【摘 要】 本文在分析柳南客专途经地区雷电气候成因的基础上，分别对接触网落雷率、接触网因雷电导致的跳闸次数进行了计算。在不同的雷击情况下，雷击导致的接触网跳闸概率不同，其中反击雷及绕击雷的跳闸率最高。并对接触网防雷设备在重雷区的应用进行了探讨，并对雷击后的故障处理措施提出了建议。

【关键词】 柳南客专 接触网 雷电灾害

1 引言

雷击对电气化铁路运输的影响十分巨大，直接雷击会引起接触网跳闸，频繁的雷击还会造成避雷器、绝缘子损坏而造成接地故障。目前，高速铁路为减少征地面积，大量采用高架桥结构，其负面影响是因高架桥在平原地区处在至高点，雷击机率较普速铁路成倍增加。在7·23甬台温特大交通事故发生的7分钟内，线路受到近百次雷击。位于广西中部的柳南客专地处我国雷暴的高发区，因广西地理位置靠近中南半岛，可看作是中南半岛雷暴高发区向北的延伸区域。本文就柳南客专沿途雷区情况及如何减少雷击对柳南牵引供电系统的影响，保证柳南客专稳定运行进行了初步探讨。

2 柳南客专正线途径地区雷电灾害情况

2.1 雷电灾害的空间分布

2.1.1 地形影响

柳南城际铁路，又称柳南客运专线，为国家I级客运专线。其南起南宁东站，北至柳州站，途经五塘、黎塘西、来宾北站，是湘桂铁路扩能改造工程的重要组成部分。其建成意义在于缩短南宁柳州两城市间距离，将柳州融入北部湾1小时经济圈，并率先在广西形成同城效应。

柳南客专其沿线经过的雷暴区如图1所示。由图可见，柳南客专黎塘至柳州区间除大明山脉范围外，均为雷暴高发区。雷暴发生峰值地区为柳州枢纽及其周边，在区间正线上以黎塘为中心，附近为雷电高发区。

从广西地形图上看，来自北部湾的暖湿气流登录后向北，在南宁至贵港一线遇到大明山山脉及平天山山脉的阻挡，起到气流自然抬升作用，造成该地雷电活动频繁。图1的分布走向与图2地形走向一致验证了这一判断。

同时，在大明山山脉、镇龙山脉与平天山间存在两个约10km左右的缺口，暖湿气流受到两侧山脉的影响，从该缺口吹向柳州盆地，造成在该缺口后方的黎塘镇（宾阳县）大气下层气流运动活跃，也从另一方面造成该地雷暴天气高发。

2.1.2 土壤电阻率影响

文献[1]中研究结果表明，土壤电阻率与雷暴的形成有密切联系。通过对比土壤电阻率可知，农田电阻率最低，其次为林地，草地电阻率最高。其成因为人类活动在施用大量肥料所致。同时，与土壤电阻率相关的16个指标中，影响从高到低前三名分别为全铁、Cl、全氮。根据宾阳县概况，该县农田比例占全县面积的24%，林地占全县面积的35.9%，两者相加约达到全县面积的60%。由文献[2]中可知，宾阳县土地中含N量（0.164%）为全区第二，仅次于崇左（0.165%），远高于全区0.121%的平均值。以上两个方面因素导致了宾阳县境内土壤电阻率与其它地区相比偏低。

文献[3]中研究结果表明在雷电频率高、土壤电阻率低的区域，距离地平面越高，相对发生雷击的危险等级越大。

2.2 雷电灾害的时间分布

柳南客专沿线的雷暴天气呈季节性分布。从气候上看，雷电活动的季节变化与大气活动的变化有关。2～6月，南支槽把大量的暖湿气流输送到广西上空，与北方南下的冷空气交汇，大气容易产生对流不稳定；而7～9月广西受副热带高压或西太平洋的热带低压、台风、辐合线等天气系统影响，致使雷电活动较多。[3]其中，4-9月雷暴的发生次数占到了全年的96%。尤其是6-8月间的雷暴天气最为突出，雷暴天气均可达到14-16日以上；4、5、9月雷暴相对出现机率相对偏低，为6-10日左右。

根据广西区防雷中心的统计，在广西区内，雷暴的高发时段为每日的14：00至19：00间，而夜间与上午是雷暴发生的低谷。

该结果与大气对流活动发展的基本规律相符合。在12：00至14：00，太阳辐射最强，造成对流层底部的大气活动明显加剧，根据伯努利定律，底部大气产生上升气流。当携带水汽的气流上升至距离地面3km左右时，温度达到0℃，水汽逐渐凝结成冰晶。当气流足够强劲，携带水汽到达结冰临界面以上达到距离地面6km左右时，云顶温度达到-20℃左右。根据冰晶起电效应原理，当对流云中的冰晶含量足够多，且有较厚的冰晶和过冷却水共存层，对流云的垂直运动足够强，即可造成对流云内的电荷分离并最终达到放电发生（闪电）阶段[4]。而自14：00起，太阳辐射逐渐降低，至日落，对流层底部逐渐稳定，产生雷电的机率大大降低。而在5月，白天太阳辐射相对较弱，在夜间云顶辐射使得云顶温度明显降低，而云层下底层温度变化不大，有利于形成不稳定的大气层结，故夜间有较多闪电发生。

3 接触网引雷及跳闸的计算

按照国际通行算法，接触网平均雷击次数计算公式为：

（式1）

其中，为年平均雷电日数。在计算复线其雷击为2N，广西多年平均雷电日数76.72天。按照接触网支柱高度8m计算位于平原接触网高度，代入上式可知，柳南客专复线每年的雷击次数约为38次。目前高速铁路大量使用桥带路的方式减少征地面积，提高土地使用率，但无形中将接触网的高度进行了抬升。按照桥梁上接触网平均高度26m计算，复线落雷次数达到135次。可知高架桥引雷次数约为非高架桥的4倍。

对于高速铁路接触网，因其AT供电的特性决定了其支柱外侧悬挂的是正馈线，造成其引雷区域要远大于普速铁路或带有回流线的直供方式。

取接触网耐压等级为200kV，当支柱高度按8m计算，支柱接地电阻值按照国家标准取10Ω，支柱电感为10μH时，。根据公式：

（式2）

计算可得雷电流超过雷电流幅值的概率为66%。对雷电流积分可得到该区域间接触网100km·a感应雷跳闸次数为：

（式3）

其中为落雷密度次/km2；为雷电流幅值出现概率，；为建弧率，；为当地可能出现最大电流幅值。

反击雷跳闸次数为：

（式4）

其中为接触网引雷范围。

绕击雷击跳闸率为：

（式5）

根据式3、4、5可得柳南客专每100km每年雷击跳闸率。复线的雷击跳闸率为单线的2倍，可得为，，。每100km的雷击跳闸总次数为7.448次。

4 接触网防雷设备

目前，高速接触网防雷设备一般有两种，一是避雷器，二是避雷线。目前在国内大量采用的防雷设备仍以避雷器为主。避雷器分为承力索（接触线）用和正馈线用两种，均采用同种避雷器。文献[5]、[6]的研究表明，在强雷区，除非采用每个支柱均设置避雷器的方案，否则，避雷效果相当有限。在南昆线运行过程中，我们就发现，在安装有避雷器的区段，避雷器动作的情况下，牵引变电所依然跳闸的现象时有发生。同时，避雷器质量不佳造成脱扣器无法脱扣，绝缘子、避雷器绝缘击穿等故障也影响了避雷器的使用。

在国外接触网防雷方面，欧洲大陆因落雷少，因此，多采用避雷器防雷，而处在强雷电影响下的日本在使用避雷器的同时，大量使用高于接触网结构高度的避雷线。避雷线的引入使接触网引雷跳闸的可能性大大降低。

5 雷击后的应急处置

对于电气化铁路防雷应急处置，处在重雷区和强雷区的接触网工区除应对避雷设备进行定期巡视外，在容易引起雷暴的月份及时段应加强值班，并与变电所及时沟通。一旦出现接触网跳闸，重合闸失败的情况，立即办理相应降弓通过手续。在雷电天气结束后，利用轨汽对故测值为中心周围三个避雷器开展巡查。如发现避雷器有绝缘击穿痕迹，本着先通后复的原则，立即齐根剪断避雷器电连接线，恢复线路供电，待天窗点再对故障避雷器进行处理。如出现绝缘子闪络烧损等现象，则维持降弓通过不变，等待天窗点再更换绝缘子。

6 结语

对于重雷区的接触网线路，应安装避雷线提高线路的避雷能力。在重雷区的接触网工区应加强在下午时段的抢修应急准备工作，同时，对雷击易损坏的避雷器、绝缘子等部件应详细登记，抢修时做好相应备品的准备工作。在雷电天气重合闸失败后的巡视要加强对避雷器、绝缘子的巡视。

参考文献：

[1]刘磊.土壤电阻率估算及影响因素研究[D].南京信息工程大学，2011.

[2]吴圣进，蓝福生，罗洁，等.广西主要蔗区土壤和植株养分状况的调查研究[J].广西植物，1998（8）：291-297.

[3]刘任业.广西雷电活动的方向性变化及其应用[J].广西气象，2001（6）：22，37-39.

[4]朱乾根，林锦瑞，寿绍文，等.天气学原理和方法（修订本）[M].北京：气象出版社，2000：402.

[5]张雪原.接触网线路避雷器不同安装方式的防雷效果[J].电气化铁道，2010，5：35-38.

[6]范海江，罗健.铁路客运专线接触网防雷研究[J].铁道工程学报，2008，8：80-83.