N，廣西多年平均雷電日數76.72天。按照接觸網支柱高度8m計算位于平原接觸網高度，代入上式可知，柳南客專復線每年的雷擊次數約為38次。目前高速鐵路大量使用橋帶路的方式減少征地面積，提高土地使用率，但無形中將接觸網的高度進行了抬升。按照橋梁上接觸網平均高度26m計算，復線落雷次數達到135次。可知高架橋引雷次數約為非高架橋的4倍。

對于高速鐵路接觸網，因其AT供電的特性決定了其支柱外側懸掛的是正饋線，造成其引雷區域要遠大于普速鐵路或帶有回流線的直供方式。

取接觸網耐壓等級為200kV，當支柱高度 Hz按8m計算，支柱接地電阻值按照國家標準取10Ω，支柱電感為10μH時， I1=15.71kA 。根據公式：

計算可得雷電流超過雷電流幅值的概率為66%。對雷電流積分可得到該區域間接觸網100km·a感應雷跳閘次數為：

其中為落雷密度 γ=0.023T4次/km2； f(I)為雷電流幅值出現概率， f(I)=0.026×10-I/88；η 為建弧率，η =(4.5E0.75-14)×10-2；Imax為當地可能出現最大電流幅值。

反擊雷跳閘次數為：

繞擊雷擊跳閘率為：

根據式3、4、5可得柳南客專每100km每年雷擊跳閘率。復線的雷擊跳閘率為單線的2倍，可得為每100km的雷擊跳閘總次數為7.448次。。

圖1 柳南客專途經區域雷暴發生概率圖

圖2 柳南客專途經區域地形衛星圖

表1 雷擊危險性綜合判斷表

圖3 廣西雷暴高發時段統計

圖4 有避雷線與無避雷線接觸網耐雷水平比較

4 接觸網防雷設備

目前，高速接觸網防雷設備一般有兩種，一是避雷器，二是避雷線。目前在國內大量采用的防雷設備仍以避雷器為主。避雷器分為承力索(接觸線)用和正饋線用兩種，均采用同種避雷器。文獻[5]、[6]的研究表明，在強雷區，除非采用每個支柱均設置避雷器的方案，否則，避雷效果相當有限。在南昆線運行過程中，我們就發現，在安裝有避雷器的區段，避雷器動作的情況下，牽引變電所依然跳閘的現象時有發生。同時，避雷器質量不佳造成脫扣器無法脫扣，絕緣子、避雷器絕緣擊穿等故障也影響了避雷器的使用。

在國外接觸網防雷方面，歐洲大陸因落雷少，因此，多采用避雷器防雷，而處在強雷電影響下的日本在使用避雷器的同時，大量使用高于接觸網結構高度的避雷線。避雷線的引入使接觸網引雷跳閘的可能性大大降低。

5 雷擊后的應急處置

對于電氣化鐵路防雷應急處置，處在重雷區和強雷區的接觸網工區除應對避雷設備進行定期巡視外，在容易引起雷暴的月份及時段應加強值班，并與變電所及時溝通。一旦出現接觸網跳閘，重合閘失敗的情況，立即辦理相應降弓通過手續。在雷電天氣結束后，利用軌汽對故測值為中心周圍三個避雷器開展巡查。如發現避雷器有絕緣擊穿痕跡，本著先通后復的原則，立即齊根剪斷避雷器電連接線，恢復線路供電，待天窗點再對故障避雷器進行處理。如出現絕緣子閃絡燒損等現象，則維持降弓通過不變，等待天窗點再更換絕緣子。

6 結語

對于重雷區的接觸網線路，應安裝避雷線提高線路的避雷能力。在重雷區的接觸網工區應加強在下午時段的搶修應急準備工作，同時，對雷擊易損壞的避雷器、絕緣子等部件應詳細登記，搶修時做好相應備品的準備工作。在雷電天氣重合閘失敗后的巡視要加強對避雷器、絕緣子的巡視。

[1]劉磊.土壤電阻率估算及影響因素研究[D].南京信息工程大學, 2011.

[2]吳圣進,藍福生,羅潔，等.廣西主要蔗區土壤和植株養分狀況的調查研究[J].廣西植物,1998(8)：291-297.

[3]劉任業.廣西雷電活動的方向性變化及其應用[J].廣西氣象,2001 (6):22,37-39.

[4]朱乾根,林錦瑞,壽紹文，等.天氣學原理和方法(修訂本)[M].北京:氣象出版社,2000:402.

[5]張雪原.接觸網線路避雷器不同安裝方式的防雷效果[J].電氣化鐵道,2010,5:35-38.

[6]范海江,羅健.鐵路客運專線接觸網防雷研究[J].鐵道工程學報, 2008,8:80-83.