城际铁路接触网雷电安全评估及防护措施研究

曹建设 隋延民 宫衍圣 刘长利 李庆军

(中铁第一勘察设计院集团有限公司电气化处，710043，西安∥第一作者，高级工程师)

接触网作为向电力机车供电的特殊形式的输电线路，具有露天布置、工作环境恶劣、无备用的特点。铁路沿线所经地区地理、气候条件复杂，接触网极易遭受雷击而影响运输安全。珠三角城际铁路地处雷电灾害的重灾区，年平均雷暴日87.6天，部分地区年雷暴日高达127天;且高架桥比例很高，更易遭受雷击。本文结合广佛环线进行牵引网雷电安全评估及防护措施研究。

1 牵引网雷击过电压的分类

按雷击点的不同，可以将雷击过电压划分为直接雷击过电压和感应雷击过电压。直接雷击过电压是雷电直接击中承力索、回流线或架空地线、支柱、软(硬)横跨引起的线路过电压。根据雷击线路部位的不同，直接雷击过电压又分为两种情况:一种是雷电直接击中接触网支柱顶部，瞬时升高的电位可能超过接触网绝缘子承受电压的能力，会向接触网导线放电，这种在正常工作状态下的低电位点向高电位点放电现象称为反击;另一种是直接击中承力索(无避雷线时)或绕过避雷线(屏蔽失效)击中导线，直接在导线上产生过电压，称之为绕击。线路附近的地面落雷，在线路上产生感应雷击过电压。

牵引网绝缘耐受雷电冲击电压的能力有限，无论雷电直接击中导线或者雷击线路附近地面，雷电过电压都可能超过接触网的绝缘承受能力，导致线路绝缘放电，引起线路跳闸［1］。为了考核和评价接触网耐受雷电的能力，比较接触网的不同防雷设计方案或防雷改造措施前后的技术性能和效果，首先需要研究接触网雷电安全评估方法。

2 牵引网雷电安全评估方法

TB 10009—2005《铁路电力牵引供电设计规范》规定:年平均雷暴日超过60天的强雷区应架设独立避雷线。一般而言，年平均雷暴日多的地区，牵引网雷电事故发生的频率更高。然而，影响牵引网雷电事故频率的因素很多，单纯以年平均雷暴日的高低来评估是否采取必要的防雷措施值得商榷。

日本在接触网防雷方面取得了比较成功的经验。其针对雷击频度及线路重要程度，将线路所在地区划分为A、B、C 3个区。对于划分为A区的雷害严重且重要的线路，全线采用架设避雷线的防雷措施。在牵引网雷电安全评估上，建议采用牵引网耐雷水平及雷击跳闸率来评价牵引网的雷害程度。

2.1 牵引网耐雷水平及雷击跳闸率

2.1.1 雷电直击接触网支柱顶部

雷电直击接触网支柱顶部时，同一支柱上平腕臂和斜腕臂绝缘子上的雷电过电压，谁先达到自己的50%冲击放电电压，谁就先放电，两者的最小值为雷电直击接触网支柱顶部情况下的接触网耐雷水平。

平腕臂的绝缘子耐雷水平Ip为:

式中:

U1——支柱平腕臂绝缘子50%冲击闪络电压;

β——支柱分流系数;

Rc——接触网支柱的等值冲击接地电阻;

τf——雷电流波头时间;

L0——接地引下线的单位长度等值电感;

hp——支柱上平腕臂绝缘子接地端对地距离;

hg——接地引下线的长度;

hc——承力索对地平均高度;

hr——回流线对地平均高度;

k0——回流线与接触网之间的几何耦合系数，考虑电晕修正系数，k≈1.15k0。

斜腕臂的绝缘子耐雷水平Ix为:

式中:

U2——支柱斜腕臂绝缘子50%冲击闪络电压;

hx——支柱上斜腕臂绝缘子接地端对地距离;其余变量同上。

2.1.2 雷电直击接触网承力索

雷电直击接触网承力索时的耐雷水平I0为:

式中:

Um——支柱绝缘子最小冲击闪络电压，取U1和U2的最小值;

z——接触网波阻抗。

2.1.3 直击雷引起每年实际发生的跳闸次数

直击雷引起每年实际发生的线路跳闸次数n1为:

式中:

N——线路上每年落雷总数;

η——建弧率;

g1，g2——分别为击柱率和击线率;

p1——超过雷击接触网支柱时耐雷水平的雷电流概率;

p2——超过雷击承力索时耐雷水平的雷电流概率;

T——线路所在地区平均雷电日;

γ——地面落雷密度，γ =0.023 × T0.3;

be——复线接触网等值受雷宽度，be=b+2d+4hs，其中b为线间距，d为架空地线距离支柱中心的距离，hs为线路最上层导线的对地平均高度。

除了陕南以外的西北地区、内蒙古自治区的部分地区，我国一般地区雷电流幅值超过I的概率P可按下式计算:

2.1.4 接触网附近地面落雷引起每年实际发生的雷击跳闸次数

接触网附近地面落雷引起每年线路实际发生的雷击跳闸次数n2为:

式中:

bs——线路单侧等值受雷宽度;

其余变量同上。

2.2 分流系数及雷电击柱率

2.2.1 高架区段支柱分流系数的计算

对于非高架区段，文献［1］给出了雷击有集中接地引下线(吸上线)连接点的支柱分流系数。对于高架区段，因线路的支柱接地引下线长度和相邻两接地引下线之间的架空地线长度相差不大，因此，计算分流系数的等值电路需考虑接地引下线的影响。

高架区段支柱分流系数等值电路如图1所示。

图1 高架区段支柱分流系数等值电路

计算雷电流分流系数β的等值方程为:

式中:

Rg——接地引下线的等值冲击接地电阻;

L0——接地引下线的单位长度等值电感;

hg——接地引下线长度;

L——相邻两根支柱间回流线的等值电感。

需要说明的是，对于高架区段采用钢支柱及综合接地技术的客运专线及城际铁路，需用钢支柱相关参数取代接地引下线参数。

由式(8)可推出分流系数(为便于计算，取t=τf/2):

2.2.2 击柱率和击线率的计算

由于支柱和架空地线的绝缘很低甚至不存在，在雷电直击的情况下，它们可以看作是物理连接的一个整体，故在分析牵引网的雷击屏蔽范围时将雷击支柱的情况归为雷击架空地线(回流线)［2］。广佛环线牵引网的雷电屏蔽范围见图2(导线高度考虑了高架及地面线路的平均高度21.27 m)。

复线牵引网的击柱率为架空地线(回流线)的雷电屏蔽宽度l1与整个牵引网的雷电屏蔽宽度l1+l2之比。

图2 牵引网的雷电屏蔽范围

2.3 广佛环线牵引网雷电安全评估

根据上述牵引网雷电安全评估方法，广佛环线雷电直击承力索时的耐雷水平为4.498 kA，雷电直击接触网支柱时的耐雷水平为33.593 kA，直击雷引起的跳闸次数为5.636次，地面落雷引起的雷击跳闸次数为4.732次，每年实际雷击跳闸次数合计10.368 次。

目前国际、国内已颁布的防雷标准均不适用于铁路系统。铁路标准中也没有专门针对防雷的标准，仅在TB 10009—2005中规定:年平均雷暴日超过60天的地区，应架设独立避雷线。其它条件不变的情况下，年平均雷暴日60天时，广佛环线每年对应的雷击跳闸次数为6.339次。广佛线起码应将其作为控制目标，即将每年跳闸次数控制在6次以内。

3 接触网防雷保护措施及效果分析

在牵引网雷电安全评估、确定线路雷害程度的基础上，根据线路的重要程度，适当考虑景观要求，结合隧道、地形、风口等因素，争取以最小的投资代价，将接触网雷击跳闸率限制在可接受的范围之内。

到目前为止，还没有一种装置(或方法)能阻止雷电的产生，也没有能够阻止雷击到接触网上的器具和方法，采用金属材料接闪、引下并导入大地是目前唯一有效的防雷方法。适合接触网防雷保护的措施有降低接触网支柱的接地电阻、设置避雷器、安装避雷线。

3.1 降低支柱的接地电阻

降低支柱的接地电阻，是减少雷击支柱顶部引起反击、提高线路耐雷水平的最简单有效的方法。

由于冲击幅值大、陡度高的雷电流会使得接地装置周围的土壤发生电离，并呈现非线性与频率变化特性，因此采用冲击接地电阻来表征接地体的暂态电阻特性。输电线路冲击接地电阻一般采用工频接地电阻乘以冲击系数的方法来确定。冲击系数根据模拟试验方法获得［3］。也有文献给出了接地电阻和冲击接地电阻的关系式［4］。单独接地体的冲击系数可按SDJ 8—1979《电力设备接地设计技术规程》选取。对于采用综合接地系统的城际铁路，尚未见国内外文献有冲击接地电阻试验的相关报道，建议尽快开展相关技术研究。出于保守考虑，计算时冲击系数暂取1。

雷击广佛环线的接触网支柱顶部时，不同阻值的冲击接地电阻与雷击支柱顶部牵引网耐雷水平及直击雷引起的跳闸率的关系分别见图3、图4。

图3 冲击接地电阻和雷击支柱牵引网耐雷水平的关系

图4 冲击接地电阻和雷击支柱引起的雷击跳闸率的关系

从图3、图4可以看出，接触网冲击接地电阻越大，雷击支柱的牵引网耐雷水平越低，引起的雷击跳闸率越高。因此，需确保高架区段的接触网支柱接入综合接地系统的可靠性，否则其将成为雷击危害的薄弱环节。

3.2 接触网防雷采用避雷器的探讨

3.2.1 相关规范对接触网采用避雷器的规定

TB 10009—2005等设计规范对接触网上采用避雷器做出了相应规定。对于高雷区及强雷区:由于站场咽喉部位允许对接触网进行检修的时间有限，分相供电臂末端可能出现雷电行波发生全反射使过电压提高一倍，且分相和站场部绝缘锚段关节结构复杂，更换和维修相对困难，因此分相和站场端部绝缘锚段关节应设避雷器;长大隧道湿度大，绝缘子容易积污，而且隧道内接触网检修困难，因此长达2 000 m及以上的隧道两端应设避雷器;为了避免接触网中的雷电过电压侵入到牵引变电所，较长的供电线或正馈线连接到接触网上的接线处应设避雷器。这些规定对接触网防雷设计起到了重要的指导作用。

3.2.2 接触网全线采用避雷器的防雷效果

金属氧化物避雷器(MOA)在防止雷电直击导线或杆塔，以及避雷线的反击、绕击等方面是非常有效的。然而，国内外研究结果均表明:线路避雷器并不适合广阔区间的分散式安装，应该在雷击比较密集的地点采取密集的安装方式［5－6］。全线大规模采用氧化锌避雷器会带来如下问题:

(1)高密集地安装避雷器，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。

(2)我国电气化铁道沿线都属严重污秽地区，隧道和站场等个别区段属污秽特别严重地区，不存在轻污区［7］。污秽条件下，避雷器的工频电压耐受能力低，其大量安装在接触网上，必然增加污闪事故率［8］。

(3)避雷器自身故障率不可忽略。2005年，广东某供电局62个10 kV配网避雷器共发生故障62次［9］。什邡供电局经过对2005—2007年配网系统故障的原因分析后发现，有近30%的故障原因都是由于避雷器自身故障造成的［10］。电气化铁道用的金属氧化物避雷器也存在着硅橡胶外套接缝开裂、电阻片老化、瓷外套MOA密封失效受潮等问题。若按照文献［11］考虑避雷器自身故障率为0.5%，则广佛环线20.02 km的露天线路避雷器每年发生的故障将超过4次，达到雷电安全评估年实际雷击跳闸次数(10.4次)的近40%。

因此，接触网全线大规模采用避雷器并不能取得预期的防雷效果，建议在电分相、车站绝缘锚段关节处、长隧道两端等重要场合适量安装。

3.3 避雷线的屏蔽效果及保护角的确定

防雷如同防洪，有选择性地人为提供一条雷电流入地的良好通道，是防止雷电直击的基本方法。经过国内外长期工程实践考验的直击雷防护装置有避雷针和避雷线。其中，避雷针作为一种主动式接闪装置，不适用于沿狭长地带分布的接触网防雷。

电力部门35 kV及以下电力线路一般不沿全线架设避雷线。虽然可以将牵引供电系统的绝缘等级等同于电力部门的35 kV线路，但由于牵引供电系统的重要程度远高于电力部门的35 kV及以下线路，因此要求接触网具有更高的可靠性［12］。

3.3.1 避雷线的屏蔽效果

避雷线与大地相连保持地电位，可以看作将一部份“大地”引入导线的近区。对于静电感应，其影响是增大了导线的对地电容而使导线对地电位降低;对于电磁感应，其影响相当于在导线—大地回路附近增加了一个地线—大地的短路环，因而抵消了一部分导线上的电磁感应电动势。因此，由于接地避雷线的电磁屏蔽作用，会使导线上的感应过电压降低。感应过电压降低的倍数就是避雷线与接触网之间的几何耦合系数。广佛环线按照图5加高肩架3 m的情况下，感应过电压可降低28.43%。

3.3.2 避雷线保护角的确定

避雷线的保护作用在于引雷击自身，以保护导线不受直击。但这种保护作用并非100%有效，绕击率是衡量避雷线保护作用的重要参数。

线路运行经验、现场实测和模拟试验均证明，雷电流绕过避雷线直击导线的概率与避雷线对边导线的保护角、杆塔高度，以及线路经过地区的地形、地貌、地质条件等有关。我国电力部门规定避雷线对边导线的保护角一般采用20～30°。日本国铁在重雷区采用避雷线进行直击雷防护，其保护角定为45°。DL/T 620－1997推荐，对平原线路，绕击率Pa和保护角a、杆塔高度ht的关系式为:

广佛环线可参照日本国铁单独架设避雷线的安装方式，在接触网钢支柱上方加高肩架(见图5)。

由于承力索和支柱中心的距离确定，肩架的高度h1随着a的减小而增大，两者的关系为:

结合式(10)和(11)，可得出桥高21.27 m时绕击率随肩架高度变化的关系，如图6所示。

图5 接触网避雷线安装示意图

图6 广佛线环线绕击率与肩架高度的关系

因此，桥高21.27 m的情况下，推荐在接触网钢支柱上方加高肩架3 m，其对应的避雷线保护角约为44.56°，此时绕击率可降低到0.1左右。

需要特别说明的是，若将绕击率控制在一定数值下，高架桥越高，需要增加的肩架高度也越高，保护角需要控制得更小。反之亦然。这就要求在设计时，根据具体情况进行计算，确定合理的保护角大小，最终将绕击率控制在能接受的范围内。

4 结语

(1)本文给出了牵引网雷电安全评估方法，建议采用牵引网耐雷水平及雷击跳闸率评价接触网的雷害程度。降低支柱的接地电阻，是减少雷击支柱顶部引起反击、提高线路耐雷水平的最简单有效的方法。避雷器只建议在电分相、车站绝缘锚段关节处、长隧道两端等重要场合适量安装。

(2)避雷线的电磁屏蔽作用会使导线上的感应过电压降低，但避雷线防范直击雷并非百分之百有效。绕击率是衡量避雷线保护作用的重要参数。研究结果表明:若将绕击率控制在一定数值下，高架桥越高，需要增加的肩架高度也越高，保护角则需要控制得越小。因此，在设计及制定相关标准时，需根据具体情况进行计算，确定合理的保护角大小，最终将绕击率控制在能接受的范围内。

(3)牵引网防雷技术研究必须结合大量的统计分析资料，建议相关部门尽快统一组织开展冲击接地电阻研究及牵引供电系统防雷标准的制定。

［1］刘明光.铁道电网过电压分析与防护［M］.北京:北京交通大学出版社，2009.

［2］刘靖.牵引网雷击跳闸研究［D］.北京:北京交通大学，2009.

［3］何金良，曾嵘，陈水明，等.输电线路杆塔接地装置冲击系数及其拟合计算公式［J］.清华大学学报:自然科学版，1999，39(5):9.

［4］Juan A Martinez-Velasco，FereleyCastro-Aranda.Modelingof overhead transmission lines forlightning studies［C］∥International Conference on Power Systems Transient(IPST’05).Montral Canada，2005.

［5］张雪原.接触网线路避雷器不同安装方式的防雷效果［J］.电气化铁道，2010，25(2):35.

［6］Mcdermott T E，Short T A，Anderson J G，et al.Lighting protection of distribution lines［J］.IEEE Trans on PWRD，1994，1(9):136.

［7］郭晨曦.交流27.5 kV牵引供电系统的绝缘配合［J］.电气化铁道，2005(增刊):162.

［8］刘明光，李光泽，孔中秋，等.论接触网上避雷器的应用［J］.电气化铁道，2005(5):28.

［9］区伟潮.10 kV配电用避雷器故障分析［J］.高电压技术，2006，32(7):127.

［10］王清政.关于10 kV氧化锌避雷器故障率高的对策［J］.四川水利发电，2008，27(6):153.

［11］姜舟，何金良.采用避雷器防止绝缘导线配电线路的断线事故分析［J］.电瓷避雷器，2001(5):32.

［12］于增.接触网防雷技术研究［J］.铁道工程学报，2002(4):89.