柳南客专接触网防雷研究

2016-05-21周书念南宁铁路局柳州供电段助理工程师广西柳州545007

铁道运营技术 2016年2期

周书念（南宁铁路局柳州供电段，助理工程师　广西　柳州　545007）

柳南客专接触网防雷研究

周书念
（南宁铁路局柳州供电段，助理工程师广西柳州545007）

摘要：柳南客专所经地区地理、气象、气候条件差别较大，情况复杂，雷害已成为引发接触网故障的主要因素。为保证柳南客专接触网运行的高可靠性，在分析接触网常用防雷措施的基础上，结合柳南客专柳州至小平阳段目前的防雷现状，提出柳南客专接触网系统防雷的改建建议。

关键词：客运专线；接触网；防雷

10.13572/j.cnki.tdyy.2016.02.016

柳州至南宁客运专线开通一年来，多次发生雷击事件，造成多起供电停电故障，严重干扰正常行车秩序和行车安全。故此，对其接触网进行防雷害分析并采取对策方案非常必要和迫切。

1　柳南客专概况

1.1线路概况柳南客专自柳州新建双线，引入既有进德车站后沿既有湘桂线西侧取直并行至来宾地区设新来宾北站，然后跨既有湘桂线后沿既有线东侧取直，在小平阳跨既有湘桂线后沿既有湘桂线西侧取直至黎塘地区设黎塘西站，然后大取直引入南宁东枢纽，高架通过既有屯里站和长岗岭站后沿既有湘桂线增建二线至南宁站。

柳南客专采用AT供电方式，柳南客专柳州至小平阳段，全长99.643 km，设置进德、来宾北等AT牵引变电所2座，设置凤凰、水涧等AT分区所2座；设置新村、甘烈、广隆等AT所3座。线路正线接触导线采用锡铜合金导线CTS-150（高强度），导高5 500 mm，承力索采用镁铜合金绞线JTMH-120，结构高度1 600 mm，正线线间距4.6 m，正馈线采用LBGLJ-240，保护线采用LBGLJ-120，全线绝缘泄漏距离按不小于1 400 mm设计。

1.2气象概况沿线属亚热带湿润季风气候，其气候特点是温暖湿润，雨量充沛，有明显的干湿两季之分，夏季易涝，春秋易旱。

据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）典型气象区划分、电力资料、供电运营维护情况及收集的资料，确定柳南客专的气象条件见表1。

表1　柳南客专柳州至南宁的气象情况

1.3防雷主要措施柳南客专属于强雷区，柳州、南宁均是雷暴日发生的高发区，年平均雷电日数达到78.1天，在锚段关节式电分相处、区间的非绝缘锚段关节、长度200 m及以上的供电线上网处、分区所引入线处、开闭所引入线处、长度为2 000 m及以上的隧道口或连续的隧道群两端设氧化锌避雷器以预防大气过电压。

2　接触网防雷存在主要问题

2.1雷害对行车干扰严重因雷害导致接触网跳闸停电，将造成铁路客运列车中断，特别是高速动车组车上从接触网得到电源的照明、空调等设备将停止工作，影响旅客的情绪，严重时可造成不良的社会影响。2014年，柳南客专进德至小平阳段雷害引起的接触网跳闸高达二十多次，其中“8.13”雷击造成避雷器绝缘击穿及棒式绝缘子靠支柱侧同时被击碎2片，来宾北变电所213馈线由于避雷器短路接地而跳闸，停电3 h 05 min，构成铁路交通一般D类（D21）事故。

2.2雷害故障原因排查难度大雷害导致的接触网故障主要有：正馈线绝缘子击穿、接触悬挂的棒式绝缘子击穿、供电线电缆头绝缘击穿、避雷器绝缘击穿等。绝缘击穿的痕迹基本上无规律可循，特别是棒式绝缘子击穿，仅凭肉眼巡视检查，较难发现。且客运专线的维修天窗多是在夜间安排，加上照明的角度、天气恶劣等因素，加大了绝缘击穿处所的查找难度。2014年全年柳南客专柳州至小平阳段跳闸共计25次，其中查明跳闸原因的仅有12次，占跳闸总数的48%，是雷害原因查找难度大的最好佐证。

2.3避雷器质量及设置距离存在问题

2.3.1避雷器高压线支持绝缘子击穿目前柳南客专使用的避雷器是YH 5 WT-42/120，绝缘爬距为1 400 mm。主要技术指标见表2所示。

表2　YH5WT-42/120型避雷器主要技术指标

至今，避雷器高压线支持绝缘子已于2014年8 月13和10月30日先后2次被击穿（如图1、图2）。

图1　8月13日避雷器高压线支持绝缘子击穿图

图2　10月30日避雷器高压线支持绝缘子击穿图

2.3.2避雷器的设置距离过大目前柳南客专避雷的设置为锚段关节处、馈线上网处。避雷器间隔距离（按照锚段长度计算）约为1.4 km。雷击接触网时见图3所示。

图3　雷击接触网示意图

由图3可知，雷击电压以v=300 m/μs向雷击点两边的接触网传播，在接触网上形成的雷电前行经过L/V时间到雷击地点A，忽略避雷器残压，近似认为雷电前行波电压在A点反射，又经过L/V时间后反射到雷击点J，要使避雷器动作后，接触网上的绝缘子不发生放电击穿，可得接触网上避雷器的保护距离〔1〕，公式如下：

取接触网波阻抗取z=400 Ω，接触网本身的耐雷水平I取23 kA，瓷质棒式绝缘子工频湿耐受电压为140 kv，则避雷器的保护距离L=237 m。则避雷器设置的合理间距应为2 L=474 m，约为500 m。目前避雷器设置间距为1 400 m，设置间距过大。

2.4雷击造成绝缘子击穿柳南客专进德至小平阳段开通一年来，因雷击跳闸的同时，共发生各种形式绝缘子闪络或击碎现象19次，其中T线类（如图4）绝缘子故障1次，AF线类（如图5）故障高达16次，雷击对高铁设备的危害可见一般。

图4　雷击瓷质棒式绝缘子闪络击穿图

图5　雷击AF线瓷质悬式绝缘子闪络击穿图

3　接触网主要的防雷方式

3.1避雷器防雷避雷器是连接在导线和大地之间的一种防止雷击的设备，通常与被保护设备并联。避雷器可以有效的保护电力设备，一旦出现过电压，避雷器产生作用，起到保护作用。当被保护设备在正常工作电压下运行时，避雷器不会产生作用，对地面视为断路。一旦出现高电压，且危及被保护设备绝缘时，避雷器立即动作，将高压电冲击电流导向大地，从而限制电压幅值，保护电器设备绝缘。当过电压消失后，避雷器迅速恢复到原来状态，使得系统能够正常供电。

接触网用避雷器应体积小、重量轻、结构简单、安装方便，其密封性、防爆性、耐污性、可靠性要求较高，不同于一般设置在变电所内的避雷器。目前接触网常用的避雷器为带脱离器的氧化锌避雷器，系统标称电压的有效值为27.5 kV，额定电压有效值为42 kV，持续运行电压有效值为34 kV，陡波冲击电流残压为138 kV，雷电冲击电流残压为120 kV，操作冲击电流残压为98 kV。虽然设置避雷器对提高接触网的防雷击水平有一定作用，但接触网上安装的避雷器保护范围约为250 m，保护范围有限，只能防止其保护范围内的接触网绝缘闪络；接触网用氧化锌避雷器大都采用带串联间隙的结构，其复合绝缘子长度短，污染条件下的工频电压耐受能力低可能会增加污闪事故率；如大密集安装避雷器则每年的预防试验和维修工作量极大，维修费用也将大大增加。

综上所述，接触网上安装避雷器的保护距离和发挥的作用有限，只能作为牵引供电系统防雷技术措施的一种补充，仅能对接触网高雷区的局部起防雷作用，未能覆盖整条线路的接触网。

3.2避雷针防雷避雷针由引雷器、接地引下线和接地体（接地极）这3部分串联组成。避雷针的引雷器是指避雷针顶端部分的金属针头。引雷器的位置都高于被保护的物体。接地引下线是避雷针的中间部分，是用来连接雷电引雷器和接地体的。接地引下线的截面积不但应根据雷电流通过时的发热情况计算，使其不会因过热而熔化，而且还要有足够的机械强度。接地体是整个避雷针的最底下部分。它的作用不仅是安全地把雷电流由此导入地中，而且还要进一步使雷电流在流入大地时均匀地分散开去。避雷针的工作原理就其本质而言，避雷针不是避雷，而是利用其高耸空中的有利地位，把雷电引向自身，承受雷击。同时把雷电流泄入大地，起着保护其附近高度比它低的建筑物或设备免受雷击的作用。

避雷针保护其附近高度比它低的建筑物或设备免受雷击是有一定范围的。这范围像一顶以避雷针为中心的圆锥形的雨伞，罩在雨伞里面空间的物体，可以免遭雷击，这是避雷针的保护范围见图6所示。

图6　单支避雷针保护范围图

3.2.1避雷针在地面上保护半径的计算〔2〕

计算避雷针在地面上的保护半径可用公式

式中：Rp为保护半径；

h为避雷针的高度；

P为高度影响因数。

其中，P的取值是：当h≤30 m，P＝1；当30 m≤h≤120 m时，P=5.5/h1/2；当h＞120 m时，只能取h= 120 m。

3.2.2被保护物高度hp水平面上保护半径的计算

1）当hp≥0.5 h时，被保护物高度hp水平面上的保护半径，

式中：Rp为避雷针在hp水平面上的保护半径；

hp为被保护物的高度；

ha为避雷针的有效高度。

2）当hp＜0.5 h时，被保护物高度hp水平面上的保护半径

由于考虑线路避雷针安装于支柱顶部的稳定性，避雷针本体一般高度仅为h=5～6 m（从柱顶算起）。无架空避雷线或地线线路加装避雷针，只能作为单位避雷针保护，其保护范围使用公式（3）计算，保护半径Rp=（h-hp）P=haP，一般小于10 m，保护范围较小。

且安装避雷针后，支柱落雷的概率将增大，直击、绕击减少而增加了反击的机会。由于避雷针的接地引下很难和支柱接地分开，钢支柱尤其如此，事实上，形成接触网绝缘子也频繁地承受因雷击避雷针而形成的反击电压。由于安装于支柱顶部，相当于增加了支柱高度，支柱越高，支柱的电感越大，流过支柱时雷电流产生的幅值越高，同时，支柱越高，大地的屏蔽作用越小，增强了反击对线路的危害。显然，考虑避雷针防雷不是最佳方案。

根据公式推算，避雷针的保户范围是局部的，与接触网的带状防雷范围不相符。

3.3避雷线防雷避雷线又称架空地线，架设在杆塔顶部1根或2根，用于防雷。架空输电线遭遇雷击时，可能打在导线上，也可能打在杆塔上。雷击导线时，在导线上将产生远高于线路额定电压的所谓“过电压”，有时达到几百万伏。它超过线路绝缘子串的抗电强度时，绝缘子将“闪络”，往往引起线路跳闸，甚至造成停电事故。避雷线可以遮住导线，使雷电流导入大地。避雷线的保护效果与它下方的导线与避雷线所成的角度有关，角度越小，保护效果越好。架设有2根避雷线的情况下，容易获得较小的保护角，线路运行时的雷击跳闸故障也少，但投资较大。

4　柳南客专接触网防雷加强建议

柳南客专接触网分布在旷野，伴随着铁路穿过高山、跨过平原，由于接触线高出地面，且大部分接触线架设在高架桥上，它对雷电先到的吸引作用很强。柳南客专采用AT供电方式，接触网的AF线悬挂位置高于T线，上下行线路的AF线对位于两者之间的T线构成屏蔽，T线引雷宽度较小，并随着雷电流幅值的增大而减小，考虑接触网的雷害防护时，重点针对AF线的雷害采取措施。

避雷器和避雷针的保护范围均是局部范围，与接触网带状防雷范围需求不相符。在外局或其他线路有将AT供电方式下的保护线采用柱顶方式安装，将保护线安装在AF线上方，保护线起到避雷线作用，可有效防雷。柳南客专进德至小平阳段现为AT供电方式，在支柱的田野侧AF线的下方架设有保护线，可将保护线升高至柱顶，兼起到避雷线作用，但此方式，对行车干扰较大，必须在线路封锁接触网停电的情况下进行施工，必须考虑电气过渡，施工难度较大。为此，综合考虑以上防雷方式，建议柳南客专防雷采用新架设避雷线方式，并且仅考虑AF线的防雷。

4.1避雷线安装高度的确定避雷线的保户效果取决于避雷线的安装高度。根据高铁接触网设备的特点，架空线只有在既有支柱上加装，架空地线的安装高度决定了其保护范围。世界各国对接闪器的保户范围的计算方法大体有滚球法、保护角法和网络法3种。我国GB 50057-2010《建筑防雷设计规范》规定接闪器采用滚球法计算〔3〕。

按照滚球法计算原理（如图7所示）：避雷针在hx高度的x x’平面和地面上的保护半径按下列方法确定：

式中：rx为避雷针在hx高度x-x’平面的保护半径；

hr为为滚球半径；

hx为被保护物的高度（m）；

图7　滚球法避雷线保护范围示意图

柳南客专安装直线段中间单腕臂安装（见图8所示），不难分析出，对于一般中间柱的AF线，在被保护AF线高度hx=7.2 m上，AF线被保护半径rx= 1.4 m（AF线水平安装间架与支柱水平距离按1.4 m计），可得避雷线的安装高度为9 m。在支柱位置，避雷线安装在支柱柱顶上方0.8 m即可。

图8　柳南客专示悬挂安装示意图

4.2避雷线的线材确定根据在电力系统中架空避雷线一般采用镀锌钢绞线。由于增设的避雷线的主要作用是防止雷击导线，为增大同截面导线的抗拉强度，建议采用电力系统常用的镀锌钢绞线作为避雷线。

按照防雷装置设计与安装要求，避雷线宜采用截面不小于50 mm2的热镀锌钢绞线。同时，为减小增设的避雷线对既有支柱容量的影响，避雷线的额定张力不能太大，推荐采用5 kN〔4〕。

4.3避雷线的固定形式由于柳南客专接触网PW线通过吸上线、H型钢柱等于综合接地系统相连，采用的是非绝缘安装形式。为使避雷线与综合接地系统及弱电设备相对隔离，推荐避雷线采用绝缘子悬挂的绝缘安装形式，并采用抱箍将避雷线支架与支柱的柱顶固定安装方式。

4.4避雷线的接地方式根据武广客专铁路新增避雷线接地经验，推荐采用每隔200 m进行接地设置〔4〕。为使避雷线接地与综合接地系统相对隔离，避雷线采用单独接地；路基区段避雷线接地引至路基外离路基20 m以外接至不大于10 Ω的独立接地极。桥梁区段如桥梁墩台不高，且桥下状况较好，推荐采用引下独立接地极。如独立接地极引下困难，可单独双引下连接至桥墩顶部预留的综合接地端子，同时拆除该桥墩与桥梁之间的接地连接，确保接触网防雷接地与铁路综合接地系统和信号防雷接地屏蔽分离；引下线采用70 mm2绝缘单芯铜缆，避免与综合接地系统的直接相连。