杭深高铁杭州供电段接触网防雷分析及其改进措施

张明锐张海龙许玉德张永健周成昆

杭深高铁杭州供电段接触网防雷分析及其改进措施

张明锐1张海龙1许玉德2张永健3周成昆4

（1.同济大学电子与信息工程学院，201804，上海；2.同济大学交通运输工程学院，201804，上海；3.上海铁路局供电处，200071，上海；4.中铁电气化铁路运营管理有限公司杭州维管段，310021，杭州//第一作者，教授）

我国客运专线以高架桥为主，接触网遭受雷击的概率较大。为了减轻雷电对接触网造成的危害，在分析国内外接触网防雷情况的基础上，引入了高速铁路电气几何模型（EGM）。通过对模型的分析计算以及与现有防雷措施的比较，同时结合杭深高铁杭州供电段的防雷现状，提出了杭深高铁杭州供电段接触网防雷的改进措施，得出了杭州供电段每百公里每年的雷击跳闸率，为杭州供电段制定相关防雷指标及改进方案提供了理论依据。

杭深高速铁路；接触网；防雷；雷击跳闸率

First-author′s address College of Electronics and Information Engineering，Tongji University，201804，Shanghai，China

杭深高速铁路客运专线是中国中长期铁路规划的“四纵四横”客运专线之一，其中杭甬高铁和甬台温客运专线供电由铁路杭州供电段管辖。

杭甬高铁是国家高速铁路网和规划建设中的长三角城际铁路网的重要组成部分。作为沿海高铁的一段，杭甬高铁西起杭州东站，向东经萧山、绍兴、上虞、余姚、庄桥，到达宁波站，设计时速350 km，全长约149.8 km，其中桥梁、隧道有121.8 km，占线路总长度的83%。

甬台温客运专线位于浙江省东部沿海地区，线路北起宁波市，经台州市南至温州市，北端经萧甬线与沪杭线、浙赣线连通，南端同金温线和温福线连接。设计时速为250 km，全长282.39 km，其中桥梁、隧道180.418 km，占线路总长度的63.8%。

由于杭深高铁杭州供电段内桥隧比大，使得引雷范围相较于普速铁路大大增加［1-2］，且大部分区域位于雷电多发区，在雷雨季节，极易因雷击造成接触网设备损坏，严重时甚至造成供电中断，给铁路的安全运行带来了较大隐患。

1 国内外接触网防雷情况

1.1 国外接触网防雷现状

日本和德国是目前世界上高速铁路相对较发达的国家，日本新干线是全世界第一条投入商业营运的高速铁路系统。在电气化铁路防雷设计中，日本根据雷击频度和线路重要程度，将其防雷等级划分为A、B、C三个区域，并规定了相应的防雷措施。A区为需全线架设避雷线的雷害严重区，属于重要线路；B区为需对雷害场所、重点设备进行防雷保护，在特别需要的场所，沿接触网架设避雷线，也属于重要线路；A、B区避雷器设置在牵引变电所出口，接触网隔离开关两侧，架空线与电缆连接处及架空线终端；C区为A、B区以外的区域，避雷器设置在牵引变电所出口，接触网隔离开关两侧及架空线与电缆连接处［3］。

德国铁路是欧洲铁路中具有代表性的铁路之一。实际测量结果表明，接触网每百公里每年的可能遭受的雷击次数仅为1次。由于雷击次数少，因此，仅在雷害严重区段加装避雷器，其他区段不设置避雷装置。因欧洲整体雷电活动强度较弱，故欧洲国家铁路防雷措施普遍较为简单［4］。

1.2 国内接触网防雷现状

我国高速铁路的接触网防雷设计主要参考TB 10621—2014《高速铁路设计规范》和TB 10009—2005《铁路电力牵引供电设计规范》两个标准。根据上述设计规范，通常在分相和站场端部绝缘锚段关节、长度2 km及以上隧道的两端、供电线上网点和需要重点防护的设备等多雷区及强雷区设置避雷器。在各牵引变电所、分区所和自耦变压器（AT）所设独立避雷针，但并未单独架设避雷线以防止直击雷。在《铁路电力牵引供电设计规范》中，对于防雷接地方式有：

（1）接触网支柱宜利用回流线或保护线作闪络保护地线的集中接地方式。

（2）当成排支柱不悬挂回流线或保护线时，可增设架空地线实现集中接地；零散的接触网支柱宜单独设接地极接地（有信号轨道回路区段），或通过接地线直接接钢轨（无信号轨道回路区段）。

（3）对于钢柱，回流线或保护线宜采用绝缘方式；对于钢筋混凝土支柱，回流线或保护线宜采用不绝缘方式，并应与支柱内部接地钢筋相连接。当设有综合贯通地线时，回流线或保护线均宜采用不绝缘方式。

（4）与回流线或保护线连接的吸上线在有信号轨道回路区段可直接接扼流变压器线圈中性点，在无信号轨道回路区段可直接接钢轨。

（5）避雷器应设接地极实现工作接地。

2 现有防雷措施及其模型

2.1 防雷措施

2.1.1 架设避雷线

避雷线通过其形成的扇形屏蔽区域防止直击雷，同时可降低雷电感应过电压的幅值。根据经验计算［5-6］，将避雷线安装在杆塔顶部，与横腕臂相距1.7 m，保护角为20°～30°，并与地线相连接（与支柱钢筋连在一起）。通过支柱底部接地孔接地，保证雷击过电压及时通过接地线泄漏至大地中，从而有效防止直击雷（安装示意图如图1所示）。

2.1.2 安装放电间隙

在腕臂绝缘子上加装放电间隙。接触网在遭受雷击时，保护间隙内的空气先被击穿，用于防止绝缘子在工频续流电弧的烧蚀下发生炸裂、破损等故障，并使重合闸成功，保证供电的可靠性。安装放电间隙具有结构简单，便宜等优点。但同时存在安装后会导致全线绝缘水平降低，雷击跳闸率上升的问题。

图1 避雷线安装示意图

2.1.3 增设避雷器

我国高速铁路主要采用无间隙氧化锌避雷器。在正常工作时，流过避雷器的电流极小；遭受雷击后，避雷器的非线特性发挥作用，流过避雷器的电流达数千安培，避雷器处于导通状态，释放过电压能量，从而有效防止过电压对接触网的侵害。避雷器具有防护效果好的优点，缺点在于成本较高。

2.2 每百公里每年的雷击跳闸率

高速铁路高架桥电气几何模型（EGM）如图2所示。考虑高架桥的影响，需在计算时将中间过程中的γe替换为γE，可得以下计算式［7］：

（1）感应雷击跳闸率

式中：

Ie（xa）和Ie（xc）——xa和xc点所对应的最小雷电流幅值；

ΔLa和ΔLc——田野侧与线路侧感应弧的投影长度；

Td——雷电日数；

γ——落雷密度；

f（I）——雷电流幅值I出现的概率；

η——建弧率；

Imax——当地可能出现的最大雷电流幅值。

（2）反击雷击跳闸率

式中：

xb-xa——反击时接触网的引雷范围；

Ig——引起接触网反击绝缘子闪络所需的最小雷电流幅值。

（3）绕击雷击跳闸率

式中：

xc-xb——绕击时接触网的引雷范围；

Ic——绕击时造成接触网直击跳闸所需的最小雷电流幅值。

图2 高速铁路高架桥电气几何模型

3 杭州供电段雷击跳闸情况分析

杭深高铁杭州供电段的6个变电所、33条供电单元的牵引供电雷击跳闸情况如表1所示。从表1可看出，2012年、2014年雷击跳闸数几乎占到跳闸总数的一半，分别为48.9%和49.3%，由此可见雷电导致的跳闸是该段牵引供电设备跳闸的主要因素之一。

表1 杭深高铁杭州供电段牵引供电雷击跳闸情况

3.1 变电所跳闸情况

图3为2012-2014年杭州供电段的6个变电所雷击跳闸比例图。2013年10月6—7日，苍南变电所受台风影响导致连续跳闸，排除该影响后，由图3可知，杭州供电段管内奉化、台州、温州南变电所雷击跳闸较多。针对奉化、台州、温州3个变电所的跳闸数据，其供电臂断路器跳闸次数统计如图4所示。

图3 2012—2014年各变电所雷击跳闸比例

图4 2012—2014年各变电所供电臂断路器跳闸次数

由图4可以看出，奉化变电所211、212、213、214号断路器，台州变电所213、214号断路器，温州南变电所211、212号断路器均属于受雷击影响跳闸多发的供电臂断路器。

3.2 供电臂雷击跳闸情况分析

近3年来，牵引变电所供电臂雷击跳闸集中度情况如表2所示。

表2 近3年来供电臂雷击跳闸集中度

从表2可以看出，同一供电臂因雷击跳闸2次及以上的在2012年有12次，2013年有17次，2014年有18次；1 km以内同时出现跳闸的在2012年出现6次，2013年出现8次，2014年出现5次。以上数据可以看出，在杭深高铁存在相对比较集中的雷击易发或多发区段。

通过2014年温州、宁波、台州的每月雷雨或雷暴天数与相应区段跳闸次数对比，得出如图5所示的关系图。

图5 2014年甬台温客运专线供电跳闸与雷雨/雷暴天气对比图

从图5的数据对比可看出，跳闸次数曲线与雷雨及雷暴天气数量曲线走向基本一致。由此可见，雷雨或雷暴天气对牵引供电设备跳闸有直接影响。

4 杭州供电段防雷现状与改进措施

4.1 避雷器与避雷针设置

杭州供电段在供电线上网处、长度超过2 km的隧道或隧道群两端、车站绝缘关节处和电分相处、牵引变电所高压进线侧、主变压器低压侧、2×27.5 kV与27.5 kV馈线侧、分区所进线侧、馈线侧等位置处设置了电气化专用氧化锌避雷器，以限制雷电波的幅值。在各牵引变电所、分区所和AT所设独立避雷针以防止直击雷对全所设备、架构及建筑物的袭击。

4.2 接地措施

（1）路基与桥梁上每个钢支柱接地孔通过接地线与附近综合地线端子连接。

（2）隧道内所有吊柱底座通过“上部接地跳线”接地连线与保护线（PW线）相连接，PW线每隔500 m通过“下部接地线”与隧道内的综合地线连接。

（3）架设车站内PW线与支柱绝缘通过车站人群聚集区，增设架空地线（GW）作为闪络保护地线和与相关支柱、设备等电位连接的贯通地线。作为闪络保护地线使用的PW或GW线每隔500 m接一次综合地线（优先采用）或不大于10Ω的接地极，地线终端下锚处双引双接地（接R≤10Ω独立接地级且优先接综合地线）。

由此可见，杭州供电段的接触网防雷与接地设计均符合TB 10621—2014和TB 10009—2005的相关设计指标。

4.3 雷击跳闸率

取复线上下行线路的中心距离为5 m，正馈线（AF）对地距离为8.34 m；承力索对地高度6.9 m；桥高10 m；AF线绝缘子U50%放电电压为315 kV；雷电流波前时间为2.6μs；年雷电日40 d。取雷电流概率密度函数为：

根据式（1）-（4）计算得：感应雷击跳闸率ngy= 0.060 375次/（100 km·a），反击雷击跳闸率ng=2.489 55次/（100 km·a），绕击雷击跳闸率nc=0.090 3次/（100 km·a），总的雷击跳闸率=2.640 225次/（100 km·a）。

计算结果接近于浙江台州110 kV、220 kV输电线路的雷击跳闸率［8］。相较于德国的防雷措施，杭州供电段具备更为完整的防雷体系［5］。但由于部分线路建设时间较早，对于雷电防护缺乏经验，因此，需要制定相应的改进措施，对这部分线路进行防雷改造。

4.4 改进措施

按照杭州供电段的实际情况，选取桥梁高度为10 m，雷暴日为30 d，将现有PW线安装位置抬高兼作避雷线，分别计算抬高前后AF线和传输线（T线）的闪络次数。设PW线高于AF线1.5 m，保护角α=10°，根据式（5）计算［9］的结果如表3所示。

式中：

P（I）——雷电流幅值概率分布函数；

D（I）——导线暴露宽度函数；

Ilimit——线路最小耐雷水平；

Imax——最大雷电流，不受导线屏蔽时取为300 kA；

Ng——地闪密度，指在统计区域内一年平均每平方公里发生的云地放电次数。

表3 防雷改进前后直击雷闪络频率对比次（/100 km·a）

对比表3中PW线抬高前后AF线和T线的闪络频率，可知将PW线抬高后，直击雷对AF线和T线的影响大大降低。

5 结语

根据对杭深高铁杭州供电段雷击跳闸情况的分析，可知杭州供电段的整体防雷情况较好，每百公里每年的雷击跳闸率为2.640 225次。建议杭州供电段在雷电多发区将回流线或保护线适当抬高兼作避雷线，以减小直击雷对AF线和T线的影响。制定高铁每100 km每年雷击跳闸率指标要求，用于防雷系统综合评价的指示体系。

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Analysis of Lightning Protection for Hangzhou-Shenzhen High-speed Railway Overhead Catenary System and Improvement Measures

ZHANG Mingrui，ZHANG Hailong，XU Yude，ZHANG Yongjian，ZHOU Chengkun

Most of passenger dedicated lines in China are primarily viaduct lines，resulting in higher probability of lightning stroke on the catenary.In order to reduce the harm caused by lightning，EGM(electro-geometric model)of high-speed railway is introduced based on the analysis of catenary lightning protection methods both in China and abroad.By analyzing the EGM and compared with the existing lightning protection methods，improved lightning protection measures of Hangzhou power supply section are proposed according to the current situation.The lightning trip-out rate of 100 km/year on this line is also calculated，providing a theoretical basis for Hangzhou power section to develop the related lightning protection indexes and scheme improvement.

Hangzhou-Shenzhen High-speed Railway；overhead catenary；lighting protection；lighting trip-out rate

TU895；TM922.5

10.16037/j.1007-869x.2017.08.034

2016-04-15）