广深铁路沿线雷电活动分析

张志访，卓建洪，赵紫辉，曹晓斌，吴广宁

0 引言

根据国内铁路牵引供电系统运营部门统计数据，目前已开通了近2.6万km电气化铁路[1]，随着运营里程的增加以及高速、重载专线的快速发展，提高牵引供电系统接触网耐雷性能、减少雷击故障跳闸率，保障电气化铁路运输的安全有着重要的意义。

广东省部分地区年雷暴日超过100 d。由于雷电活动频繁，广深公司管内电气化铁路自开通以来一直深受雷害的影响。雷击支柱顶部后，雷电流通过支柱内部的钢筋流入大地时使钢筋发热，从而导致支柱烧伤开裂。根据不完全统计，2004—2009年，广深线更换雷击损坏支柱109根、更换绝缘子97处，因此雷害已严重威胁到广深线的安全运行，并已带来了极大的经济损失，因此需要对其进行防雷研究以提高广深铁路接触网的耐雷水平。本文通过对广深铁路沿线雷电活动情况分析，确定其雷电流幅值分布范围以及防雷的目标。

1 广深铁路沿线地形情况

Google Earth是一款Google公司开发的虚拟地球仪软件，它将卫星图片与全球卫星定位数据、地理信息系统、图形、视频流以及3D等技术结合在一起，为用户实时提供三维空间信息和数据。地形地貌对架空线路防雷的影响，主要是地面倾角对杆塔耐雷水平的影响[2]。图1为基于Google Earth软件的广深铁路沿线卫星地图。

图1 广深铁路沿线卫星地图

从图1可以看出，广深线位于珠江下游冲积平原，地势较为平坦，受亚热带海洋气候的影响，雷电活动较为频繁。广深铁路沿线没有山丘，四周相对海拔较小，缺乏起屏蔽作用的地形。

2 雷电活动分析

由于广深铁路沿线地处广东省范畴，其雷电特征与广东省雷电分布有着内在的联系，本文先从广东省雷电分布情况入手，进而分析广深线的雷电分布规律，以便找到两者之间的异同，更切合实际的确定防雷目标。

2.1 广东省雷电活动情况分析

（1）雷电活动分布。由于广东省的雷电数据样本巨大，并且雷电数据本身具有空间属性，因此可以选用地理信息系统（GIS）来处理该数据，运用ArcGIS软件对广东省的电子地图进行截取，从而得到广东省的雷电活动情况，然后通过网格划分法可以得到不同地区的落雷次数，图2为2008年7月份广东省雷电活动分布情况。

图2 广东省2008年7月落雷次数分布图

（2）雷电流幅值分布。通过对广东省10年间（1998—2008年）的30 667 055个雷电流幅值数据进行分析，得到广东省雷电流幅值分布如图3所示。

通过对图 3曲线拟合得到广东省雷电流幅值概率计算公式为

式中，P为雷电流幅值概率；I为雷电流幅值，kA。

（3）雷电流幅值概率密度。分布函数无法直观地得到某一个雷电流幅值范围内的实际落雷情况，因此本文计算了广东省雷电流概率密度曲线如图4所示。

图3 广东省雷电流幅值分布图

图4 广东省雷电流概率密度曲线图

其对应的雷电流概率密度

2.2 广深铁路沿线雷电活动情况分析

（1）雷电流幅值概率密度。通过广深公司测得的卫星定位数据，以广深线为中心，以雷电监测系统的精度（1 km）为半径，可得影响广深线的雷电活动区域（见图5）。

图5 影响广深线的雷电活动区域图

同样利用ArcGIS对10年间（1998—2008年）的雷电活动数据进行筛选，得到广深线雷电流概率密度曲线如图6所示。

图6 广深线雷电流概率密度曲线图

比较图6与图4，二者外形比较相似，90%的雷电流幅值分布在80 kA以下，但二者并不重合，图4的峰值发生在20 kA左右，而广深线的雷电流概率峰值在40 kA。由于广深线经过的地方土壤电阻率普遍较低，因此雷电流分布的平均值比广东省的平均值要高。

（2）雷电流幅值分布。根据雷电活动数据，同样可以得到图7所示的广深线雷电流幅值分布。

图7 广深线雷电流幅值分布曲线图

通过对图7曲线拟合，得到广深线雷电流幅值概率

根据式（3）计算得到广深线主要雷电流幅值分布表（见表1）。

表1 广深线主要雷电流幅值分布表

从表1中可以看出，雷电流幅值大于80 kA的概率小于10%，大于45 kA的概率为50%。

3 广深铁路雷电防护

3.1 防雷目标

由于广深铁路处于珠江下游冲积平原，地势较为平坦，根据广深铁路2004—2008年的运行资料显示，很多区间与站场均发生过支柱烧伤或绝缘子闪络以及跳线烧伤的现象。通过比较发现这些遭受雷击的支柱所处地形具有相同的特点，即均处于田野之中，而且附近缺乏建筑物。因此，这些支柱将被列为重点防护支柱。

根据广深铁路历年雷害情况，结合其雷电活动特点以及Google Earth软件对地形的筛选，确定防雷重点改造区段。其中以吉山—下元区间、下元—仙村区间、仙村站、仙村—石龙区间、石滩—石龙区间以及茶山—东莞区间的雷害现象最多，为重点防护区段。图8为吉山—东莞三维卫星地图。

图8 吉山—东莞三维卫星地图

3.2 防雷措施

接触网防雷的主要方法有降低接地电阻、增设线路避雷器、架设避雷线（针）和提高绝缘等级[3]。降低接地电阻可以有效地提高线路的耐雷水平，当接触网的支柱形式、尺寸与绝缘子型式和数量确定后，影响接触网反击耐雷水平的主要因素则是杆塔的接地电阻；增设线路避雷器对防止雷直击导线、雷击塔顶或避雷线的反击、绕击等方面是非常有效的，但考虑其经济性和局限性，一般在雷电特别严重地区增设避雷器；架设避雷线可以有效降低接触网遭受直击雷的概率，同时也可以降低绝缘子因感应过电压而击穿闪络的概率，从而大幅度提高接触网的耐雷性能；提高线路绝缘等级，其U50%闪络电压上升，可以在一定程度上提高线路的耐雷水平，但由于提高幅度有限，因此绝缘子的选择主要按照线路的污秽等级进行，而在防雷应用中不必特意考虑。

综上所述，针对广深铁路的防雷目标，得出以下雷电防护措施：重点防护支柱建议架设避雷针或避雷器并进行接地改造；防雷重点区段建议全线架设避雷线，并合理增设避雷器，同时进行接地改造。

4 结论

通过对广深铁路沿线的雷电流分布情况进行分析，其雷电流幅值分布与广东省的雷电流幅值分布既有相同之处，也存在着区别。二者相同之处是其雷电流幅值分布曲线的形状相同，具有相同的变化趋势，而且90%以上的雷电流幅值小于80 kA；不同之处是广深铁路沿线的雷电流幅值比广东省偏高，其平均值为45 kA，而广东省的雷电流幅值的平均值约为22 kA。因此在制定广深铁路接触网防雷措施时，按照广东省的雷电数据进行计算将会产生较大的误差，这就要求必须按照广深铁路沿线的实际雷电参数进行计算。

[1]孙珂，李勇.电气化铁路供电工程建设中存在的问题及相关建议[J].能源技术经济，2010，22（2）：40-41.

[2]曹晓斌，马御棠，吴广宁，等.利用地形参数计算超高压输电线路绕击跳闸率[J].高电压技术，2010，36（5）：1178-1182.

[3]于增.接触网防雷技术研究[J].铁道工程学报，2002，（1）：89-94.