摘要：贵阳北高铁枢纽开通以来频繁遭受雷击跳闸，对运输安全和设备稳定运行造成干扰。防雷薄弱环节主要在于贵州山区处于高雷暴地区，加之土壤电阻率高，且枢纽设备高架供电线和接触网具有引雷特性。通过设备现状分析及理论计算，增强防雷措施在于部分重要区域增加避雷线和降低避雷器接地电阻，综合施策，以最小的经济付出取得最高的安全质量成效。
关键词：高铁枢纽、防雷
引言
贵阳北高铁枢纽随着2014年12月26日贵广引入渝贵贵广场的开通和2018年元月动车2所的开通而逐步启用。该枢纽于每年3月份至9月份雷雨高发季节，雷击跳闸事故发生频繁，截至2018年9月15日，贵阳北牵引变电所已累计发生馈线跳闸34件（图一、图二），对牵引供电设备及轨道低压设备安全均造成冲击。下面就该地区防雷技术做初步研究，供参考。
图一 贵阳北变电所历年雷击跳闸统计
图二 典型雷击图片
一、原防雷设计概况及既有线路情况：
（一）防雷设计情况：
1、根据中铁二院设计资料，贵阳北枢纽设计雷暴日：51.6（高雷区）
2、根据《高速铁路设计规范（试行）》（TB10621-2009），在以下地点设置氧化锌避雷器：
车站两端绝缘锚段关节；北部疏解区内绝缘锚段关节处；供电线上网处；馈线架空线路中单根电缆长度大于50m时在电缆两端、小于50m时在来电侧一端；电缆架空供电线转接处。
（二）线路及设备安装情况：
1.高铁正线复线运营里程78.59公里，其中隧道20.316公里。站侧线及联络线101.55条公里，其中被站台风雨棚覆盖16.5公里。双支合架供电线18公里。
2.避雷器共计167台。
3、防雷参数调查情况：
贵阳北枢纽地质条件属砂、砂硕混合地域，平均土壤电阻率近似值1000Ω/M。全部采用H型钢柱或格构式钢柱，杆塔电感0.50μH/m，正线支柱连接贯通地线，冲击接地电阻约1Ω（按施工规范值平均考虑），支柱波阻抗取150Ω。支柱高度：接触网为7.8m，站侧线支柱接地电阻为30欧，馈线供电线为15m，无避雷线，支柱冲击接地电阻30Ω。无避雷线防护设计。绝缘子配置水平如表一。
表一 接触网绝缘配置水平
注：＋U50为正极性50%雷电冲击放电电压，-U50为负极性50%雷电冲击放电电压。
二、理论计算贵阳北变电所年跳闸率：
（一）接触网遭受雷击的频度与年平均雷暴数Td有关，根据国际大电网委员会（CIGRE）推荐计算：接触网侧面限界取3m，承力索距轨面平均高度取7m，则单线接触网遭受雷击次数为N=0.122
复线遭受雷击次数为N=0.244 
雷电流必须超过线路耐雷水平，才能引起线路绝缘发生冲击闪络，这时，雷电流沿闪络通道入地，但由于时间只有几十微秒，线路开关来不及动作，只有当沿闪络通道流过工频短路电流的电弧持续燃烧时，线路才会跳闸停电。所以，线路雷击跳闸与雷电流大于或等于线路耐雷水平的概率和建弧率有关。
1、线路耐雷水平：线路绝缘上的电压幅值U随雷电流增大而增大，当U大于绝缘子串冲击闪络电压时U50%，绝缘子将发生闪络，根据雷击不同位置，分为直击雷和感应雷。
（1）当雷击发生在接触网支柱或回流线时，耐雷水平计算公式为：
I1=
R为支柱的冲击接地电阻；L为支柱的等值电感；H为导线距地面的高度；
（2）当雷击发生在直击承力索或馈线时，耐雷水平公式为：
I2=U50%
，
Z0为雷电通道波阻抗，Zd为接触网线路波阻抗；
行标建议取Z0≈Zd/2，，Zd=400Ω，故I2≈U50%/100
2、发生雷电流超出耐雷水平的概率：
根据《高速铁路牵引供电系统雷电防护技术导则》（标准性文件编号：TJ/GD —2016）标准，发生雷电流超出耐雷水平的概率分布函数为：
3、建弧率：
冲击电弧转换成工频电弧的概率称为建弧率，以η表示。根据实验和运行经验，可计算为：
η=（4.5E0.75-14）（%）
对于接触网，属中性点有效接地系统，E=
Un为系统标称电压，l1为绝缘子串长度。
4.雷击接触网不同范围的概率如下（图三）：
图三 接触网电气几何模型示意图
（1）当X∈[XA，XB]，时，击中支柱及附加导线。概率Gh=
（2）当X∈[XB，XC]，时，击中承力索。概率Gc=
5.避雷器安装对防雷效果：
根据有关文献，安装避雷器后，不同接地电阻情况下接触网耐雷水平如表二。
表二 接地电阻情况下接触网耐雷水平
避雷器的保护范围：根据仿真效果，安装避雷器后，本基支柱绝缘子基本不会闪络，避雷器一侧只能保护3-5基支柱，在通常避雷器接触电阻降到10Ω以下时，可以每隔6基支柱安装一个避雷器，各种雷电流下可能闪络的支柱数目基本可按减少一半，整个接触网跳闸率至少下降50%。
（二）贵阳北变电所雷击跳闸理论计算：
（1）理论计算情况：
①雷击供电线钢柱支柱耐雷水平=460/（30+0.19+3）=13.85KA，雷电超过该值概率P=10
=69.6%。雷击正线H型钢柱及附加导线耐雷水平=460/（1+0.19+3）=109KA，雷电超过该值概率P=10
=0.565%；雷击接触网或供电线耐雷水平=354/100=3.54KA，雷电超过该值概率P=10
=91.2%
②根据表一绝缘配置水平得到建弧率η=（4.5E0.75-14）（%）=63.71%。
③ 雷击不同范围的概率：（设附加导线柱顶安装时XB=2.32，XA=1.2，XC=3）
雷击支柱和回流线的概率为62%，雷击接触网的概率为38%，无避雷线情况下，供电线雷击杆塔及线索的概率取电力行业标准分别为50%。
雷击复线接触网每百公里跳闸率=直击接触网跳闸+雷击支柱回流线=0.244
×0.912×0.6371×38%+0.244
×0.565%×0.6371×62%=0.054
单线接触网每百公里跳闸率=直击接触网跳闸+雷击支柱回流线=0.027
（双支）供电线每百公里跳闸率=直击供电线索跳闸+雷击杆塔支柱跳闸=0.244 
×0.912×0.6371×50%+0.244 
×0.696×0.6371×50%=0.121
贵阳北枢纽167台避雷器，按每台300米的保护范围，可对42.3公里的跳闸率降低50%。
贵阳北理论计算年度跳闸次数=0.054
×0.5827+0.027
×0.8505+0.121
×0.18-0.072
×0.2115=0.14
=10.2次。
由于枢纽地区具有多处高跨桥、站台、电力跨越线及周边建筑物引雷，实际跳闸件数8.5次/年要比理论值略低。
三、进一步降低跳闸率的对策
贵阳北牵引变电所高达18条馈出线，出现外线雷击的概率较一般变电所大幅度增加，行业要求年度内一个变电所范围内雷击跳闸一般不超过8次。由于贵阳北变电所高压设备属GIS高压开关柜，为减少入侵变电所雷电波，进线段更应该具有良好的耐雷性能。通过以上分析计算，建议应采用如下方案增强防雷功能：
（一）增设避雷线：
由于贵阳北枢纽全线没有设计避雷线，接触网承力索、供电线的耐雷水平对于雷直击本身就是非常大的薄弱点，而防雷导则规定变电所附近1-2公里范围内供电线及接触网，都应架设避雷线，因此建议采取增设避雷线的防雷增强措施，避雷线不仅能降低接触网或供电线遭受直击雷的概率，也能减少雷击产生的感应电压。
（1）贵阳北枢纽供电线占线路公里数不足8%，而引起的跳闸却占总数的16%，因此建议增设供电线避雷线方案所有成排供电线支柱顶端加设避雷线（图四），避雷线的保护角a一般在30°范围，此时绕击率lgP=
，接近于1%。
图四 供电线支柱顶端加设避雷线
（2）各联络线高架桥上支柱接触网悬挂处增设避雷线以及变电所1公里范围内的接触网增设避雷线。
（二）没有和综合贯通地线连接的侧线支柱和供电线支柱区域，与正线连接了贯通地线的区域相比，支柱及附加导线受雷击反击耐雷水平能力从13.85KA 上升到109KA，超出雷电幅值概率相差上百倍，降低支柱接地电阻虽然是有效的措施，但受土壤电阻率和地形条件的影响，施工难度极高。故建议对回流架空地线、避雷器等关键设备实施针对性降阻，例如采用石墨基础。
结论：贵阳北枢纽牵引变电所受雷击引起跳闸率居高不下，通过近4年来的数据统计与理论计算结果基本一致，主要是在总公司防雷导则未出台前，设计防雷设施不足，加之贵州山区开挖地段土壤电阻率偏高，致使一般性降阻工艺难以达到标准值以下。本文建议从空旷及高架供电线和联络高架桥安设避雷线，以及关键处所采用新型降阻装置，从而进一步增强接触网线路耐雷水平及减少跳闸率，以最少的经济措施取得最好的防护效果（通过计算，仅供电线增加避雷线后，每年可减少雷击跳闸3.6次）。另本文雷击范围概率以附加导线柱顶安装为模型，取得雷击杆塔率超出直击接触网，而支柱和附加导线的耐雷水平远超接触网，故建议今后在新线建设中，附加导线柱顶安装也是防雷措施的优先考虑之一。
参考文献：
[1]科学出版社《轨道交通供电系统的防雷与接地》（吴广宁 曹晓斌 李瑞芳著）中国电力出版社“电气工程及其自动化专业《高电压技术》”（沈其工 方瑜 周泽存 王大忠编）
论文作者:覃鹏
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/13
标签：避雷线论文; 贵阳论文; 支柱论文; 概率论文; 雷电论文; 电线论文; 变电所论文; 《电力设备》2018年第27期论文;