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【摘要】 本文对大秦线遭受雷击跳闸进行了探讨和分析，根据大秦线途径区域的地质及气象特点，借鉴最新研究成果，对大秦线接触网的防雷方案进行了初步探讨。
【关键词】 大秦线 接触网 雷电 防护措施
引言
1988年12月大秦铁路一期开通，1992年年底二期开通，全线开通后又经过多次供电能力扩能改造使年运量迅速提升，2014年大秦线全年完成运输任务4.5亿吨，行车密度很大，一旦发生接触网停电故障，就会打乱正常的行车秩序给行车组织造成很大干扰。而每年在雨季，雷击引发的接触网故障都会频繁发生，干扰了正常的运输秩序。
大秦铁路于1985年1月开工建设，由于设计及开工时间较早，很多部位没有达到规范的设计标准，自1988年12月28日开通以来，在规范中的重点位置及部分区间线路雷击故障频发，发生多起雷击烧伤设备故障，仅2013年4月至2015年8月就因雷击跳闸386次，烧伤支柱6根，悬式绝缘子破损86处，碗臂绝缘子破损23处，附加悬挂断线6次。因此如何降低接触网雷击跳闸频率加强接触网的雷害防护水平，提高大秦线牵引供电的可靠性，非常必要也极为迫切。
一、雷电对接触网的危害分析
1.1雷电流幅值计算方法
雷电是一种剧烈的大规模的放电现象，一般有多个带电中心，且大多数为负闪电，少数为正闪电，通常一次雷电持续时间大约是0.1～0.2秒并会发生3次左右的放电，最大电流一般出现在第一次放电过程中，正闪电一般比负闪电的电流大，其电流峰值往往在100kA以上。雷电流幅值及其累积概率分布在一般地区可按下式求得：
tgP =I/88
式中：P——雷电流幅值概率；
I——雷电流幅值，kA
1.2雷击接触网的频度
按相关规定根据地区雷暴日的数量分为4个等级，其中年平均雷暴日大于20日小于40日的地区划为多雷区；年平均雷暴日大于40日小于60日的地区划为高雷区。接触网线路所在地区的年平均雷暴日数与其遭受雷击的可能性相关，通常单位面积大地1年的雷击次数随年平均雷暴日数增大而变大。
1.3大气过电压对接触网影响分析
1.3.1直击雷过电压
直击雷击中接触网悬挂在高处的导线，导线上会产生巨大的雷电流及过电压，直击雷的电流峰值可达几十到几百kA，电压峰值通常可达几百到几千kV过电压，释放出有很强破坏性的巨大能量。
1.3.2感应雷过电压
静电感应雷是架空线路导线或其他导电凸出物顶部在带电积云接近地面时感应出大量反极性束缚电荷引起的，产生出很高的感应电压，其电压幅值可达到几十到几百kV，这种类型的过电压对于接触网线路有较大的危害性。
1.3.3雷电反击过电压
雷电反击通常是闪络在金属体遭受直击雷后引导雷电流流入大地的过程中发生的。
1.4大秦线接触网遭受雷击跳闸分析
大秦线全长653km，其中大秦二期312km线路在2015年4月1日至2015年9月15日间，所经过地区在有雷雨天气的32个雷暴日里，发生雷击接触网后变电所馈线跳闸98次，其中重合闸失败中断供电15次，重合闸成功恢复送电83次。大秦二期各牵引变电所馈线因雷击引起的跳闸详见表1。
实际上，因雷击造成跳闸占总故障跳闸比例很高，如迁西变电所2015年4月1日至2015年9月15日期间共跳闸30次，其中发生在雷雨天馈线断路器跳闸24次，雷雨天跳闸比率高达77.42%。有时一次恶劣的雷雨天气造成变电所馈线断路器多次跳闸的同时，也会发生多起供电设备由于雷击损坏中断行车的故障。
2014年8月7日在迁西境内一次剧烈的雷雨天气就发生了5起故障，中断行车96分钟，故障详情如表2所示，由此看来雷击接触网故障已经成为影响牵引供电可靠运行的重要因素。
二、大秦线接触网防雷保护措施探讨
2.1大秦线雷电活动分析
大秦线途径山西（大同）、河北（张家口、唐山、秦皇岛）、北京、天津等地区，所经地区雷电活动频度见表2。大秦线全长653km，其中年平均雷暴日在40～60天的线路约为260km占总线路长度39.81%，年平均雷暴日在20～40天的线路约为393km占总线路长度60.19%。大部分闪电高密度中心与铁矿区密切相关如所经过的张家口、唐山、秦皇岛地区，特别是大秦二期铁路基本沿燕山南麓由西向东修建，所处地域为燕山迎风坡，区域内铁矿区分布众多，是我国三大铁矿集中区之一并且是最大的，区域内降雨很充沛，森林植被覆盖率也很高，有多条河流，是雷电活动比较频繁的地区。大秦线途径地区雷电活动详见表3所示。
2.2电力系统输电线路的主要防雷措施
2.2.1避雷线
避雷线的工作原理和避雷针的工作原理类似，在电力系统架空输电线路中得到广泛应用并且有多年的运行实践经验，是一种被证实的非常有效的线路防雷措施。保护原理是通过合理配置避雷线的高度和保护角起到对导线的屏蔽作用，降低雷电直击导线的可能性。 2.2.2保护间隙
保护间隙是一种非常简单的防雷装置，由保持一定间隙距离的两个金属电极构成，其自身绝缘强度比所要保护的线路绝缘强度低，当雷击输电线路时，由于雷击过电压保护间隙首先被击穿迅速将雷电流泄入大地，降低过电压幅值减少非自恢复性故障发生次数，来起到保护作用。
2.2.3避雷器
由于避雷器具有很好的非线性伏安特性，残压低，当雷击线路时能够限制绝缘子的端电压，极大的降低了绝缘子发生闪络的概率，也能够抑制工频续流，防止输电线路由于雷击过电压发生跳闸。避雷器对雷电有很好的防护效果，存在的不足就是造价偏高。
2.3目前高铁接触网防雷的研究结论
（1） 直击雷是接触网没有做防雷措施的条件下跳闸的主要原因，雷击跳闸中95%～98%是直击雷引起的跳闸。感应雷是接触网没有做防雷措施的条件下跳闸的次要原因，雷击跳闸中2%～5%是感应雷引起的跳闸。。
（2） 将接触网现有保护线抬高或接触网支柱顶部架设架空地线利用其屏蔽作用有效降低直击雷雷击接触网概率。
（3）在接触网安装金属氧化物避雷器。
2.4大秦线接触网防雷方案探讨
依据设计规范和研究成果结合大秦线接触网的防雷现状，对大秦线接触网防雷方案探讨如下：
2.4.1对应设计规范完善重点部位防雷设施
《铁路电力牵引供电设计规范》中关于接触网的防雷措施主要是安装避雷器和架设避雷线，同时做好必要的接地。因此需要沿线供电车间组织骨干技术力量依据规程对现有设备进行对标梳理，结合所经过地区的雷电活动的频度和管辖区间受雷击发生故障的历史数据，制定方案分步完善现有重点部位的防雷设施。
2.4.2架设避雷线或架空地线
电力系统通过总结实际运行经验结合实验室研究数据，认为所经地区年平均雷暴日数在30天及以上的地区对带有重要负荷的66kV输电线路，应该全线架设避雷线。大秦铁路牵引供电系统电压为25kV，但其重要程度等同或高于电力系统66kV线路，为了保证供电可靠性，应当在全线架设避雷线。目前可选择在雷害比较频繁的地区，如迁西～遵化区间、罗家屯～迁安区间加装避雷线。现有线路有加强线的区段，也可以暂时把加强线退出运行并抬高临时作为架空地线使用，通过一段时间运行，再与历史数据对比，来实际验证防雷效果。新增加的避雷线为了保证防雷效果，在设置时对承力索和正馈线的保护角分别约为60度和40度，避雷线架设在柱顶1.5米处或在距承力索悬挂处1.7米处，具体架设方案如图 1所示 。
2.4.3安装避雷器
在所亭出口合架供电线区段，由于不具备增设架空地线的条件，可在支柱F线、T线悬挂绝缘子上分别安装金属氧化物避雷器。在雷电特别严重区域采用增大绝缘强度，架设避雷线等措施不可能完全防止接触网雷击闪络故障，可以安装线路金属氧化物避雷器来防止雷电反击。
2.4.4 降低接地电阻
防雷设施的接地装置是用来向大地引泄雷电流的主要设备，有效降低接地电阻可以提高电气设备的耐雷水平。因此接触网支柱的接地电阻增大也将会使闪络的雷电流幅值和绝缘子闪络概率增大，降低接地电阻可以有效地提高线路的耐雷水平。
实际运行中，大秦线牵引供电线路中存在大量支柱接地电阻不合格情况，仅以迁西站为例，实测支柱接地电阻42处，合格18处，不合格24处，合格率仅为42.86%。因此需要采取平推的方式，对不合格的接地电阻采取降阻处理，提高线路耐压水平。具体实施可以根据不同情况区别对待，本着方便施工、节约投资、可靠有效的原则进行。对锈蚀严重或已损坏的接地极更换为经过热镀锌防腐处理的新接地极，并严格落实安装工艺标准施工。对接地极良好但是接地电阻不符合要求的处所，要增加接地极极数或延长引入附近地点做接地极，直至接地电阻达标。对困难地段采用普通接地极无法达到要求的可以采用价格相对昂贵的石墨接地极或其他形式的接地极。
三、结论
本文对雷电特性、电力系统、高铁防雷的现状进行了分析，对大秦线牵引供电的防雷措施进行了简要探讨，由于雷击故障的频繁发生，严重困扰大秦铁路牵引供电的可靠性，其现有防雷设施与大秦线在国民经济中的地位严重失衡，需要不断投入科研力量和技术设施，提升防雷设计标准，提高大秦铁路牵引供电的整体防雷水平。
参 考 文 献
[1] 于万聚.高速电气化铁路接触网[M]. 西南交通大学出版社，2005
[2] 简克良.电力系统分析[M].西南交通大学出版社，2003
[3] 褚伟龙.浅谈架空输电线路的防雷措施[J]. 科技与企业，2013
[4] 王建恒，杨仲江，吴孟恒.河北省雷电分布特征研究[J].安徽农业科学，2010
【关键词】 大秦线 接触网 雷电 防护措施
引言
1988年12月大秦铁路一期开通，1992年年底二期开通，全线开通后又经过多次供电能力扩能改造使年运量迅速提升，2014年大秦线全年完成运输任务4.5亿吨，行车密度很大，一旦发生接触网停电故障，就会打乱正常的行车秩序给行车组织造成很大干扰。而每年在雨季，雷击引发的接触网故障都会频繁发生，干扰了正常的运输秩序。
大秦铁路于1985年1月开工建设，由于设计及开工时间较早，很多部位没有达到规范的设计标准，自1988年12月28日开通以来，在规范中的重点位置及部分区间线路雷击故障频发，发生多起雷击烧伤设备故障，仅2013年4月至2015年8月就因雷击跳闸386次，烧伤支柱6根，悬式绝缘子破损86处，碗臂绝缘子破损23处，附加悬挂断线6次。因此如何降低接触网雷击跳闸频率加强接触网的雷害防护水平，提高大秦线牵引供电的可靠性，非常必要也极为迫切。
一、雷电对接触网的危害分析
1.1雷电流幅值计算方法
雷电是一种剧烈的大规模的放电现象，一般有多个带电中心，且大多数为负闪电，少数为正闪电，通常一次雷电持续时间大约是0.1～0.2秒并会发生3次左右的放电，最大电流一般出现在第一次放电过程中，正闪电一般比负闪电的电流大，其电流峰值往往在100kA以上。雷电流幅值及其累积概率分布在一般地区可按下式求得：
tgP =I/88
式中：P——雷电流幅值概率；
I——雷电流幅值，kA
1.2雷击接触网的频度
按相关规定根据地区雷暴日的数量分为4个等级，其中年平均雷暴日大于20日小于40日的地区划为多雷区；年平均雷暴日大于40日小于60日的地区划为高雷区。接触网线路所在地区的年平均雷暴日数与其遭受雷击的可能性相关，通常单位面积大地1年的雷击次数随年平均雷暴日数增大而变大。
1.3大气过电压对接触网影响分析
1.3.1直击雷过电压
直击雷击中接触网悬挂在高处的导线，导线上会产生巨大的雷电流及过电压，直击雷的电流峰值可达几十到几百kA，电压峰值通常可达几百到几千kV过电压，释放出有很强破坏性的巨大能量。
1.3.2感应雷过电压
静电感应雷是架空线路导线或其他导电凸出物顶部在带电积云接近地面时感应出大量反极性束缚电荷引起的，产生出很高的感应电压，其电压幅值可达到几十到几百kV，这种类型的过电压对于接触网线路有较大的危害性。
1.3.3雷电反击过电压
雷电反击通常是闪络在金属体遭受直击雷后引导雷电流流入大地的过程中发生的。
1.4大秦线接触网遭受雷击跳闸分析
大秦线全长653km，其中大秦二期312km线路在2015年4月1日至2015年9月15日间，所经过地区在有雷雨天气的32个雷暴日里，发生雷击接触网后变电所馈线跳闸98次，其中重合闸失败中断供电15次，重合闸成功恢复送电83次。大秦二期各牵引变电所馈线因雷击引起的跳闸详见表1。
实际上，因雷击造成跳闸占总故障跳闸比例很高，如迁西变电所2015年4月1日至2015年9月15日期间共跳闸30次，其中发生在雷雨天馈线断路器跳闸24次，雷雨天跳闸比率高达77.42%。有时一次恶劣的雷雨天气造成变电所馈线断路器多次跳闸的同时，也会发生多起供电设备由于雷击损坏中断行车的故障。
2014年8月7日在迁西境内一次剧烈的雷雨天气就发生了5起故障，中断行车96分钟，故障详情如表2所示，由此看来雷击接触网故障已经成为影响牵引供电可靠运行的重要因素。
二、大秦线接触网防雷保护措施探讨
2.1大秦线雷电活动分析
大秦线途径山西（大同）、河北（张家口、唐山、秦皇岛）、北京、天津等地区，所经地区雷电活动频度见表2。大秦线全长653km，其中年平均雷暴日在40～60天的线路约为260km占总线路长度39.81%，年平均雷暴日在20～40天的线路约为393km占总线路长度60.19%。大部分闪电高密度中心与铁矿区密切相关如所经过的张家口、唐山、秦皇岛地区，特别是大秦二期铁路基本沿燕山南麓由西向东修建，所处地域为燕山迎风坡，区域内铁矿区分布众多，是我国三大铁矿集中区之一并且是最大的，区域内降雨很充沛，森林植被覆盖率也很高，有多条河流，是雷电活动比较频繁的地区。大秦线途径地区雷电活动详见表3所示。
2.2电力系统输电线路的主要防雷措施
2.2.1避雷线
避雷线的工作原理和避雷针的工作原理类似，在电力系统架空输电线路中得到广泛应用并且有多年的运行实践经验，是一种被证实的非常有效的线路防雷措施。保护原理是通过合理配置避雷线的高度和保护角起到对导线的屏蔽作用，降低雷电直击导线的可能性。 2.2.2保护间隙
保护间隙是一种非常简单的防雷装置，由保持一定间隙距离的两个金属电极构成，其自身绝缘强度比所要保护的线路绝缘强度低，当雷击输电线路时，由于雷击过电压保护间隙首先被击穿迅速将雷电流泄入大地，降低过电压幅值减少非自恢复性故障发生次数，来起到保护作用。
2.2.3避雷器
由于避雷器具有很好的非线性伏安特性，残压低，当雷击线路时能够限制绝缘子的端电压，极大的降低了绝缘子发生闪络的概率，也能够抑制工频续流，防止输电线路由于雷击过电压发生跳闸。避雷器对雷电有很好的防护效果，存在的不足就是造价偏高。
2.3目前高铁接触网防雷的研究结论
（1） 直击雷是接触网没有做防雷措施的条件下跳闸的主要原因，雷击跳闸中95%～98%是直击雷引起的跳闸。感应雷是接触网没有做防雷措施的条件下跳闸的次要原因，雷击跳闸中2%～5%是感应雷引起的跳闸。。
（2） 将接触网现有保护线抬高或接触网支柱顶部架设架空地线利用其屏蔽作用有效降低直击雷雷击接触网概率。
（3）在接触网安装金属氧化物避雷器。
2.4大秦线接触网防雷方案探讨
依据设计规范和研究成果结合大秦线接触网的防雷现状，对大秦线接触网防雷方案探讨如下：
2.4.1对应设计规范完善重点部位防雷设施
《铁路电力牵引供电设计规范》中关于接触网的防雷措施主要是安装避雷器和架设避雷线，同时做好必要的接地。因此需要沿线供电车间组织骨干技术力量依据规程对现有设备进行对标梳理，结合所经过地区的雷电活动的频度和管辖区间受雷击发生故障的历史数据，制定方案分步完善现有重点部位的防雷设施。
2.4.2架设避雷线或架空地线
电力系统通过总结实际运行经验结合实验室研究数据，认为所经地区年平均雷暴日数在30天及以上的地区对带有重要负荷的66kV输电线路，应该全线架设避雷线。大秦铁路牵引供电系统电压为25kV，但其重要程度等同或高于电力系统66kV线路，为了保证供电可靠性，应当在全线架设避雷线。目前可选择在雷害比较频繁的地区，如迁西～遵化区间、罗家屯～迁安区间加装避雷线。现有线路有加强线的区段，也可以暂时把加强线退出运行并抬高临时作为架空地线使用，通过一段时间运行，再与历史数据对比，来实际验证防雷效果。新增加的避雷线为了保证防雷效果，在设置时对承力索和正馈线的保护角分别约为60度和40度，避雷线架设在柱顶1.5米处或在距承力索悬挂处1.7米处，具体架设方案如图 1所示 。
2.4.3安装避雷器
在所亭出口合架供电线区段，由于不具备增设架空地线的条件，可在支柱F线、T线悬挂绝缘子上分别安装金属氧化物避雷器。在雷电特别严重区域采用增大绝缘强度，架设避雷线等措施不可能完全防止接触网雷击闪络故障，可以安装线路金属氧化物避雷器来防止雷电反击。
2.4.4 降低接地电阻
防雷设施的接地装置是用来向大地引泄雷电流的主要设备，有效降低接地电阻可以提高电气设备的耐雷水平。因此接触网支柱的接地电阻增大也将会使闪络的雷电流幅值和绝缘子闪络概率增大，降低接地电阻可以有效地提高线路的耐雷水平。
实际运行中，大秦线牵引供电线路中存在大量支柱接地电阻不合格情况，仅以迁西站为例，实测支柱接地电阻42处，合格18处，不合格24处，合格率仅为42.86%。因此需要采取平推的方式，对不合格的接地电阻采取降阻处理，提高线路耐压水平。具体实施可以根据不同情况区别对待，本着方便施工、节约投资、可靠有效的原则进行。对锈蚀严重或已损坏的接地极更换为经过热镀锌防腐处理的新接地极，并严格落实安装工艺标准施工。对接地极良好但是接地电阻不符合要求的处所，要增加接地极极数或延长引入附近地点做接地极，直至接地电阻达标。对困难地段采用普通接地极无法达到要求的可以采用价格相对昂贵的石墨接地极或其他形式的接地极。
三、结论
本文对雷电特性、电力系统、高铁防雷的现状进行了分析，对大秦线牵引供电的防雷措施进行了简要探讨，由于雷击故障的频繁发生，严重困扰大秦铁路牵引供电的可靠性，其现有防雷设施与大秦线在国民经济中的地位严重失衡，需要不断投入科研力量和技术设施，提升防雷设计标准，提高大秦铁路牵引供电的整体防雷水平。
参 考 文 献
[1] 于万聚.高速电气化铁路接触网[M]. 西南交通大学出版社，2005
[2] 简克良.电力系统分析[M].西南交通大学出版社，2003
[3] 褚伟龙.浅谈架空输电线路的防雷措施[J]. 科技与企业，2013
[4] 王建恒，杨仲江，吴孟恒.河北省雷电分布特征研究[J].安徽农业科学，2010