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高铁频遭雷击的主要原因是没有安装避雷线

——“7•23动车追尾事故”的终极原因

尚  勇

写作时间:2011年8月2日    浏览次数:5974

1、没有避雷线的接触网遭遇雷击是必然的

“7·23动车追尾事故”发生后,笔者一直困惑,这号称“高科技安全可靠”的高铁,怎么会频频遭遇雷击?

7月25日晚,CCTV-2“经济半小时”披露了一个令笔者震惊的事实:我国高铁25千伏列车专用输电线路(即高铁接触网)竟然没有架设避雷线!

以笔者的电力专业知识和曾经12年电力系统从业经验来看,如果这次事故的始作俑者真的是雷击(其它如失去电力、信号系统损坏等等都只能是派生故障),那么,高铁接触网没有架设避雷线,应该就是“7·23动车追尾事故”的终极原因。

在所有人工建筑物中,远距离输电线路最容易遭受雷击。

袭击输电线路的雷电主要有两类,一类是“直击雷”,即雷云与大地之间放电,俗称“落地雷”。如果输电线路经过一大片空旷大地,而周围又没有比它更高的物体,那么,在雷雨天气,它就可能成为“直击雷”的袭击目标。直击雷往往产生几百万伏特的超高电压,会严重破坏输电线路上的各类电气设备。

另一类是“感应雷”,它是云间放电或云地放电而在输电线上感应出来的几万、几十万伏特高电压,它与输电线本身的电压叠加在一起,也对输电线路各类电气设备造成严重威胁。

由于雷电流威力强大,所以,电力系统都有最后的保护措施,即在所有避雷保护都失效的情况下,电源开关会“自动跳闸”,以彻底切断电流。这就是所谓高铁接触网遭遇雷击而“失去动力”的原因。

我国的地理和气象条件决定了我国雷电多发的特点。远距离输电线路动辄几百上千公里,在雷电多发地区和雷雨多发季节,完全不可能避免雷电袭击。

目前电力系统已经有一整套非常成熟的防雷体系,它综合使用避雷针、避雷器和避雷线有效保护输电线路及其附属电气设备。一般情况下,避雷针用在电子设备集中的场合,比如变电站、供电所、调度指挥中心等;避雷器用在输电设施的一些重要部位,比如变电所出口、接触网开关、避雷接地线终端等;避雷线是保护远距离高压输电线路的主要手段。

所谓避雷线,其实就是架设在输电线上方的一条或两条金属线(一般使用镀锌钢绞线),它每隔一定距离做一个接地装置,以便将雷电引入大地。避雷线的保护范围取决于它的长度,即避雷线架设到哪里,保护就到哪里。对于输电线、接触网来说,这是最为简单可靠的保护,但缺点是,架设避雷线要消耗大量金属线,价格不菲,因此一般只在雷电多发地区使用。(见下图)

遗憾的是,我国高铁25千伏接触网系统仅仅使用避雷针、避雷器防雷,而没有使用对于输电线、接触网最为有效的避雷线技术,即使在通过雷电多发地区,它也是“素面朝天”,在雷雨季节必然频频遭遇雷电袭击。(见下图)

据著名防雷专家关象石介绍,铁道部2009年颁布的《高速铁路设计规范(试行)》,并没有吸收电力系统防雷的成熟经验,“在防雷措施上有待完善”。在该规范指导下,高铁接触网“就没有设计这样一根避雷线”。 [①]

据中新网消息,在“7·23”事故发生前一小时(19时35分),温州市气象台发布了温州及附近地区的雷电黄色预警信号,“预计23日傍晚到上半夜温州市区中西部、文成、泰顺西部阴有雷阵雨,有雷雨地区可伴有短时强降水、强雷电和7~9级雷雨大风”。[②] 应该就是这一场有预警的强雷电袭击了温州附近的接触网,并引发了一系列派生故障,最后导致动车追尾。

事故现场附近的村民也证实了这次雷电袭击。事故次日,“村民告诉记者,昨夜风雨大作,雷鸣电闪,一位村民向记者描述,他昨天晚上9时不到的时候,的确看到雷电击中一趟动车组列车,‘那趟车被雷击后就停了下来’”。 [③] “先打了个闪电,就看到火车头位置的电线上转火圈,然后,线塌了下来。 应该是打雷击中了火车头的电线”。(《7•23动车追尾:消逝的生命和被怀疑的技术》,《三联生活周刊 》2011年第31期)

“7·23”事故发生地是一片空旷的平地,高铁高架桥高耸其上,再加上接触网支架的高度,总高度应该超过20米。在雷电多发地区,如此高度的接触网和列车耸立在一片空旷平地上而没有避雷线的保护,遭遇雷击只是迟早的事。(见下图)

笔者注意到,在“7·23动车追尾事故”以前,媒体就常有高铁、动车、电动列车因雷击事故而延误或停运的报道。在《财经网》列出的“2005年至2011年因雷击造成火车事故一览表”中,仅2011年7月,在京沪、甬温等路段上就有3次雷击事故,而每次都造成几趟几十趟动车、高铁延误或停运。[④]

近年因雷击造成火车事故一览:

2011年7月3日,京沪高铁曲阜、滕州、枣庄区段供电线路遭雷击,造成接触网故障,北京开往上海方向的G151次等12趟列车不同程度延误。

2009年8月22日,上海开往杭州的D5673次动车,中途停车晚点;次日,广东东莞发生类似事故。原因疑为接触网遭雷击出现断裂。

2007年7月10日,上海开往南京的D406次动车被雷电击中,其受电弓受损导致列车停驶,晚点70分钟。

2006年8月3日,京广线汉口至黄陂横店段,因供电设施遭到雷击,中断一个多小时。20余趟南下客车晚点,最长达5小时。

2005年5月2日,铁路电网在广东韶关遭到雷击,造成京广线南段20多公里电网全线断电100分钟,至少10列火车瘫痪在铁路上。[⑤]

就在“7•23”事故发生前不到1小时,在距离“7•23”事故地点仅5公里的温州南站附近,另一动车组(D3212次)遭遇雷击停车,“动车的最后一节车厢被雷电劈中,电路中断”,车上约千名乘客被迫步行至温州南站。[⑥]

高速运动的列车为什么这么容易被雷电击中?是不是它带着被上空雷云感应的海量电荷高速运动更容易招致雷击?这还需要物理学家进行静电场物理试验来确定。但是,没有避雷线的保护更容易招致雷击却是确定无疑的。

与高铁系统频频遭遇雷击、屡屡出现派生故障形成鲜明对照的是,电力系统抗雷电袭击的能力很强。就在“7•23”高铁因雷击而产生一系列派生故障和严重追尾事故的那段时间,电力系统对温州附近高铁所属火车站和电铁牵引站的供电专线,“均未受雷雨天气影响,运行正常”。[⑦]

2、德国日本高铁接触网的防雷经验

高速铁路在国外已经有40多年的历史,各国都摸索出适合自己的高铁防雷体系。

比如,文献资料显示,欧洲中部地区每100公里接触网在1年时间内可能遭受1次雷击。基于这一很低的雷击概率数据,德国铁路接触网一般只在他们认为雷电较多的地段使用避雷器。出于经济与防护效益比较,他们在其它雷电较少的区段,一般都不考虑设置防雷装置。这就是人们在欧洲的电气化铁路中很少见到接触网设置避雷装置的原因。

日本的地理条件和气象条件与德国完全不同,因而对电气化铁路接触网的防雷保护也截然不同。日本根据雷击频度及线路重要程度,将防雷等级划分为A、B、C三级区域。A级区域雷害严重且线路重要,全线接触网都架设避雷线,同时在牵引变电所出口、接触网隔离开关、电缆接头或连接处、架空避雷线接地线终端等重要部位设置避雷器。B级区域雷害较重且线路重要,对部分特别地段的接触网架设避雷线,同时在与A级区域相同的重要部位设置避雷器。对于C级区域,一般只在牵引变电所出口、接触网隔离开关、电缆接头或连接处等重要部位设置避雷器。[⑧]

对于雷电的形成来说,我国很多地区(比如西南地区、东南沿海地区)有类似于日本的地理和气象条件,但是,我国高铁接触网却没有吸取日本高铁的防雷经验,反而机械地学习雷害极少的德国,在雷电多发地区仅仅使用避雷针、避雷器,而不使用对于输电线、接触网更为有效的避雷线。这显然大有问题。

3、我国工程师没被采纳的防雷建议

2008年,某“铁道勘察设计院”的两位年轻工程师,对电气化铁路“广深线”接触网提出了架设避雷线和增加避雷器的防雷建议。

根据他们的计算,在我国平原地区每100公里接触网,每年遭受雷击而引起跳闸(断电)的次数约为15次。这比德国的雷击概率大10多倍。

他们从铁路运营部门统计数据得知,广深线双线 139公里区段,仅2000年就发生雷击跳闸(断电)事故45次,其中广深线平湖牵引变电所的雷击跳闸事故数占其事故跳闸总数的57.7%。

据此他们认为,在接触网上安装避雷器的保护作用有限,且维护工作量和维修费用都很大,所以,避雷器只能作为接触网系统防雷技术措施的一种补充。

他们建议,(1)在“广深线”全线架设避雷线(其设计构想见下图);(2)增加接地数量和降低接地电阻(接地电阻越小,越容易将雷电引入大地,防雷效果越好);(3)适当增设避雷器。

 

 

在此基础上,他们进一步提出,应加强我国客运专线接触网系统的防雷措施,在强雷区段设置避雷线,在重要部位采用氧化锌避雷器,并切实作好避雷线和避雷器的接地装置。[⑨](据有关专家介绍,高铁接触网不少接地装置的接地电阻都不达标,即接地装置所用钢铁太少,接地电阻太大,这必然大大降低防雷效果)

遗憾的是,两位年轻工程师人微言轻,他们的建议并没有被采纳。我国雷电多发地区(比如“7·23” 事故发生地)的接触网,并没有架设避雷线。这是我国高铁接触网频频遭遇雷击的主要原因,也是“7·23雷击—追尾事故”的终极原因。

4、解决高铁接触网雷击问题的措施

亡羊补牢未晚矣。集高科技于一身的高铁,不能看不起技术简单的避雷线,也不能因为“省钱”而省掉对于接触网防雷具有决定性作用的避雷线。

对于防雷系统来说,省钱就是省安全。

目前,解决高铁接触网频频遭遇雷击的问题,首先就要在雷电高发地区架设避雷线。其次,增加避雷接地装置的钢铁埋入量,按规范减小接地电阻,以利于雷电入地,提高现有避雷针、避雷器的防雷效率。

就这么简单?就这么简单!

 

201182

 

附录:《防雷装置基础知识》

 

对于输电线(接触网)及其附属电气设备而言,通常的防雷装置有3种,避雷针、避雷器和避雷线。

避雷针看似价廉简单,实则价高复杂。因为,人们往往只看见电线杆塔或者建筑物上的一段金属棒,而不知道它还有更重要的接地装置,即地下钢铁网。要让避雷针发挥作用,必须让接地装置的接地电阻达标(至少要小于10欧姆,保护要求高的需要小于4欧姆,甚至1欧姆),这需要往地下埋入大量钢铁,且越要接地电阻小,埋入的钢铁越多。“避雷针不避雷”的原因往往就是埋入地下的钢铁太少,接地装置的接地电阻太大。避雷针的有效保护范围与其高度相关,对于地面而言,其保护半径是其高度的1.5倍。(有一种“预放电型避雷针”,保护范围是普通避雷针的十多倍,但价格也贵。)避雷针适合用在电子设备集中的场合。

避雷器的主要作用是限制雷电波侵入接触网系统的主要电气设备(如变压器、控制设备等),因此它对雷击过电压的保护很有限。避雷器由工厂制造,种类很多,用途各异,价格因其性能而有所不同,性能越好,价格越高。对接触网而言,虽然安装简单,但清洁维护成本很高,且适用范围和保护范围都很有限。

避雷线就是在接触网上方架设一条或两条金属线(一般使用镀锌钢绞线),并每隔一定距离做一个接地电阻达标的接地装置。它的保护范围取决于它的长度,即避雷线架设到哪里,保护就到哪里。对于输电线、接触网来说,这是最为简单可靠的保护,但缺点是,架设避雷线要消耗大量金属线,价格不菲,因此一般只在雷电多发地区使用。


 

[①] CCTV-2“经济半小时”:《7•23动车追尾事故调查》,2011年7月25日晚9点20分。

[②] 记者汪恩民等:《D3115次列车脱轨事故 气象曾发布雷电黄色预警》,中新网/新闻中心/国内新闻,2011年7月23日 23:36。

[③] 记者金志刚等:《温州动车追尾现场直击:隔几步就有裹满泥浆的鞋》,原载《新民晚报》,转引自:中新网/新闻中心/国内新闻,2011年7月24日。

[④] 《财经》综合报道:《6年间因雷击造成火车事故一览》,财经网/新闻/产业/产业每日要闻,2011年7月26日。

[⑤] 叶飙:《为什么高铁频频被雷倒?》,《南方都市报》,2011年7月29日,第AA42版。

[⑥] 记者汪恩民等:《温州脱轨动车5公里外另一动车遭雷击 无人伤亡》,中新网/新闻中心/国内新闻,2011年7月24日。

[⑦] CCTV-2“经济半小时”:《7•23动车追尾事故调查》,2011年7月25日晚9点20分。

[⑧] 范海江等:《铁路客运专线接触网防雷研究》,《铁道工程学报》,2008年8月第8期。

[⑨] 范海江等:《铁路客运专线接触网防雷研究》,《铁道工程学报》,2008年8月第8期。

 
 
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