高速鐵路接觸網(wǎng)綜合防雷對策分析

盧澤軍，谷山強，馮萬興，趙 淳，嚴碧武，蘇 杰

0 引言

國內(nèi)高速鐵路（下文簡稱高鐵）里程已經(jīng)突破1 萬km，超過世界其他國家高鐵里程的總和。高鐵最高行駛時速達350 km，列車安全可靠運行顯得至關(guān)重要。高鐵供電系統(tǒng)由變電所（包括分區(qū)所、AT 所、開閉所等）和牽引網(wǎng)組成，變電所的防雷技術(shù)較成熟，牽引網(wǎng)多未采用雷擊防護措施。高鐵的高架橋路段長度約占總里程數(shù)的80%，牽引網(wǎng)導(dǎo)線對地平均高度達到25 m，牽引網(wǎng)引雷范圍較普通鐵路大大增加，遭受雷擊的概率也大幅提高。2011 年7—8 月，京滬高鐵徐州東至虹橋區(qū)段牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)雷擊跳閘214 次，占總跳閘次數(shù)的93%，造成供電中斷219 min。雷電災(zāi)害已成為威脅鐵路運輸安全的重要因素，伴隨高鐵運營里程的迅速增加，預(yù)計雷電造成的損失將日趨嚴重。

接觸網(wǎng)絕緣水平僅與電力系統(tǒng)35 kV 配電架空線路相當，耐雷水平較低，必須在重要的線路及桿塔上加裝合適的防雷設(shè)施，降低線路雷害風(fēng)險，保障高鐵安全可靠運行。目前國內(nèi)外對高鐵牽引網(wǎng)的雷電防護措施已有較為廣泛的研究。本文分析了國內(nèi)外高鐵防護技術(shù)的現(xiàn)狀，對比研究了各種防雷措施的技術(shù)經(jīng)濟性，結(jié)合國內(nèi)高速鐵路實際情況，提出了防雷措施的配置原則。

1 國外高速鐵路防雷對策

德國和日本是目前世界上高鐵較為發(fā)達的地區(qū)。二者的高鐵線路所處地形、地區(qū)雷電活動情況有所差異，防雷對策也有較大差異。

1.1 德國

ICE（城際快線）是德國鐵路網(wǎng)上最快最舒適的旅行交通工具，時速達320 km，高鐵網(wǎng)遍布德國各地。德國鐵路實際測量結(jié)果表明，接觸網(wǎng)每百公里每年可能遭受1 次雷擊，因此，在接觸網(wǎng)的防雷設(shè)計中，沒有考慮直擊雷的防護，僅在重要節(jié)點加裝避雷器來限制感應(yīng)雷擊過電壓。由于雷擊次數(shù)少，采用自動重合閘的手段，完全能夠滿足可靠供電的要求。歐洲整體雷電活動較低，高鐵防雷措施較簡單。

1.2 日本

日本是世界上第一個建成實用高速鐵路的國家。1964 年10 月1 日東海道新干線正式營業(yè)，代表了當時世界第一流的高速鐵路技術(shù)水平，標志著世界高速鐵路由試驗階段跨入了商業(yè)運營階段。

日本是一個島國，落雷密度和數(shù)量均較內(nèi)陸國家多，為保障新干線安全運行，加裝的防雷設(shè)施較為完善，針對不同區(qū)段電氣化鐵路的雷擊頻度及其重要程度，日本將鐵路劃分為3 個區(qū)域，即A 區(qū)、B 區(qū)、C 區(qū)，各區(qū)采取的防雷措施見表1。

表1 日本電氣化鐵路接觸網(wǎng)防雷措施一覽表

2 國內(nèi)高速鐵路防雷對策

國內(nèi)高速鐵路牽引供電系統(tǒng)采用AT 供電方式。牽引變電所的進線電源為交流220 kV，出線電壓為交流2×27.5 kV，作為中性線的PW 線與牽引變壓器低壓側(cè)的中性點和鋼軌相連，T 線和F 線相對中性線的電壓均為27.5 kV，但是相位相反。線路防雷設(shè)計主要參考《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》（TB10621-2009）和《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》（TB10009-2005），全線幾乎沒有架設(shè)避雷線，僅在線路的一些關(guān)鍵部位裝設(shè)了避雷器。

（1）隧道口。隧道內(nèi)部接觸網(wǎng)與隧道壁距離較近，絕緣水平低，容易出現(xiàn)雷擊造成的隧道壁放電現(xiàn)象，為防止外部過電壓的侵入，在隧道口兩端各裝設(shè)了一支避雷器。

（2）高架橋。高架橋上接觸網(wǎng)支柱通過橋墩中的接地引下線和內(nèi)部鋼筋結(jié)構(gòu)接地，接地電阻較高，一般在高架橋兩端裝設(shè)避雷器，防止雷擊高架橋上接觸網(wǎng)產(chǎn)生的過電壓（圖1）。

圖1 高鐵高架橋接地系統(tǒng)示意圖

（3）重點關(guān)節(jié)。對于高雷區(qū)及強雷區(qū)，防雷設(shè)計規(guī)定下列重點位置應(yīng)設(shè)避雷器：分相和站場端部絕緣錨段關(guān)節(jié)、較長的AF 線連接到接觸網(wǎng)上的接線處。

4) 人臉識別定位。隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，對視頻圖像的識別分析已能得到很好的應(yīng)用。在人臉識別上能做到快速捕捉和檢索識別，可采購設(shè)備投入實際應(yīng)用。人臉識別作為高精度的個體識別，具有自然性和不被被測個體察覺的特點，得到廣泛應(yīng)用。該定位方式的優(yōu)點是識別準確，識別覆蓋面廣；缺點是對商圈的投入成本和租用維護要求高。

3 高鐵防雷措施技術(shù)經(jīng)濟性分析

目前高鐵系統(tǒng)用到的防雷措施主要有3 種：架設(shè)避雷線、安裝并聯(lián)間隙、裝設(shè)避雷器。

3.1 避雷線

電氣化鐵路上方架設(shè)避雷線可以對接觸網(wǎng)起到一定的屏蔽作用，降低直擊雷危害風(fēng)險。當有避雷線存在時，由于避雷線與接觸網(wǎng)導(dǎo)線之間的耦合作用，可以削弱雷電壓幅值的大小。這樣，在一定程度上，避雷線不僅有效降低了接觸網(wǎng)遭直擊雷擊的概率，而且也降低了絕緣子因感應(yīng)過電壓而擊穿閃絡(luò)的概率。

目前國內(nèi)高鐵接觸網(wǎng)沒有單獨架設(shè)避雷線，對于避雷線的架設(shè)方案有3 種：

（1）無加強線區(qū)段增設(shè)避雷線。在支柱頂部設(shè)置高度為1m 的地線肩架，新增1 根架空地線。該方案較簡單，防護效果好，每公里造價2 萬元左右，但支柱整體承重增加，存在一定的安全隱患。

（2）有加強線區(qū)段，加強線暫時退出運行兼作避雷線。由于加強線處于接觸網(wǎng)的最高位置，其落雷概率遠大于接觸懸掛和正饋線?？梢匀コ訌娋€與接觸懸掛之間以及變電所出口附近加強線與T 線之間的電連接，并在每個加強線固定點處將加強線支柱絕緣子短接，同時路基區(qū)段還應(yīng)在支柱與絕緣子內(nèi)預(yù)留的接地螺栓間增設(shè)電氣連接線，以便為雷電流提供可靠的泄流通路。接地的加強線可對正饋線和接觸網(wǎng)起到一定的屏蔽作用，可有效減少雷擊跳閘率。

3.2 并聯(lián)間隙

絕緣子閃絡(luò)后跳閘一般都可以通過自動重合閘恢復(fù)供電，但絕緣子本體的破壞是永久性的。牽引網(wǎng)絕緣子包括棒式和懸式絕緣子，雷擊后絕緣子的燒蝕給線路安全運行帶來了較大隱患。通過在接觸網(wǎng)懸式絕緣子和棒式絕緣子上加裝并聯(lián)間隙，當發(fā)生雷擊時，放電間隙之間的空氣首先擊穿，電弧不從絕緣子表面經(jīng)過，因此絕緣子裙片不會因電弧高溫炸裂，從而有效保護了接觸網(wǎng)絕緣子。并聯(lián)間隙結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，可以在每個支柱上安裝，每公里造價在1 萬元左右。但由于放電間隙擊穿電壓比絕緣子要小很多，導(dǎo)致接觸網(wǎng)整體絕緣水平下降，雷擊跳閘率將會上升，重要的線路不適合安裝并聯(lián)間隙。

3.3 避雷器

線路避雷器在電力系統(tǒng)輸電線路雷電防護方面得到較深入的研究，應(yīng)用較為成熟，可以用于接觸網(wǎng)的雷電防護。接觸網(wǎng)上安裝的避雷器應(yīng)體積小、重量輕，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上不會明顯增加支柱機械負荷；避雷器應(yīng)結(jié)構(gòu)緊湊，便于現(xiàn)場安裝和更換；避雷器的保護水平應(yīng)與接觸網(wǎng)的絕緣水平配合良好，特別是帶間隙避雷器的50%沖擊放電電壓應(yīng)與接觸網(wǎng)絕緣子的放電特性一致，且正、負極性的分散性要??；避雷器的保護距離應(yīng)盡可能大。由于接觸網(wǎng)上安裝的避雷器大多位于山區(qū)，避雷器的維護和更換不便，對避雷器的密封性、防爆性、機械強度、可靠性都要求更高。

假設(shè)每根支柱上都安裝避雷器，在遭受雷擊時，可以認為不會引起絕緣子閃絡(luò)，此時的雷擊跳閘率為零，但工程上為了節(jié)約資金，希望盡可能少地裝設(shè)避雷器而達到盡可能好的防雷效果。對于有確切記錄表明雷擊事故發(fā)生的區(qū)間，應(yīng)選擇在山頂、風(fēng)口等相對突出的支柱，或雷害支柱及其相鄰范圍內(nèi)位置突出的支柱上安裝避雷器；對于有雷害事故或雷擊跳閘發(fā)生，但巡線未發(fā)現(xiàn)故障點的區(qū)間，應(yīng)選擇在其中地形地貌相對突出且接地電阻較大的支柱上安裝避雷器；在接觸網(wǎng)閃絡(luò)時可能會對人員、信號設(shè)施、可燃物資等構(gòu)成威脅的支柱上應(yīng)安裝避雷器。避雷器單組造價約為3 000 元，按每隔一基桿塔安裝一組避雷器計算，每公里加裝避雷器改造費用為3 萬元。

表2 為接觸網(wǎng)3 種典型防雷措施技術(shù)經(jīng)濟性對比分析表，對于新建的高鐵線路，建議在重雷區(qū)一次性全線架設(shè)避雷線，對于已建成的高鐵線路，建議地形地貌相對突出且接地電阻較大的支柱上安裝避雷器，并聯(lián)間隙的安裝應(yīng)慎重選擇。

表2 高速鐵路防雷措施技術(shù)經(jīng)濟性對比一覽表

4 國內(nèi)高速鐵路接觸網(wǎng)防雷體系的改進

4.1 雷電監(jiān)測與雷電活動分析

在國內(nèi)，《鐵道電力牽引設(shè)計規(guī)范》中明確提出對接觸網(wǎng)大氣過電壓的防護應(yīng)根據(jù)雷電活動情況和運行經(jīng)驗綜合考慮，但一直以來由于雷電監(jiān)測資料極其缺乏，雷電參數(shù)單一，雷電活動多以經(jīng)驗判斷，雷電防護存在較大盲目性。雷電定位監(jiān)測系統(tǒng)是一套全自動、大面積、高精度、實時雷電監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)以電磁遙測法為基礎(chǔ)，采用GIS（地理信息系統(tǒng)）、GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）等先進現(xiàn)代技術(shù)，可實時監(jiān)測連續(xù)、大片區(qū)域內(nèi)的雷電活動情況，進行雷擊點定位，獲取雷擊發(fā)生的時間、位置、雷電流幅值、極性和回擊次數(shù)等雷電特征參數(shù)。測量的數(shù)據(jù)一直都是防雷工程界十分依賴又十分缺乏的數(shù)據(jù)，具有重要的工程與研究應(yīng)用價值。國內(nèi)雷電定位監(jiān)測技術(shù)研究始于20 世紀80 年代末，90 年代初第1 套雷電定位系統(tǒng)建成投運，目前國內(nèi)雷電定位系統(tǒng)經(jīng)過多年的運行，已經(jīng)積累了上億個雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)應(yīng)用于鐵路系統(tǒng)，用于分析高速鐵路沿線雷電活動分布規(guī)律，為指導(dǎo)鐵路沿線的重點雷電防護方向，實現(xiàn)鐵路沿線因地制宜、差異化防雷，提高鐵路運輸?shù)目煽啃缘於▓詫嵉幕A(chǔ)。

4.2 雷害風(fēng)險評估與差異化防雷治理改造

在分析接觸網(wǎng)雷擊閃絡(luò)特性時，需重視雷擊閃絡(luò)特性與雷害風(fēng)險的空間差異性。根據(jù)支柱本身的雷電分布特征、接地電阻值、地形地貌、絕緣水平等空間差異性，逐級對線路桿塔進行風(fēng)險評估，確定風(fēng)險等級偏高、有較大潛在雷害風(fēng)險的支柱，基于該思想的評估結(jié)果能更符合運行經(jīng)驗，便于指導(dǎo)防雷改造。根據(jù)國內(nèi)電氣化鐵路的運行統(tǒng)計，接觸網(wǎng)防雷保護措施分為2 種情況：平均年雷暴日在60 d 以下的線路，運行情況良好，雷擊事故較少，可按TB10009-2005 執(zhí)行；平均年雷暴日在60 d 以上的線路應(yīng)采取特殊防雷措施，并根據(jù)下列條件研究防雷治理改造方案：

（1）鐵路通過地區(qū)的雷電活動強度和當?shù)仉娏Σ块T的運行經(jīng)驗；

（2）該地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)與地形地貌等條件，以及土壤電阻率大小；

（3）鐵路線路等級及重要程度。

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