南广铁路接触网雷电防护方案的研究

黄镇城（中国铁道科学研究院研究生部，研究生，北京　100081；南宁铁路局供电处，工程师，广西　南宁　530029）

南广铁路接触网雷电防护方案的研究

黄镇城
（中国铁道科学研究院研究生部，研究生，北京100081；南宁铁路局供电处，工程师，广西南宁530029）

摘要：结合南广铁路所经过地区的地理、气候条件及接触网运行中出现的雷害情况，通过分析接触网的雷击类型及其作用范围，研究接触网线路增设避雷器和架设避雷线2种方案的雷电防护效果，并提出南广铁路接触网雷电防护方案设计优化的建议，以提高接触网线路的雷电防护水平，降低雷击跳闸率。

关键词：南广铁路；接触网；雷电防护；避雷线

10.13572/j.cnki.tdyy.2015.04.004

南广铁路位于北纬23°~23°26′（北回归线）之间，属南亚热带海洋气候，受东南亚大陆季风影响，夏长冬暖，高温多雨，干湿季节分明，每年5~8月为雨季，年平均降雨量1 600~1 800 mm。南广铁路自既有南宁站引出后，经广西贵港、梧州市，广东云浮、肇庆市，引入广州南站，正线全长574 km，其中南宁站至黎塘西站间为客运专线，黎塘西站至广州南站间为设计时速200 km/h的Ⅰ级铁路。南广铁路广西段高架桥梁有178座，合计118.163 km，占广西段正线总长的37.72%。

南广铁路广西段于2014年4月开通运营，沿线地区多雷暴，年平均雷暴日高达99天，属于强雷区。截至10月底，南广铁路广西段接触网因雷击跳闸93次，占南宁局高铁接触网雷击跳闸总件数的50.5%，占南广铁路接触网跳闸总件数的84.55%，其中造成接触网绝缘部件击穿或损伤55处，极大威胁高铁接触网运行安全。因此，针对南广铁路的特殊气象条件开展接触网雷电防护方案的研究刻不容缓。

1　线路防雷设计现状及效果

1.1线路防雷设计南广铁路广西段的防雷设计采用接触网正线绝缘锚段关节、关节式电分相、2 000 m以上长度的隧道两端、电缆终端及200 m以上长度的供电线处均加密设置氧化锌避雷器的方式，共设置698台（上下行各349台）。1.2防雷效果采用氧化锌避雷器加密设置的防护方式，仅仅是降低了雷击损坏接触网设备的概率〔1〕，接触网及AF线因雷击导致避雷器动作、绝缘子闪络及损坏的情况仍时有发生〔2〕，桂平、贵港牵引变电所附近雷害尤为突出。南广铁路广西段4~7月份32起接触网雷击故障统计见表1，接触网部分设备受雷击损坏情况分别见图1、图2、图3所示。

表1　2014年4~7月份接触网雷击故障统计表

图1　厚禄至桂平间261#支柱附近承力索被雷击断6股

图2　厚禄至桂平间301#支柱附近承力索被雷击断5股

图3　根竹至贵港间112#、215#支柱斜腕臂绝缘子被雷击坏

从4~7月份接触网雷击故障统计数据和接触网设备受雷击损坏的情况看，因受到避雷器保护范围有限的影响，采用线路避雷器加密设置方案的雷电防护效果并不理想。

2　接触网雷电防护方案的效果分析

2.1接触网雷击类型的划分根据雷击点位置和雷击过电压产生原理，可将接触网雷击过电压的产生途径分为3种〔3、4〕，如图4所示。

1）感应过电压：当雷电击中接触网线路附近的地面时（图中A点），雷电流通过电磁耦合在接触网上产生感应过电压，这种雷击类型简称为感应雷。

2）雷击接地部分产生的过电压：当雷电直接击中接触网的接地部分时，如支柱顶部（图4中B点）、回流线、AT供电方式下的保护线等，雷电流通过导线电感及接地电阻产生的过电压。其与电力系统反击过电压的产生原理相同，因此也定义为反击过电压，这种雷击类型简称为反击雷。

3）雷击高压部分产生的过电压：当雷电直接击中接触网的高压带电部分时，如接触线或承力索（图4中C点），AT供电方式下的正馈线和加强线，雷电流通过高压导线的波阻抗产生的过电压。其与电力系统的绕击过电压的产生原理相同〔5〕，因此也定义为绕击过电压，这种雷击类型简称为绕击雷。

图4　接触网雷击类型

2.2避雷线防雷效果分析

1）未装设避雷线时接触网的防雷区域见图5所示。从图5可以看出，当雷击点位于BCD之间时，雷电将击中承力索等设备，此时接触网的雷击类型为绕击雷，接触网的耐雷水平为3 kA左右；当雷击于AB或DE区间时，雷电将击中回流线，此时接触网的雷击类型为反击雷，接触网的耐雷水平与接地电阻有关。

图5　未装设避雷线时接触网不同雷击类型的作用区域

2）装设避雷线后接触网雷击区域见图6所示。从图6可以看出，由于避雷线位置较高，图5中绕击区域被压缩，当避雷线位置足够高时，从图6左半部分可以看出，上下行线路的避雷线引雷区间相互重叠，此时接触网的高压带电部分被避雷线有效保护，因此雷电绕击的概率接近为零。接触网的最低耐雷水平由雷击避雷线所决定，当避雷线直接通过支柱接地时，接触网的耐雷水平等于反击耐雷水平，通过降低接触网的接地电阻，可有效提高接触网的耐雷水平，降低雷击跳闸率。

图6　装设避雷线后接触网雷击区域

3）通过避雷线防雷效果分析可知，避雷线的主要作用是通过改变雷击类型，从而提高供电线路的耐雷水平〔6〕。参考IEEE导则IEEE std 1234-1997中电气几何模型以及A.J.Phillips在IEEE基础上的改进电气几何模型中的击距公式〔7、8〕：

rc=1.34（h+x）0.6I0.65（1）

rg=rc（2）

式中：rc和rg分别为雷电对承力索和大地的击距；

I为雷电流幅值。

由公式（1）可知，雷电流幅值越大，击距越大，由此人们得出了计算防雷保护范围的滚球法。在接触网避雷线设计时，推荐采用滚球法对避雷线保护范围进行确定，在复线区段，为使上下行线路的避雷线引雷区域相互重叠，可适当提升避雷线高度，以避免接触网高压带电部分受到雷电绕击的影响，从而有效保护接触网设备。

2.3增设线路避雷器的防雷效果分析避雷器通过释放雷电和电力系统操作过电压的能量，保护电气设备免受瞬时过电压危害，又能截断续流，避免引起系统接地短路。当过电压值达到规定的动作电压时，避雷器立即动作，流过电荷，限制过电压幅值，保护设备绝缘；电压值正常后，避雷器又迅速恢复原状，以保证系统正常供电。

为研究避雷器的保护范围，采用图7所示避雷器等效电路模型，将避雷器安装在图8中的第J6基支柱上，通过仿真试验（仿真计算结果见表2）研究其相邻支柱绝缘子闪络与雷电流的关系。

图7　避雷器模型图

图中L0=0.2 d/n（3）

R0=100 d/n（4）

L1=15 d/n（5）

R1=65 d/n（6）

C=100 d/n（7）

式中：d—避雷器长度，n一般情况都取1。

图8　避雷器保护范围仿真图

表2　雷击第J 6基支柱时的仿真结果

由仿真结果可知，随着接地电阻的降低，接触网的耐雷水平显著提高。以接地电阻10 Ω为例，耐雷水平比60 Ω时提高了50 kA，支柱安装避雷器后，本基支柱绝缘子基本不会闪络，最先闪络的支柱绝缘子是J 3#和J 9#，即避雷器可靠的保护了相邻的J 4、J 5#和J 7、J 8#支柱绝缘子。在不同的接地电阻下，由于避雷器的作用，首先出现闪络动作的支柱也不同，由此可见避雷器的保护范围有限，避雷器一侧仅能保护附近3~5基支柱的供电设备。

结合避雷器保护范围分析，在强雷区每基支柱的接地电阻降到10 Ω的条件下，每隔2个跨距安装1个避雷器，方可使整个接触网的雷击跳闸率与安装避雷线的效果基本相同。但由于避雷器的防护范围有限及雷击点的随机性，为达到避雷线的雷电防护效果需要增设大量的避雷器，由此造成线路设备成倍增加，维护工作量加大，反而降低了接触网运行可靠性。

3　结束语

南广铁路广西段接触网近一年的运行实践证明，当前的线路防雷设计远不能满足接触网运行高可靠性的需求，通过接触网线路增设避雷器和架设避雷线两种方案的雷电防护效果研究，其雷电防护方案还有进一步优化的空间。可以选取受雷害影响最为严重的桂平牵引变电所作为试点，采用供电线直线区段和上下行接触网线路支柱顶部单独架设避雷线的雷电防护方案，提高该区段接触网线路的雷电防护水平，降低雷击跳闸率，从实践上验证避雷线对接触网线路的雷电防护效果。

参考文献：

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〔4〕DL/T 620—1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合〔S〕.1997

〔5〕张志劲，司马文霞，蒋兴良，孙才新，舒立春.超/特高压输电线路雷电绕击防护性能研究〔J〕.中国电机工程学报.2005.1-6

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〔7〕IEEE Guide.IEEE Guide for improving the lightning perfor⁃mance of transmission lines.IEEE stardard 1243—1997，New York，NY.

〔8〕Phillips，A.J.；Anderson，J.G.Computer simulation of light⁃ning flashes to transmission lines.Eleventh International Symposium on High Voltage Engineering，1999，22—27 （467）：224—227.

文章编号：1006-8686（2015）0008-04

文献标识码：A

中图分类号：U223.8