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電氣化鐵路接觸網(wǎng)防雷技術(shù)及措施淺析
摘要：雷電在電氣化鐵路接觸網(wǎng)設備運行危害嚴重，極易造成設備損壞絕緣破壞引發(fā)跳閘甚至中斷供電故障，本文在對雷電機理、形成原因及分類(lèi)研究的基礎上，針對防止雷害的主要因素制定預防對策和技術(shù)措施，對電氣化鐵路的防雷探索和現場(chǎng)實(shí)施具有指導意義。
關(guān)鍵詞：電氣化鐵路;防雷;措施;接觸網(wǎng)
一、概述
電氣化鐵路在運輸系統中逐漸承擔起明顯重要的作用，但接觸網(wǎng)設備周邊環(huán)境的變化和日常極端惡劣天氣不斷增多，接觸網(wǎng)設備因雷擊引發(fā)跳閘故障日漸頻繁，給供電設備的安全運行埋下隱患。如何防治雷擊引發(fā)的閃絡(luò )造成接觸網(wǎng)設備跳閘成為電氣化鐵路發(fā)展的重要部分之一。本文著(zhù)重從雷電機理、形成原因進(jìn)行分類(lèi)研究的基礎上，結合管內電氣化接觸網(wǎng)雷害故障的實(shí)際情況，針對防止雷害的主要因素預防對策和技術(shù)措施進(jìn)行研究。
二、雷電產(chǎn)生的起源和過(guò)程
根據統計在我們生活的地球整體范圍內，雷電生成的頻率十分可觀(guān)，隨時(shí)地球上都約有兩千多個(gè)地點(diǎn)正遭受雷暴，每秒鐘地球就有上百次雷電，眾所周知我們生活的地球是大電容體，空氣中的水滴(或冰晶、雹粒等)在地球的大氣電場(chǎng)中形成感應電荷，下端為正電荷、上端為負電荷，與大氣中上升的負離子的電荷中和，使水滴帶負電，形成雷(雨)云起電后的電荷分布。雷電放電實(shí)質(zhì)上是一種超長(cháng)氣隙的火花放電，它所產(chǎn)生的雷電流高達數十、甚至數百千安，從而會(huì )引起巨大的電磁效應、機械效應和熱效應。
三、雷電表現的方式和分類(lèi)
雷電的形式分為枝狀閃電、帶狀閃電、叉狀閃電、片狀閃電、球狀閃電、聯(lián)珠狀閃電。
按空間位置分類(lèi)。云閃：云內閃電和云際閃電(兩片云之間)。地閃：俗稱(chēng)落地雷，是日常防雷主要研究對象。
接觸網(wǎng)雷擊主要分為直擊雷擊、感應雷擊兩種形式。直接雷擊：雷云直接對接觸網(wǎng)供電設備放電。感應雷擊：雷云通過(guò)靜電感應或電磁感應在接觸網(wǎng)附近的支撐裝置、接觸懸掛、附加導線(xiàn)上產(chǎn)生感應電壓。
四、接觸網(wǎng)雷擊具體案例
在我國電氣化鐵路接觸網(wǎng)設備由于雷擊造成的跳閘可達到30%-60%，而高速電氣化鐵路比率更高。高鐵線(xiàn)路地處空曠地帶，多采用高架橋方式，線(xiàn)路兩側高大建筑物少，因此對于雷電來(lái)講目標比較突出。在強對流、雷暴天氣高鐵接觸網(wǎng)受雷擊跳閘情況比較突出。根據統計，僅2014年我國全路34條電氣化鐵路就發(fā)生設備雷擊跳閘就達到1214件，尤其是處于山區、橋梁等地形環(huán)境復雜的地區，雷擊引發(fā)的跳閘故障率更高。
以管內開(kāi)通的某高速鐵路線(xiàn)路為例，此高速鐵路長(cháng)413.363km，全線(xiàn)正線(xiàn)采用AT供電方式，聯(lián)絡(luò )線(xiàn)、動(dòng)車(chē)走行線(xiàn)采用直接供電方式。自2014年7月1日開(kāi)通以來(lái)，共發(fā)生26起雷擊引起設備損壞的事故。占故障總跳閘的比例達57.7%。
其中典型案例有：
4.1 區間對向下錨正饋線(xiàn)燒傷(圖1)
4.2 正饋線(xiàn)對向下錨處絕緣子閃絡(luò )(圖2)
4.3區間對向下錨處正饋線(xiàn)對絕緣子放電(圖3)
五、接觸網(wǎng)雷擊特點(diǎn)分析
5.1 按接觸網(wǎng)雷擊部位來(lái)看
從雷擊接觸網(wǎng)設備部位分類(lèi)統計來(lái)看，對接觸網(wǎng)附加線(xiàn)、支撐裝置的平腕臂、斜腕臂絕緣子、站場(chǎng)軟橫跨承力索端部絕緣子、接觸懸掛下錨絕緣子、避雷器等均發(fā)生過(guò)雷擊閃絡(luò )擊穿，其中尤其是正饋線(xiàn)和斜腕臂絕緣子可占到雷擊閃絡(luò )的50%以上。
5.2 接觸網(wǎng)結構方面分析
區間正饋線(xiàn)的安裝高度在距離軌面10.3m處，其下方2m才是接觸懸掛，在雷電面前正饋線(xiàn)相當于為接觸懸掛起到了防護作用，雷擊比例大大增加。站場(chǎng)軟橫跨橫承力索端部絕緣子基本在13―15m的位置處，處于最高的地方，也成為了雷擊的首要對象。
5.3 從雷害后果分析
�、俳佑|網(wǎng)絕緣子破碎、損傷。接觸網(wǎng)防污式絕緣子的雷電沖擊耐受電壓水平懸式絕緣子為300kV、棒式絕緣子為270kV，但該絕緣水平只表現于新線(xiàn)建成的較短時(shí)間內。由于接觸網(wǎng)安裝高度低，周?chē)廴疽蛩囟�，隨著(zhù)運營(yíng)時(shí)間的增長(cháng)，絕緣子污染嚴重和老化導致絕緣水平不斷降低，這也是接觸網(wǎng)遭雷擊后絕緣子常被擊穿的主要原因。
�、诔辛λ鲾嗑�(xiàn)、接觸線(xiàn)燒損。無(wú)論直擊或繞擊，最終結果都是在接觸網(wǎng)線(xiàn)索上形成超高過(guò)電壓，由于不能及時(shí)泄流時(shí)就會(huì )燒損線(xiàn)索。
�、壑е斆绷褤p、肩架金具因電流燒損等。由于支柱高于接觸網(wǎng)其它部分，所以更容易成為雷擊首要部位，造成設備損壞。
�、鼙芾灼鲹舸┑�。由于避雷器的接地條件多樣，而鐵路接地隨著(zhù)運行時(shí)間增長(cháng)條件惡劣，部分接地銹蝕嚴重加上鐵路沿線(xiàn)地質(zhì)環(huán)境因素，使得接地電阻較大，無(wú)法達到設計要求。感應雷擊造成過(guò)電壓后，避雷器的最大殘壓值大幅提高，可能會(huì )造成絕緣子閃絡(luò )及擊穿。
六、防雷現狀情況分析
6.1目前電力系統防雷策略及其技術(shù)對策
中國電力網(wǎng)采用的防治雷害措施是以對雷電加強監測為指導，電力系統構建雷電監測研究平臺，實(shí)現了對雷電發(fā)生情況的實(shí)時(shí)監控。同時(shí)采取差異化的防雷手段，從而實(shí)現大力減少雷擊的目的。電力系統輸電線(xiàn)路防雷目標是提高線(xiàn)路的耐雷特性，降低線(xiàn)路的雷擊跳閘率。電力系統在研究確定線(xiàn)路防雷方式時(shí)，綜合考慮系統的運行方式、線(xiàn)路的電壓等級、重要程度、線(xiàn)路經(jīng)過(guò)地區的雷電活動(dòng)的強弱、地形地貌特點(diǎn)、土壤電阻率高低等自然條件，根據技術(shù)經(jīng)濟比較的結果，采取合理的保護措施。
6.2 國內接觸網(wǎng)防雷情況
接觸網(wǎng)防雷裝置主要由接閃器或避雷器、引下線(xiàn)和接地裝置組成。
�、俳佑|網(wǎng)線(xiàn)路防雷的接閃器通常為避雷線(xiàn)方式。架設避雷線(xiàn)的目的是為了利用避雷線(xiàn)的屏蔽作用，保護下方的設備不受直接雷擊，并和良好的接地裝置配合，將雷電流迅速泄入大地，降低雷擊引起的過(guò)電壓。
�、谘b設避雷器方式。路內接觸網(wǎng)設備防雷均采用避雷器的方式，《鐵路電力牽引供電設計規范》規定接觸網(wǎng)避雷器的安裝位置在：分相和站場(chǎng)端部絕緣錨段關(guān)節;長(cháng)度2000m及以上的隧道的兩端;較長(cháng)供電線(xiàn)或AF線(xiàn)連接到接觸網(wǎng)上的接線(xiàn)處;強雷區應架設獨立的避雷線(xiàn)，接地電阻值10Ω。
�、垡戮�(xiàn)是用于將雷電流從避雷線(xiàn)傳導至接地裝置或利用等電位連接降低反擊過(guò)電壓的導體。目前暫按通行做法，避雷線(xiàn)每隔800～1000m設置一處引下線(xiàn)。引下線(xiàn)的材質(zhì)、結構和最小截面應滿(mǎn)足雷電流強度檢算并不小于避雷線(xiàn)的銅當量載流截面。
�、芙拥匮b置：接地體和接地線(xiàn)的總和，用于傳導雷電流并將其流散入大地，同時(shí)降低反擊電壓。當接觸網(wǎng)受到雷擊過(guò)電壓或操作過(guò)電壓影響時(shí)，電流通過(guò)避雷器流入大地，造成避雷器接地極附近電位升高，如果接地電阻過(guò)大，會(huì )對接觸網(wǎng)以及周邊設備造成反擊，引起變電所跳閘或燒壞信號與通信設備。
七、接觸網(wǎng)防雷的措施和方案
結合管內電氣化線(xiàn)路的具體運行情況和歷年來(lái)雷害故障的情況，為充分防治雷害，需從以下幾個(gè)方面完善接觸網(wǎng)的防治方案。
7.1 利用現有資源逐步構建豐富電氣化鐵路的雷電監測網(wǎng)絡(luò )
首先由路局、供電段、車(chē)間建成三級網(wǎng)絡(luò )，積極爭取電力、氣象等部門(mén)現成的雷電定位資料，掌握管內電氣化雷電數據和規律。為鐵路沿線(xiàn)雷電活動(dòng)監測、雷電預警、鐵路雷電事故實(shí)時(shí)查詢(xún)、事故調查、雷電數據挖掘和統計提供技術(shù)平臺。
7.2 裝設避雷線(xiàn)
架設避雷線(xiàn)是降低接觸網(wǎng)雷擊跳閘概率和避免絕緣子損壞最有效的措施之一，對處于多雷、高雷、強雷區的電氣化線(xiàn)路，應結合線(xiàn)路條件以及雷電防護要求，以架設避雷線(xiàn)為主，一種是按折角法計算，避雷線(xiàn)增高肩架高度須在柱頂以上約2.5m(按45°保護角考慮)，一方面增高肩架尺寸和重量較大、在支柱上固定困難、施工安裝難度大，另一方面對支柱的穩定性有較大的影響。
另一種是按滾球法計算，避雷線(xiàn)增高肩架高度須在柱頂以上約1m，對支柱穩定性影響較小，易于工程實(shí)施。架設避雷線(xiàn)后可引導雷電向避雷線(xiàn)放電，通過(guò)桿塔和接地裝置將雷電流引入大地，
從而使被保護的接觸網(wǎng)設備免遭雷擊。對于建設中或已開(kāi)通線(xiàn)路，可逐年進(jìn)行接觸網(wǎng)防雷改造試驗，實(shí)施增設避雷線(xiàn)功能的改造方案。
7.3 提高接觸網(wǎng)整體接地水平
接地系統的好壞直接決定了防雷措施的效果，設計、施工部門(mén)要確保防雷接地裝置的等效電阻值滿(mǎn)足要求，運營(yíng)管理單位應定期檢查維護防雷設施、定期測量接地電阻等參數，發(fā)現問(wèn)題及時(shí)處理。每年雨季前對管內接地裝置進(jìn)行一次全面搖測，測量接地電阻不滿(mǎn)足要求的增加或更換接地極。對隔離開(kāi)關(guān)、避雷器、架空地線(xiàn)處的單獨接地極進(jìn)行整治處理，重新埋設接地極，部分處所裝設石墨接地極，以保證接地良好。
7.4 加強線(xiàn)路絕緣
防治雷害可采取增加線(xiàn)路絕緣的方法，主要辦法一方面是增加接觸網(wǎng)設備中復合絕緣子的應用，接觸網(wǎng)下錨、分段、分相用絕緣子優(yōu)先采用復合絕緣子，避免雷擊絕緣子損壞造成嚴重后果。另一方面是增加絕緣子串中的片數、改用大爬距懸式絕緣子、增大塔頭空氣間距等等。為減小絕緣子絕緣性能降低帶來(lái)的影響可加強絕緣清掃維護，每年進(jìn)行2次帶電水沖洗和人工清掃，對污染嚴重的絕緣子隨時(shí)進(jìn)行清掃。
7.5 安裝避雷器
安裝避雷器(避雷針)是防雷的重要措施，在支柱接地電阻相同的情況下，安裝避雷器可大大提高線(xiàn)路耐雷水平。當支柱接地電阻為30Ω時(shí)，無(wú)避雷器時(shí)的線(xiàn)路耐雷水平為12kA，安裝避雷器后，線(xiàn)路耐雷水平提高到24kA。確定避雷器的安裝密度、防護范圍、分流情況和失效條件是制定合適的接觸網(wǎng)防雷措施的前提。運行中在雷雨季節到來(lái)之前，安排對管內避雷器進(jìn)行避雷器預防性試驗，對狀態(tài)不良避雷裝置及時(shí)安排更換，確保設備雷擊狀況下，防雷設施能夠起到保護作用。
7.6 加強雷擊跳閘分析
高度重視雷擊跳閘放電點(diǎn)查找和故標分析修正工作，一是雷雨天氣發(fā)生供電跳閘后，采取添乘動(dòng)車(chē)組(機車(chē))、柵欄外巡視等方式，及時(shí)組織人員對故標指示2km范圍內相關(guān)設備進(jìn)行巡查，當日天窗點(diǎn)內停電檢查，及時(shí)發(fā)現雷擊對供電設備的損壞情況并及時(shí)采取更換絕緣子等措施，消除安全隱患。二是對故標等跳閘保護動(dòng)作信息與巡查情況進(jìn)行分析比對，及時(shí)修正故標參數，不斷提高故標的準確性。
7.7 快速恢復供電
由于接觸網(wǎng)正饋線(xiàn)位于接觸網(wǎng)上方，極易遭受雷電侵襲，且發(fā)生故障后，故障查巡、處理時(shí)間長(cháng)。所以在現場(chǎng)運行中可采取在牽引變電所內正饋線(xiàn)上加裝隔離開(kāi)關(guān)，當正饋線(xiàn)發(fā)生故障時(shí)，及時(shí)拉開(kāi)隔離開(kāi)關(guān)，將正饋線(xiàn)退出運行，由AT供電方式改為直供方式，最大限度地壓縮故障延時(shí)，快速恢復供電。
八、結語(yǔ)
接觸網(wǎng)設備具有線(xiàn)長(cháng)、露天、高電壓、無(wú)備用等特點(diǎn)。在雷雨天氣情況下，遭受雷電襲擊的概率較大。加強接觸網(wǎng)的防雷措施、提高接觸網(wǎng)的耐雷強度是保障接觸網(wǎng)設備安全運行及鐵路運輸暢通的一項重要措施。在運行實(shí)踐中必須不斷總結經(jīng)驗加以防治，從而確保運輸安全。
參考文獻：
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