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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(shè)備運(yùn)行危害嚴(yán)重，極易造成設(shè)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(jī)理、形成原因及分類研究的基礎(chǔ)上，針對防止雷害的主要因素制定預(yù)防對策和技術(shù)措施，對電氣化鐵路的防雷探索和現(xiàn)場實(shí)施具有指導(dǎo)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(yùn)輸系統(tǒng)中逐漸承擔(dān)起明顯重要的作用，但接觸網(wǎng)設(shè)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(shè)備因雷擊引發(fā)跳閘故障日漸頻繁，給供電設(shè)備的安全運(yùn)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(shè)備跳閘成為電氣化鐵路發(fā)展的重要部分之一。本文著重從雷電機(jī)理、形成原因進(jìn)行分類研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合管內(nèi)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(yù)防對策和技術(shù)措施進(jìn)行研究。
二、雷電產(chǎn)生的起源和過程
根據(jù)統(tǒng)計(jì)在我們生活的地球整體范圍內(nèi)，雷電生成的頻率十分可觀，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)在地球的大氣電場中形成感應(yīng)電荷，下端為正電荷、上端為負(fù)電荷，與大氣中上升的負(fù)離子的電荷中和，使水滴帶負(fù)電，形成雷(雨)云起電后的電荷分布。雷電放電實(shí)質(zhì)上是一種超長氣隙的火花放電，它所產(chǎn)生的雷電流高達(dá)數(shù)十、甚至數(shù)百千安，從而會(huì)引起巨大的電磁效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)。
三、雷電表現(xiàn)的方式和分類
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。云閃：云內(nèi)閃電和云際閃電(兩片云之間)。地閃：俗稱落地雷，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(yīng)雷擊兩種形式。直接雷擊：雷云直接對接觸網(wǎng)供電設(shè)備放電。感應(yīng)雷擊：雷云通過靜電感應(yīng)或電磁感應(yīng)在接觸網(wǎng)附近的支撐裝置、接觸懸掛、附加導(dǎo)線上產(chǎn)生感應(yīng)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(shè)備由于雷擊造成的跳閘可達(dá)到30%-60%，而高速電氣化鐵路比率更高。高鐵線路地處空曠地帶，多采用高架橋方式，線路兩側(cè)高大建筑物少，因此對于雷電來講目標(biāo)比較突出。在強(qiáng)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(jù)統(tǒng)計(jì)，僅2014年我國全路34條電氣化鐵路就發(fā)生設(shè)備雷擊跳閘就達(dá)到1214件，尤其是處于山區(qū)、橋梁等地形環(huán)境復(fù)雜的地區(qū)，雷擊引發(fā)的跳閘故障率更高。
以管內(nèi)開通的某高速鐵路線路為例，此高速鐵路長413.363km，全線正線采用AT供電方式，聯(lián)絡(luò)線、動(dòng)車走行線采用直接供電方式。自2014年7月1日開通以來，共發(fā)生26起雷擊引起設(shè)備損壞的事故。占故障總跳閘的比例達(dá)57.7%。
其中典型案例有：
4.1 區(qū)間對向下錨正饋線燒傷(圖1)
4.2 正饋線對向下錨處絕緣子閃絡(luò)(圖2)
4.3區(qū)間對向下錨處正饋線對絕緣子放電(圖3)
五、接觸網(wǎng)雷擊特點(diǎn)分析
5.1 按接觸網(wǎng)雷擊部位來看
從雷擊接觸網(wǎng)設(shè)備部位分類統(tǒng)計(jì)來看，對接觸網(wǎng)附加線、支撐裝置的平腕臂、斜腕臂絕緣子、站場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)生過雷擊閃絡(luò)擊穿，其中尤其是正饋線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(jié)構(gòu)方面分析
區(qū)間正饋線的安裝高度在距離軌面10.3m處，其下方2m才是接觸懸掛，在雷電面前正饋線相當(dāng)于為接觸懸掛起到了防護(hù)作用，雷擊比例大大增加。站場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(xiàn)于新線建成的較短時(shí)間內(nèi)。由于接觸網(wǎng)安裝高度低，周圍污染因素多，隨著運(yùn)營時(shí)間的增長，絕緣子污染嚴(yán)重和老化導(dǎo)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。
②承力索斷線、接觸線燒損。無論直擊或繞擊，最終結(jié)果都是在接觸網(wǎng)線索上形成超高過電壓，由于不能及時(shí)泄流時(shí)就會(huì)燒損線索。
�、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(shè)備損壞。
�、鼙芾灼鲹舸┑�。由于避雷器的接地條件多樣，而鐵路接地隨著運(yùn)行時(shí)間增長條件惡劣，部分接地銹蝕嚴(yán)重加上鐵路沿線地質(zhì)環(huán)境因素，使得接地電阻較大，無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。感應(yīng)雷擊造成過電壓后，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(xiàn)狀情況分析
6.1目前電力系統(tǒng)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(qiáng)監(jiān)測為指導(dǎo)，電力系統(tǒng)構(gòu)建雷電監(jiān)測研究平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對雷電發(fā)生情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)采取差異化的防雷手段，從而實(shí)現(xiàn)大力減少雷擊的目的。電力系統(tǒng)輸電線路防雷目標(biāo)是提高線路的耐雷特性，降低線路的雷擊跳閘率。電力系統(tǒng)在研究確定線路防雷方式時(shí)，綜合考慮系統(tǒng)的運(yùn)行方式、線路的電壓等級、重要程度、線路經(jīng)過地區(qū)的雷電活動(dòng)的強(qiáng)弱、地形地貌特點(diǎn)、土壤電阻率高低等自然條件，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的結(jié)果，采取合理的保護(hù)措施。
6.2 國內(nèi)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、引下線和接地裝置組成。
①接觸網(wǎng)線路防雷的接閃器通常為避雷線方式。架設(shè)避雷線的目的是為了利用避雷線的屏蔽作用，保護(hù)下方的設(shè)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，降低雷擊引起的過電壓。
②裝設(shè)避雷器方式。路內(nèi)接觸網(wǎng)設(shè)備防雷均采用避雷器的方式，《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定接觸網(wǎng)避雷器的安裝位置在：分相和站場端部絕緣錨段關(guān)節(jié);長度2000m及以上的隧道的兩端;較長供電線或AF線連接到接觸網(wǎng)上的接線處;強(qiáng)雷區(qū)應(yīng)架設(shè)獨(dú)立的避雷線，接地電阻值10Ω。
�、垡戮�是用于將雷電流從避雷線傳導(dǎo)至接地裝置或利用等電位連接降低反擊過電壓的導(dǎo)體。目前暫按通行做法，避雷線每隔800～1000m設(shè)置一處引下線。引下線的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和最小截面應(yīng)滿足雷電流強(qiáng)度檢算并不小于避雷線的銅當(dāng)量載流截面。
�、芙拥匮b置：接地體和接地線的總和，用于傳導(dǎo)雷電流并將其流散入大地，同時(shí)降低反擊電壓。當(dāng)接觸網(wǎng)受到雷擊過電壓或操作過電壓影響時(shí)，電流通過避雷器流入大地，造成避雷器接地極附近電位升高，如果接地電阻過大，會(huì)對接觸網(wǎng)以及周邊設(shè)備造成反擊，引起變電所跳閘或燒壞信號(hào)與通信設(shè)備。
七、接觸網(wǎng)防雷的措施和方案
結(jié)合管內(nèi)電氣化線路的具體運(yùn)行情況和歷年來雷害故障的情況，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(xiàn)有資源逐步構(gòu)建豐富電氣化鐵路的雷電監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)
首先由路局、供電段、車間建成三級網(wǎng)絡(luò)，積極爭取電力、氣象等部門現(xiàn)成的雷電定位資料，掌握管內(nèi)電氣化雷電數(shù)據(jù)和規(guī)律。為鐵路沿線雷電活動(dòng)監(jiān)測、雷電預(yù)警、鐵路雷電事故實(shí)時(shí)查詢、事故調(diào)查、雷電數(shù)據(jù)挖掘和統(tǒng)計(jì)提供技術(shù)平臺(tái)。
7.2 裝設(shè)避雷線
架設(shè)避雷線是降低接觸網(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(qiáng)雷區(qū)的電氣化線路，應(yīng)結(jié)合線路條件以及雷電防護(hù)要求，以架設(shè)避雷線為主，一種是按折角法計(jì)算，避雷線增高肩架高度須在柱頂以上約2.5m(按45°保護(hù)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(wěn)定性有較大的影響。
另一種是按滾球法計(jì)算，避雷線增高肩架高度須在柱頂以上約1m，對支柱穩(wěn)定性影響較小，易于工程實(shí)施。架設(shè)避雷線后可引導(dǎo)雷電向避雷線放電，通過桿塔和接地裝置將雷電流引入大地，
從而使被保護(hù)的接觸網(wǎng)設(shè)備免遭雷擊。對于建設(shè)中或已開通線路，可逐年進(jìn)行接觸網(wǎng)防雷改造試驗(yàn)，實(shí)施增設(shè)避雷線功能的改造方案。
7.3 提高接觸網(wǎng)整體接地水平
接地系統(tǒng)的好壞直接決定了防雷措施的效果，設(shè)計(jì)、施工部門要確保防雷接地裝置的等效電阻值滿足要求，運(yùn)營管理單位應(yīng)定期檢查維護(hù)防雷設(shè)施、定期測量接地電阻等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。每年雨季前對管內(nèi)接地裝置進(jìn)行一次全面搖測，測量接地電阻不滿足要求的增加或更換接地極。對隔離開關(guān)、避雷器、架空地線處的單獨(dú)接地極進(jìn)行整治處理，重新埋設(shè)接地極，部分處所裝設(shè)石墨接地極，以保證接地良好。
7.4 加強(qiáng)線路絕緣
防治雷害可采取增加線路絕緣的方法，主要辦法一方面是增加接觸網(wǎng)設(shè)備中復(fù)合絕緣子的應(yīng)用，接觸網(wǎng)下錨、分段、分相用絕緣子優(yōu)先采用復(fù)合絕緣子，避免雷擊絕緣子損壞造成嚴(yán)重后果。另一方面是增加絕緣子串中的片數(shù)、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的影響可加強(qiáng)絕緣清掃維護(hù)，每年進(jìn)行2次帶電水沖洗和人工清掃，對污染嚴(yán)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路耐雷水平。當(dāng)支柱接地電阻為30Ω時(shí)，無避雷器時(shí)的線路耐雷水平為12kA，安裝避雷器后，線路耐雷水平提高到24kA。確定避雷器的安裝密度、防護(hù)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(yùn)行中在雷雨季節(jié)到來之前，安排對管內(nèi)避雷器進(jìn)行避雷器預(yù)防性試驗(yàn)，對狀態(tài)不良避雷裝置及時(shí)安排更換，確保設(shè)備雷擊狀況下，防雷設(shè)施能夠起到保護(hù)作用。
7.6 加強(qiáng)雷擊跳閘分析
高度重視雷擊跳閘放電點(diǎn)查找和故標(biāo)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)車組(機(jī)車)、柵欄外巡視等方式，及時(shí)組織人員對故標(biāo)指示2km范圍內(nèi)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行巡查，當(dāng)日天窗點(diǎn)內(nèi)停電檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)雷擊對供電設(shè)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(biāo)等跳閘保護(hù)動(dòng)作信息與巡查情況進(jìn)行分析比對，及時(shí)修正故標(biāo)參數(shù)，不斷提高故標(biāo)的準(zhǔn)確性。
7.7 快速恢復(fù)供電
由于接觸網(wǎng)正饋線位于接觸網(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。所以在現(xiàn)場運(yùn)行中可采取在牽引變電所內(nèi)正饋線上加裝隔離開關(guān)，當(dāng)正饋線發(fā)生故障時(shí)，及時(shí)拉開隔離開關(guān)，將正饋線退出運(yùn)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(fù)供電。
八、結(jié)語
接觸網(wǎng)設(shè)備具有線長、露天、高電壓、無備用等特點(diǎn)。在雷雨天氣情況下，遭受雷電襲擊的概率較大。加強(qiáng)接觸網(wǎng)的防雷措施、提高接觸網(wǎng)的耐雷強(qiáng)度是保障接觸網(wǎng)設(shè)備安全運(yùn)行及鐵路運(yùn)輸暢通的一項(xiàng)重要措施。在運(yùn)行實(shí)踐中必須不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)加以防治，從而確保運(yùn)輸安全。
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