大秦線接觸網防雷措施淺談

張清文

【摘要】 本文對大秦線遭受雷擊跳閘進行了探討和分析，根據大秦線途徑區域的地質及氣象特點，借鑒最新研究成果，對大秦線接觸網的防雷方案進行了初步探討。

【關鍵詞】 大秦線 接觸網 雷電 防護措施

引言

1988年12月大秦鐵路一期開通，1992年年底二期開通，全線開通后又經過多次供電能力擴能改造使年運量迅速提升，2014年大秦線全年完成運輸任務4.5億噸，行車密度很大，一旦發生接觸網停電故障，就會打亂正常的行車秩序給行車組織造成很大干擾。而每年在雨季，雷擊引發的接觸網故障都會頻繁發生，干擾了正常的運輸秩序。

大秦鐵路于1985年1月開工建設，由于設計及開工時間較早，很多部位沒有達到規范的設計標準，自1988年12月28日開通以來，在規范中的重點位置及部分區間線路雷擊故障頻發，發生多起雷擊燒傷設備故障，僅2013年4月至2015年8月就因雷擊跳閘386次，燒傷支柱6根，懸式絕緣子破損86處，碗臂絕緣子破損23處，附加懸掛斷線6次。因此如何降低接觸網雷擊跳閘頻率加強接觸網的雷害防護水平，提高大秦線牽引供電的可靠性，非常必要也極為迫切。

一、雷電對接觸網的危害分析

1.1雷電流幅值計算方法

雷電是一種劇烈的大規模的放電現象，一般有多個帶電中心，且大多數為負閃電，少數為正閃電，通常一次雷電持續時間大約是0.1～0.2秒并會發生3次左右的放電，最大電流一般出現在第一次放電過程中，正閃電一般比負閃電的電流大，其電流峰值往往在100kA以上。雷電流幅值及其累積概率分布在一般地區可按下式求得：

tgP =I/88

式中：P——雷電流幅值概率；

I——雷電流幅值，kA

1.2雷擊接觸網的頻度

按相關規定根據地區雷暴日的數量分為4個等級，其中年平均雷暴日大于20日小于40日的地區劃為多雷區；年平均雷暴日大于40日小于60日的地區劃為高雷區。接觸網線路所在地區的年平均雷暴日數與其遭受雷擊的可能性相關，通常單位面積大地1年的雷擊次數隨年平均雷暴日數增大而變大。

1.3大氣過電壓對接觸網影響分析

1.3.1直擊雷過電壓

直擊雷擊中接觸網懸掛在高處的導線，導線上會產生巨大的雷電流及過電壓，直擊雷的電流峰值可達幾十到幾百kA，電壓峰值通常可達幾百到幾千kV過電壓，釋放出有很強破壞性的巨大能量。

1.3.2感應雷過電壓

靜電感應雷是架空線路導線或其他導電凸出物頂部在帶電積云接近地面時感應出大量反極性束縛電荷引起的，產生出很高的感應電壓，其電壓幅值可達到幾十到幾百kV，這種類型的過電壓對于接觸網線路有較大的危害性。

1.3.3雷電反擊過電壓

雷電反擊通常是閃絡在金屬體遭受直擊雷后引導雷電流流入大地的過程中發生的。

1.4大秦線接觸網遭受雷擊跳閘分析

大秦線全長653km，其中大秦二期312km線路在2015年4月1日至2015年9月15日間，所經過地區在有雷雨天氣的32個雷暴日里，發生雷擊接觸網后變電所饋線跳閘98次，其中重合閘失敗中斷供電15次，重合閘成功恢復送電83次。大秦二期各牽引變電所饋線因雷擊引起的跳閘詳見表1。

實際上，因雷擊造成跳閘占總故障跳閘比例很高，如遷西變電所2015年4月1日至2015年9月15日期間共跳閘30次，其中發生在雷雨天饋線斷路器跳閘24次，雷雨天跳閘比率高達77.42%。有時一次惡劣的雷雨天氣造成變電所饋線斷路器多次跳閘的同時，也會發生多起供電設備由于雷擊損壞中斷行車的故障。

2014年8月7日在遷西境內一次劇烈的雷雨天氣就發生了5起故障，中斷行車96分鐘，故障詳情如表2所示，由此看來雷擊接觸網故障已經成為影響牽引供電可靠運行的重要因素。

二、大秦線接觸網防雷保護措施探討

2.1大秦線雷電活動分析

大秦線途徑山西（大同）、河北（張家口、唐山、秦皇島）、北京、天津等地區，所經地區雷電活動頻度見表2。大秦線全長653km，其中年平均雷暴日在40～60天的線路約為260km占總線路長度39.81%，年平均雷暴日在20～40天的線路約為393km占總線路長度60.19%。大部分閃電高密度中心與鐵礦區密切相關如所經過的張家口、唐山、秦皇島地區，特別是大秦二期鐵路基本沿燕山南麓由西向東修建，所處地域為燕山迎風坡，區域內鐵礦區分布眾多，是我國三大鐵礦集中區之一并且是最大的，區域內降雨很充沛，森林植被覆蓋率也很高，有多條河流，是雷電活動比較頻繁的地區。大秦線途徑地區雷電活動詳見表3所示。

2.2電力系統輸電線路的主要防雷措施

2.2.1避雷線

避雷線的工作原理和避雷針的工作原理類似，在電力系統架空輸電線路中得到廣泛應用并且有多年的運行實踐經驗，是一種被證實的非常有效的線路防雷措施。保護原理是通過合理配置避雷線的高度和保護角起到對導線的屏蔽作用，降低雷電直擊導線的可能性。

2.2.2保護間隙

保護間隙是一種非常簡單的防雷裝置，由保持一定間隙距離的兩個金屬電極構成，其自身絕緣強度比所要保護的線路絕緣強度低，當雷擊輸電線路時，由于雷擊過電壓保護間隙首先被擊穿迅速將雷電流泄入大地，降低過電壓幅值減少非自恢復性故障發生次數，來起到保護作用。

2.2.3避雷器

由于避雷器具有很好的非線性伏安特性，殘壓低，當雷擊線路時能夠限制絕緣子的端電壓，極大的降低了絕緣子發生閃絡的概率，也能夠抑制工頻續流，防止輸電線路由于雷擊過電壓發生跳閘。避雷器對雷電有很好的防護效果，存在的不足就是造價偏高。

2.3目前高鐵接觸網防雷的研究結論

（1） 直擊雷是接觸網沒有做防雷措施的條件下跳閘的主要原因，雷擊跳閘中95%～98%是直擊雷引起的跳閘。感應雷是接觸網沒有做防雷措施的條件下跳閘的次要原因，雷擊跳閘中2%～5%是感應雷引起的跳閘。。

（2） 將接觸網現有保護線抬高或接觸網支柱頂部架設架空地線利用其屏蔽作用有效降低直擊雷雷擊接觸網概率。

（3）在接觸網安裝金屬氧化物避雷器。

2.4大秦線接觸網防雷方案探討

依據設計規范和研究成果結合大秦線接觸網的防雷現狀，對大秦線接觸網防雷方案探討如下：

2.4.1對應設計規范完善重點部位防雷設施

《鐵路電力牽引供電設計規范》中關于接觸網的防雷措施主要是安裝避雷器和架設避雷線，同時做好必要的接地。因此需要沿線供電車間組織骨干技術力量依據規程對現有設備進行對標梳理，結合所經過地區的雷電活動的頻度和管轄區間受雷擊發生故障的歷史數據，制定方案分步完善現有重點部位的防雷設施。

2.4.2架設避雷線或架空地線

電力系統通過總結實際運行經驗結合實驗室研究數據，認為所經地區年平均雷暴日數在30天及以上的地區對帶有重要負荷的66kV輸電線路，應該全線架設避雷線。大秦鐵路牽引供電系統電壓為25kV，但其重要程度等同或高于電力系統66kV線路，為了保證供電可靠性，應當在全線架設避雷線。目前可選擇在雷害比較頻繁的地區，如遷西～遵化區間、羅家屯～遷安區間加裝避雷線。現有線路有加強線的區段，也可以暫時把加強線退出運行并抬高臨時作為架空地線使用，通過一段時間運行，再與歷史數據對比，來實際驗證防雷效果。新增加的避雷線為了保證防雷效果，在設置時對承力索和正饋線的保護角分別約為60度和40度，避雷線架設在柱頂1.5米處或在距承力索懸掛處1.7米處，具體架設方案如圖 1所示 。

2.4.3安裝避雷器

在所亭出口合架供電線區段，由于不具備增設架空地線的條件，可在支柱F線、T線懸掛絕緣子上分別安裝金屬氧化物避雷器。在雷電特別嚴重區域采用增大絕緣強度，架設避雷線等措施不可能完全防止接觸網雷擊閃絡故障，可以安裝線路金屬氧化物避雷器來防止雷電反擊。

2.4.4 降低接地電阻

防雷設施的接地裝置是用來向大地引泄雷電流的主要設備，有效降低接地電阻可以提高電氣設備的耐雷水平。因此接觸網支柱的接地電阻增大也將會使閃絡的雷電流幅值和絕緣子閃絡概率增大，降低接地電阻可以有效地提高線路的耐雷水平。

實際運行中，大秦線牽引供電線路中存在大量支柱接地電阻不合格情況，僅以遷西站為例，實測支柱接地電阻42處，合格18處，不合格24處，合格率僅為42.86%。因此需要采取平推的方式，對不合格的接地電阻采取降阻處理，提高線路耐壓水平。具體實施可以根據不同情況區別對待，本著方便施工、節約投資、可靠有效的原則進行。對銹蝕嚴重或已損壞的接地極更換為經過熱鍍鋅防腐處理的新接地極，并嚴格落實安裝工藝標準施工。對接地極良好但是接地電阻不符合要求的處所，要增加接地極極數或延長引入附近地點做接地極，直至接地電阻達標。對困難地段采用普通接地極無法達到要求的可以采用價格相對昂貴的石墨接地極或其他形式的接地極。

三、結論

本文對雷電特性、電力系統、高鐵防雷的現狀進行了分析，對大秦線牽引供電的防雷措施進行了簡要探討，由于雷擊故障的頻繁發生，嚴重困擾大秦鐵路牽引供電的可靠性，其現有防雷設施與大秦線在國民經濟中的地位嚴重失衡，需要不斷投入科研力量和技術設施，提升防雷設計標準，提高大秦鐵路牽引供電的整體防雷水平。

參 考 文 獻

[1] 于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網[M]. 西南交通大學出版社，2005

[2] 簡克良.電力系統分析[M].西南交通大學出版社，2003

[3] 褚偉龍.淺談架空輸電線路的防雷措施[J]. 科技與企業，2013

[4] 王建恒，楊仲江，吳孟恒.河北省雷電分布特征研究[J].安徽農業科學，2010