铁路牵引供电接触网直击雷防护分析_刘建军.pdf

MunicipalTrafficWater ResourcesEngineering Design市政 交通 水利工程设计1引言相关调查显示，列车在运行期间接触网遭受雷击的发生率偏高，这已经成为不容忽视的问题。例如，京沪高铁由北京发往上海方向的列车因为接触网遭受雷击而瘫痪2 h，造成了一定的经济损失。由此可见，为保证列车正常运行，需要完善符合我国实际情况的接触网直击雷防护技术，这也是本次研究的主要目的。2防雷技术2.1架设避雷线架设避雷线，可以形成扇形屏蔽区域，达到规避直击雷的目标。与传统技术相比，该技术可以改善雷电感应过电压的参数值，有助于强化防雷效果。根据现有工程项目经验，避雷线通常安装在塔杆顶部位置，设定保护角2030，与横腕臂相距1.7 m，与地线连接。上述结构可确保雷击后的电压快速泄漏至大地，达到保障安全的目的1。2.2安装放电间隙安装放电间隙是在腕臂绝缘子上采用双重绝缘并增设放电间隙。在雷击发生后，保护间隙中的空气往往先被击穿，安装放电间隙用于防止绝缘子在工频续流电弧的烧蚀作用下发生炸裂、破损等故障，并使重合闸成功，保证供电的可靠性。通过在现有防雷系统中安装放电间隙具有操作简单、成本低等优点，但是相关人员要警惕绝缘水平下降等情况。2.3设置避雷器目前，在高速铁路上常见的避雷器为无间隙氧化锌避雷器，在正常工况下流过壁垒的电流量几乎可以忽略不计。但是在雷击发生后，因为避雷器具有非线性特性，瞬间通过避雷器的电流量可能达到数千安培，此时避雷器为导通状态，可以短【作者简介】刘建军（1968），男，河北平泉人，工程师，从事电气化铁路接触网施工研究。铁路牵引供电接触网直击雷防护分析Analysis of Direct Lightning Protection of Railway Traction Power Supply Catenary刘建军（中铁电气化局集团第一工程有限公司，北京 100070）LIU Jian-jun(China Railway Electrification Bureau Group First Engineering Co.Ltd.,Beijing 100070,China)【摘要】针对铁路牵引供电接触网直击雷防护技术。通过对当前防雷措施展开分析后，引入实际案例，详细分析了案例项目中采用的技术干预方法。研究结果表明，目前铁路牵引供电接触网直击雷防护措施多样，而案例项目根据自身实际情况完善防护工艺后，显著降低了雷击事件发生率，取得了预期效果。【A b s t r a c t】Directlightningprotectiontechnologyforrailwaytractionpowersupplycatenary.Afteranalyzingthecurrentlightningprotectionmeasures,thispaperintroducestheactualcaseandanalyzesthetechnicalinterventionmethodsadoptedinthecaseprojectindetail.Theresearchresults show that there are various protection measures for direct lightning strike of railway traction power supply catenary at present,and thecase project has significantlyreduced the incidence of lightning strike events and achieved the expected results after improving the protectiontechnologyaccordingtoitsownactualsituation.【关键词】铁路；牵引供电；接触网；防雷【K e y w o r d s】railway;tractionpowersupply;contactnet;lightningprotection【中图分类号】U225；U226.8【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2023）03-0133-03【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.03.039133Construction&DesignForProject工程建设与设计时间内释放电压能量，最终降低雷击的伤害2。3实例分析3.1案例项目简介某铁路供电段共设置6个变电所以及33个供电单元，根据20182020年的相关数据统计显示，近几年雷击跳闸次数明显增加，相关数据如表1所示。表 1案例项目 20182020 年跳闸信息年份总跳闸次数/次雷击跳闸次数/次2018 年2019 年2020 年109106117303944同时，案例项目的调查结果显示，牵引变电所供电臂雷击跳闸集中度的相关数据如表2所示。表 2供电臂雷击跳闸集中度的数据统计结果年份1 km 内同时跳闸次数/次同一供电臂跳闸次数/次1 次2 次2 次1 次2 次2 次2018 年2019 年2020 年495020200371335741011结合当地气象信息等资料展开进一步分析后发现，当地铁路牵引供电接触网雷击现象与恶劣气候数量呈正比例关系，因此，可认为雷雨等恶劣天气与雷击跳闸之间存在相关性。3.2防雷措施在案例项目中所采取的防雷措施主要包括以下几种。3.2.1设置避雷器与避雷针设置避雷器与避雷针是案例项目的主要防雷措施。通过在供电线上网处以及长度超过2 km的隧道或者隧道群两端位置、车站绝缘关节处等特殊部位设置避雷器（电气化专用氧化锌避雷器），这种方法可以控制雷电波幅值，同时在各牵引变电所以及分区所在位置设置避雷针，这种设计方案的主要目的是减少建筑物、主要电气设备所遭受雷击伤害。3.2.2接地措施该项目的主要接地措施主要包括：（1）在桥梁与路基的钢支柱接地孔位置做接地，接地线与地线端子连接。（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，隧道内的吊柱底座经上部接地连线与PW线（保护线）连接，PW线与综合地线系统连接，保证了防雷接地效果。（3）车站及旅客密集区域，设置GW线（架空地线）为闪络保护地线。PW线与支柱绝缘系统通过车站的旅客密集区域，在车站周围设置GW线（架空地线）为闪络保护地线，并每隔500 m位置连接综合地线，连接小于或等于10 的接地极，或者与小于或等于10 的接地极对接。3.2.3电气几何模型为更深入了解案例项目雷击相关问题，通过构建电气几何模型（EGM）来分析整个系统雷击情况。该模型的基本原理为：在雷击发生后，雷电先导向地面发展，当达到线路的临界击穿距离屏蔽的范围时，即向该条线路放电。在该集合模型中，击距是影响雷击效果的重要物理量，不容忽视。同时根据当前水平导体的模拟内容可知，传统的工作中主要将水平导体等效为中心位置线电荷，而在实际上，受到下行先导作用影响，导线表面上的电荷分布存在明显的差异性，一般沿着Y轴方向，可能存在n个离散的线电荷，导致电气几何模型所模拟的内容更加复杂。3.2.4架设避雷线该项目在接触网未架设避雷线之前，接触网处于完全暴露在雷电先导的情况下，影响防雷效果，所以在架设在接触网的上下行支柱上各设置独立避雷线。此时理论上最大耐雷理论水平达到了300 kA，此时接触网导线雷击跳闸率可以按照式（1）验算：Rk=0.1TdImaxIminP（I）-P（I+I）D（I）（1）式中，Rk为雷击跳闸率；为落雷密度值；Td为雷电日；为建弧率，接触网AF线取0.95，T线取0.73；Imin为最小耐雷理论水平，最大值3.0 kA；Imax为最大耐雷理论水平；P（I）为雷电流概率密度函数；I为变化量，本次研究中取值为1.0 kA；D（I）为导线引流宽度。根据式（1）的相关数据计算架设避雷线前后案例项目的雷击闪络情况后，相关数据如表3所示。表 3安装避雷线前后的雷击跳闸数据雷暴天数/d安装前/次安装后/次2040608092338581223根据表3的相关数据可以发现，在安装避雷线后，线路发134MunicipalTrafficWater ResourcesEngineering Design市政 交通 水利工程设计生雷击跳闸的次数明显减少，提示该技术措施可以取得满意的防雷接地效果，所提出的“在接触网的上下行支柱上各设置独立避雷线”技术具有可行性。需要注意的是，在铁路牵引供电接触网直击雷防护中，架设避雷线前，原防雷接地系统随着雷暴时间的增加，接触网的直击雷闪络问题更为严重，而高架桥高度的增加与直击雷跳闸率之间存在相关性。因此，为了进一步提升防雷保护效果，建议在雷暴日超过60 d的地区架设专门的避雷线。3.2.5改善接地方案接触网接地系统的广泛使用可以强化直击雷防护效果。根据相关规定，当前综合接地系统的接地电阻的参数应小于或等于1，所以在改进方案中也应该考虑到该数值的影响3。根据案例项目的勘察结果可以发现，当前的综合接地系统中电阻的相关参数满足防雷接地的技术要求，但是受到雷电流冲击作用的影响，在该接地系统中可以实现有效泄流的构件少，最终导致冲击接地电阻水平异常，最终导致闪络问题，所以可采用优良接地模块或者在系统中设定独立接地极等方法进行改进。因为案例项目的地质结构复杂，土壤电阻率高，存在降阻难度偏高的问题。结合该项目某段的勘察结果和相关部门的检测结果发现，土壤电阻率的数据差异较为明显。而根据相关研究可知，根据土壤电阻率的数据差异，可以选择的接地装置也存在差异。其中复合型接地装置适合电阻率偏高地区，射线形接地装置适合土壤电阻率中等地区，而方框形接地装置适合土壤电阻率较低的区域。在综合成本等因素后，该项目决定采用差异化的防雷接地装置。3.2.6安装绝缘子并联保护间隙根据前文对案例工程项目的研究可知，该工程并未采取绝缘子并联保护装置。为了能够强化直击雷防护，决定采用安装绝缘子并联保护间隙的方法，在接触网T线与F线安装保护间隙，此时线路绝缘水平比现实情况下降约20%，同时取直击雷水平为现实情况的80%。计算结果显示，在做出上述调整后，系统的直击雷闪络率有明显下降，从0.69%下降至0.02%，取得了预期效果。3.3综合防护方案根据案例项目的实际情况，提出以下直击雷综合防护方案：1）在距离支柱顶端约（1.500.50）m位置增设避雷线，并且在T线与F线绝缘子上增设保护间隙，这种设计方案可以避免雷击闪络发现，系统重合成功的概率更高；2）在F线绝缘子上增设串联间隙避雷器，在T线绝缘子上增设保护间隙。而针对雷电活动更为强烈的区域，在案例项目中可采取的综合措施为：抬高PW线为避雷线，并且在绝缘子上增设串联间隙避雷器，这种设计方案可以进一步增强整个系统的防雷保护效果，理论上的雷击闪络率为0%，并且该设计方案兼顾了防雷保护的经济效益要求。3.4效果评价最终案例项目于2021年3月开始进行铁路牵引供电接触网直击雷防护改造，改造前后的相关数据显示，AF线的闪络率从改造前的25.340下降至0.009；T线闪络率从改造前的0.678下降至0.000，取得了满意效果。4结语当前铁路牵引供电接触网直击雷防护成为保障铁路安全的重要组成部分。根据案例项目的经验，通过结合实际情况对直击雷防护方案进行改进后可以显著提升系统安全性，有效改善闪络频率，取得了预期效果，对于类似铁路电气防雷系统方案改造有一定的借鉴作用，值得做进一步推广。【参考文献】1徐平,邓梦.高速铁路牵引供电接触网雷电防护策略分析J.工程建设与设计,2022(5):50-52.2汪洪亮,刘家军,易航,等.基于机器视觉的牵引供电接触网异物清除系统J.电网与清洁能源,2021,37(11):72-79.3张俊,刘维,吕朝,等.牵引供电接触网短路试验系统研究J.电气化铁道,2020,31(6):21-23+39.【收稿日期】2022-07-12135