京廣高鐵廣東段接觸網(wǎng)防雷現(xiàn)狀及改進(jìn)措施

陳甫康

（1 廣州鐵路集團(tuán)公司 廣州供電段，廣東廣州510043；2 中國鐵道科學(xué)研究院 研究生院，北京100081）

京廣高鐵廣東段接觸網(wǎng)防雷現(xiàn)狀及改進(jìn)措施

陳甫康1，2

（1 廣州鐵路集團(tuán)公司 廣州供電段，廣東廣州510043；2 中國鐵道科學(xué)研究院 研究生院，北京100081）

列出京廣高鐵廣東段開通以來的接觸網(wǎng)雷擊跳閘數(shù)據(jù)，分析了該段線路接觸網(wǎng)防雷系統(tǒng)現(xiàn)狀及不足，提出了高鐵接觸網(wǎng)防雷改進(jìn)措施，在付諸試驗實施半年后取得了良好效果。

高鐵；接觸網(wǎng)；防雷

電氣化鐵路接觸網(wǎng)沿鐵路線露天架設(shè)，使其成為易受雷擊傷害的設(shè)備。我國高速鐵路均為近年來新建鐵路，其地理位置多位于曠野及山區(qū)地帶，全線高架橋梁與長大隧道眾多，故高速鐵路接觸網(wǎng)更易受到雷擊的侵害。由于接觸網(wǎng)絕緣子耐壓強度遠(yuǎn)低于雷電壓，如果不安裝避雷器及采取其他防雷設(shè)施，接觸網(wǎng)設(shè)備將大面積受到雷擊損害。接觸網(wǎng)遭受雷電壓后，除了跳閘影響外，往往伴隨著眾多因受雷電壓后造成的接觸網(wǎng)設(shè)備損壞現(xiàn)象，如絕緣子閃絡(luò)及擊穿、避雷器炸裂、接觸線斷線等，嚴(yán)重者將中斷供電，擾亂高鐵運輸秩序。因此，評價和分析當(dāng)前高鐵接觸網(wǎng)防雷性能，對高鐵的理論研究和運營實踐都具有重要意義。

1 京廣高鐵廣東段接觸網(wǎng)雷擊跳閘數(shù)據(jù)分析

京廣高鐵廣東段線路正線里程319.5 km，管內(nèi)設(shè)韶關(guān)、英德西、清遠(yuǎn)、廣州北、廣州南等5個旅客營業(yè)站，6個27.5 k V牽引變電所。從2009年12月26日開通運營至今的4年來看，已出現(xiàn)過多次因雷擊造成高鐵大面積或局部區(qū)間停電從而影響高鐵運輸秩序的不良情況，說明我國高鐵目前的防雷現(xiàn)狀及效果仍然存在一定程度的問題。表1為京廣高鐵廣東段開通4年來牽引供電因雷擊導(dǎo)致的跳閘統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從表1中可清晰地看出，雷擊導(dǎo)致的跳閘已成為該段線路牽引供電各年跳閘的主要誘因，高鐵接觸網(wǎng)防雷性能仍然需要提高，防雷措施更值得研究和改進(jìn)。

2 國內(nèi)外高鐵接觸網(wǎng)防雷現(xiàn)狀

2.1 國外高鐵接觸網(wǎng)防雷現(xiàn)狀

德國鐵路經(jīng)實際測量表明，因歐洲中部地區(qū)的地理優(yōu)越性，每100 km接觸網(wǎng)在平均每年時間內(nèi)可能僅遭受1次雷電沖擊。雷電對接觸網(wǎng)的直接沖擊會導(dǎo)致雷電沖擊過電壓，其在設(shè)計中考慮過采用過電壓保護(hù)裝置限制雷電過電壓，一般應(yīng)用避雷器。同時他們也認(rèn)為，避雷器只能對過電壓進(jìn)行有限的保護(hù)，一般只用于有頻繁雷電存在的地段。在其他區(qū)段，無論是從經(jīng)濟(jì)方面，還是從防護(hù)效益方面考慮，一般不設(shè)置防雷設(shè)置。這是在歐洲電氣化鐵路中很少見到接觸網(wǎng)避雷裝置的原因。

日本由于其特殊的地理條件和氣象條件，在電氣化鐵道接觸網(wǎng)設(shè)計中，根據(jù)雷擊頻度及線路重要程度，將國土的防雷等級劃分為A、B、C區(qū)域，并規(guī)定了相應(yīng)的防雷措施。表2為日本鐵路接觸網(wǎng)防雷區(qū)域及防雷措施。

2.2 國內(nèi)高鐵接觸網(wǎng)防雷現(xiàn)狀

為了提高接觸網(wǎng)供電可靠性，盡可能降低雷電壓對接觸網(wǎng)的侵害能力，就必須采取大氣過電壓防護(hù)措施。根據(jù)《鐵路防雷、電磁兼容及接地工程技術(shù)暫行規(guī)定》（鐵建設(shè)〔2007〕39號）第4.3.9條《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》（TB 10009－2005）第5.3.1條以及《高速鐵路設(shè)計規(guī)范（試行）》（TB 10621－2009）等規(guī)定，我國的京廣高鐵等高速鐵路，已經(jīng)在保證良好的接地和加大絕緣爬距的基礎(chǔ)上，分別在供電線上網(wǎng)處、雷害多發(fā)地區(qū)正線錨段關(guān)節(jié)處、電分相關(guān)節(jié)處、雷害多發(fā)地區(qū)長度1 000 m及以上橋梁每一錨段關(guān)節(jié)處、長度2 000 m及以上隧道、高架站房、封頂式雨棚站區(qū)的兩端等重點位置設(shè)置氧化鋅避雷器。目前高鐵接觸網(wǎng)常用的避雷器為帶脫離器的氧化鋅避雷器。由于高鐵運行時間短暫，目前我國對高鐵接觸網(wǎng)設(shè)備防雷還缺乏系統(tǒng)的經(jīng)驗總結(jié)和深入探討，比如應(yīng)用于高鐵接觸網(wǎng)的絕緣子絕緣性能是否能很好地與系統(tǒng)過電壓絕緣配合；避雷器的防護(hù)效果以及避雷器的設(shè)置范圍在高鐵接觸網(wǎng)防雷應(yīng)用中未得到充分檢驗；再加上京廣高鐵包括廣東段在內(nèi)的整個武廣段從設(shè)計到施工均未考慮架設(shè)架空地線對防雷所起的作用。這正是目前京廣高鐵廣東段雷擊所引起的跳閘成為接觸網(wǎng)跳閘主要原因所在。

3 高鐵接觸網(wǎng)防雷的改進(jìn)措施

針對目前京廣高鐵廣東段接觸網(wǎng)頻繁受雷擊跳閘的現(xiàn)狀，結(jié)合該段線路地形地貌、氣候條件、接觸網(wǎng)設(shè)備運行實際，因地制宜，采取相應(yīng)的防護(hù)措施，提出以下防雷改進(jìn)措施：增設(shè)獨立的架空避雷線、適當(dāng)增加避雷器的設(shè)置、在變電所、亭設(shè)施增設(shè)電涌保護(hù)裝置等，以加強防雷性能。

3.1 增設(shè)獨立的架空避雷線

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50343－2004關(guān)于地區(qū)雷暴日等級劃分的規(guī)定，年平均雷暴日Td≤20天的地區(qū)為少雷區(qū)；20＜Td≤40的地區(qū)為多雷區(qū)；40＜Td≤60的地區(qū)為高雷區(qū)；Td＞60天的地區(qū)屬于強雷區(qū)，而據(jù)廣東省氣象局最新雷電活動統(tǒng)計結(jié)果看，京廣高鐵所經(jīng)過的3個廣東省內(nèi)地區(qū)年平均雷暴日分別如下：廣州地區(qū)為87.6天，清遠(yuǎn)地區(qū)為93天，韶關(guān)地區(qū)為78.6天，局部地區(qū)最高可達(dá)126天，無疑該高鐵線路地區(qū)屬于＂超＂強雷區(qū)。按照GB 50057－2010《建筑防雷設(shè)計規(guī)范》的第3章“建筑物的防雷種類”及第4章“建筑物的防雷措施”規(guī)定，高鐵接觸網(wǎng)應(yīng)按一類建筑物（最高防護(hù)等級）設(shè)置防雷措施，除了現(xiàn)有的防雷措施外，應(yīng)增設(shè)獨立的架空避雷線，并按以下方案實施。

（1）架空避雷線安裝高度的確定

根據(jù)高鐵接觸網(wǎng)設(shè)備現(xiàn)行特點，架空地線只有在既有支柱上加裝，架空地線的安裝高度決定了其保護(hù)范圍。世界各國對接閃器保護(hù)范圍的計算方法大體有3種：滾球法、保護(hù)角法和網(wǎng)絡(luò)法。日本新干線鐵路避雷線保護(hù)范圍采用保護(hù)角法計算，我國GB 50057－2010規(guī)定接閃器保護(hù)范圍采用滾球法計算。按照滾球法計算原理，如圖1所示：避雷線在hx高度的XX′平面上的保護(hù)半徑按下列公式計算：

式中hr為滾球半徑；h為架空避雷線的高度，m；D為兩支避雷線的距離，m；rx為避雷線在hx高度的XX′平面上的保護(hù)半徑，m；hx為被保護(hù)物的高度，m。

由京廣高鐵直線段中間柱單腕臂安裝圖（圖2）及絕緣轉(zhuǎn)換柱雙腕臂安裝圖（圖3）不難分析出，要確定架空避雷線的高度h，只需考慮按能成功保護(hù)到承力索、AF線計算，則接觸線等其他線索肯定在保護(hù)范圍內(nèi)。由于第一類防雷建筑物的滾球半徑hr＝30 m，則對于一般中間柱的AF線，在被保護(hù)AF線高度hx＝9－0.5＝8.5 m上，AF線被保護(hù)半徑rx＝1.2 m（AF線水平安裝肩架與支柱水平距離按1.2 m計），將上述3項數(shù)據(jù)代入式（1），可得架空避雷線的高度h為9.7 m，支柱高度按9.5 m計，則避雷線只要在支柱頂0.2 m處架設(shè)便可保護(hù)到AF線；同理，對于一般中間柱的承力索，滾球半徑hr＝30 m，高度hx＝5.3＋1.6＝6.9 m，rx＝3.2 m（按承力索與支柱水平距離為稍大于側(cè)面限界3.1 m計），代入式（1），可得架空避雷線的高度h為10 m，支柱高度按9.5 m計，則避雷線只要在支柱頂0.5 m處架設(shè)便可保護(hù)到承力索；對于絕緣轉(zhuǎn)換柱承力索，高度hx＝5.3＋0.15＋2.4＝7.85 m，rx＝3.2 m，代入式（1），可得架空避雷線的高度h為11.35 m，架空避雷線需架設(shè)在柱頂1.85 m處。

（2）架空避雷線選材的確定

按照防雷裝置設(shè)計與安裝要求規(guī)定，架空避雷線（接閃線）宜采用截面不小于50 mm2的熱鍍鋅鋼絞線或銅絞線。同時，為減小增設(shè)的架空避雷線對既有支柱容量的影響，架空避雷線的額定張力不能太大，推薦采用5 k N。

（3）架空避雷線的固定安裝形式

由于PW線通過吸上線、H型鋼柱等與綜合接地系統(tǒng)相連，采取的是非絕緣安裝形式，為使架空避雷線與綜合接地系統(tǒng)及弱電設(shè)備相對隔離，推薦架空避雷線采用絕緣子懸掛的絕緣安裝形式，并采用抱箍將避雷線支架與支柱固定的柱頂安裝方式。

3.2 適當(dāng)增加避雷器的設(shè)置

在以下位置適當(dāng)增加避雷器的設(shè)置：原來未設(shè)置避雷器的隧道口，絕緣關(guān)節(jié)兩側(cè)轉(zhuǎn)換柱，中心錨節(jié)柱附近，中心錨節(jié)柱與轉(zhuǎn)換柱中間，避雷器間距按照200～300 m布置，且避雷器的接地引下線采用70 mm2絕緣銅電纜雙引下至不大于10Ω的獨立接地極。

3.3 變電所、亭設(shè)施增設(shè)電涌保護(hù)裝置（SPD）

在牽引變電所、分區(qū)所、AT所、開閉所的交流進(jìn)線、直流進(jìn)線和母線、室外照明電路、網(wǎng)開關(guān)操作電源等裝置設(shè)置電涌保護(hù)裝置。電涌保護(hù)器的選擇如表3所示。

4 3點改進(jìn)措施的實施情況和效果對比

4.1 改進(jìn)措施實施情況

2013年6月完成京廣高鐵廣州北—廣州南兩個供電臂區(qū)間增設(shè)架空避雷線改造試驗；2013年6月完成京廣高鐵韶關(guān)—英德區(qū)間老唐屋牽引變電所—袁屋分區(qū)所（武漢方向）供電臂、變電所上網(wǎng)點增設(shè)避雷器改造試驗；2013年11月完成京廣高鐵廣東段全線牽引變電所、分區(qū)所、AT所、開閉所設(shè)施加電涌保護(hù)器裝置。

4.2 措施實施前后防雷效果對比

從2013年6月完成試點改造并實施后，到2013年12月底的半年運行實際數(shù)據(jù)對比看，防雷效果明顯改善，雷擊跳閘明顯減少。如表4所示2013年6月完成京廣高鐵廣州北—廣州南兩個供電臂區(qū)間增設(shè)架空避雷線后，下半年只發(fā)生3件雷擊跳閘，比此前最少的2013年上半年的10件減少7件；表5表明，韶關(guān)—英德區(qū)間老唐屋牽引變電所—袁屋分區(qū)所（武漢方向）供電臂、變電所上網(wǎng)點增設(shè)避雷器后，該供電臂下半年只發(fā)生1件雷擊跳閘，比最少的半年期3件減少2件；表6表明，綜合實施防雷措施后，2013年下半年雷擊跳閘總數(shù)為14件，與之前的每半年平均數(shù)相比，均有明顯下降?？梢娚鲜龈倪M(jìn)措施能極大地降低該段高鐵雷擊跳閘率，提高防雷性能，已計劃在京廣高鐵全線逐步實施。

5 結(jié)束語

通過對京廣高鐵廣東段接觸網(wǎng)防雷技術(shù)現(xiàn)狀和雷擊跳閘率的數(shù)據(jù)分析，針對該段線路地處山區(qū)曠野、超強雷區(qū)的特點，結(jié)合設(shè)備運行經(jīng)驗，提出為改善該段接觸網(wǎng)設(shè)備防雷性能應(yīng)采取增設(shè)獨立的架空避雷線、適當(dāng)增加避雷器的設(shè)置、在變電所、亭設(shè)施增設(shè)電涌保護(hù)裝置等措施，且此3種措施在實際中試點實施后，取得了良好的防雷改進(jìn)效果，為現(xiàn)在即將開通的高鐵接觸網(wǎng)防雷提供了很好的借鑒和推廣意義。

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Current Situation and Improvement Measures of Catenary Lightning Protection for Guangdong Section of Jingguang High-speed Railway

CHEN Fukang1，2
（1 Guangzhou Traction Power Supply Section，Guangzhou Railway Group Company，Guangzhou 510043 Guangdong，China；2 Postgraduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

This paper lists the data of catenary lightning tripping for Guangdong section of Jingguang high-speed railway since its opening，analyzes the current situation and deficiency of the lightning protection system，and proposes some improvement measures of lightning protection for high-speed railway＇s catenary system，which has obtained good effect after half one year since these improvement measures were carried out.

high-speed railway；catenary；lightning protection

U225

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.05.32

1008－7842（2014）05－0120－05

5—）男，工程師（

2014－05－08）