京滬高速鐵路接觸網(wǎng)防雷改造方案研究

趙連標(biāo) 上海鐵路局安全監(jiān)察室

1 引言

接觸網(wǎng)是牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分，絕大部分裸露于自然環(huán)境中且沒有后備能力，需要采用必要的大氣過電壓防護(hù)措施。雷擊產(chǎn)生的侵入波過電壓通過接觸網(wǎng)傳入牽引變電所，可能引起所內(nèi)斷路器跳閘，甚至損壞電器設(shè)備，造成供電事故。京滬高鐵是我國(guó)連接南北客運(yùn)最繁忙、最重要的高鐵客運(yùn)干線，但因其地理區(qū)域跨度大且途經(jīng)雷電活動(dòng)強(qiáng)烈的我國(guó)東部地區(qū)，自2011年7月開通以來，每年雷雨季節(jié)（6月～9月）接觸網(wǎng)遭受雷擊跳閘比較頻繁，對(duì)運(yùn)輸安全造成影響。因此，盡快完善京滬高鐵接觸網(wǎng)的防雷措施，確保運(yùn)輸安全顯得尤為重要與緊迫。

2 我國(guó)高速鐵路防雷設(shè)計(jì)概況

我國(guó)電氣化鐵道接觸網(wǎng)防雷設(shè)計(jì)主要依據(jù)《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10009--2005)和《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(hào))的相關(guān)規(guī)定。根據(jù)雷電日的數(shù)量分為4個(gè)等級(jí)的區(qū)域：年平均雷電日在20天及以下地區(qū)為少雷區(qū)，年平均雷電日在20天以上、40天及以下地區(qū)為多雷區(qū)，年平均雷電日在40天以上、60天及以下地區(qū)為高雷區(qū)，年平均雷電日在60天以上地區(qū)為強(qiáng)雷區(qū)。接觸網(wǎng)的防雷措施主要是安裝避雷器和架設(shè)架空避雷線，同時(shí)做好必要的接地。具體規(guī)定為：①吸流變壓器的原邊應(yīng)設(shè)避雷裝置；②高雷及強(qiáng)雷區(qū)下列位置設(shè)避雷裝置：分相和站場(chǎng)端部的絕緣關(guān)節(jié)、長(zhǎng)度2 000 m及以上隧道的兩端、長(zhǎng)度大于200 m的供電線或AF線連接到接觸網(wǎng)上的連接處；③強(qiáng)雷區(qū)設(shè)置獨(dú)立避雷線，保護(hù)角為00-450。

3 避雷器和避雷線的工作原理

3.1 避雷器的工作原理

避雷器是連接在導(dǎo)線和地之間的一種防止雷擊的設(shè)備，通常與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)。避雷器可以有效的保護(hù)電力設(shè)備，一旦出現(xiàn)不正常電壓，避雷器產(chǎn)生作用，起到保護(hù)作用。當(dāng)被保護(hù)設(shè)備在正常工作電壓下運(yùn)行時(shí)，避雷器不會(huì)產(chǎn)生作用，對(duì)地面視為斷路。一旦出現(xiàn)高電壓，且危及被保護(hù)設(shè)備絕緣時(shí)，避雷器立即動(dòng)作，將高電壓沖擊電流導(dǎo)向大地，從而限制電壓幅值，保護(hù)電器設(shè)備絕緣。當(dāng)過電壓消失后，避雷器迅速恢復(fù)原狀，使系統(tǒng)能夠正常供電。避雷器的主要作用是通過并聯(lián)放電間隙或非線性電阻的作用，對(duì)入侵流動(dòng)波進(jìn)行削幅，降低被保護(hù)設(shè)備所受過電壓值，從而達(dá)到保護(hù)電力設(shè)備的作用。

3.2 避雷線的防雷保護(hù)原理

在雷電先導(dǎo)階段，避雷線頂部聚積電荷，在發(fā)展先導(dǎo)和避雷線頂端之間的通道中建立了很大的電場(chǎng)強(qiáng)度，避雷線迎面先導(dǎo)的產(chǎn)生和發(fā)展大大加強(qiáng)這個(gè)通道中的電場(chǎng)強(qiáng)度，雷電擊中避雷線，靠近避雷線的被保護(hù)物比避雷線低，由于避雷線的屏蔽和迎面先導(dǎo)作用，使被保護(hù)物遭受雷擊的概率很小。利用避雷線可實(shí)現(xiàn)直擊雷保護(hù)。雖然這種方法不是主動(dòng)地，但能提供99.5%-99,9%的保護(hù)效果。按引雷的性能，避雷線的確切名稱應(yīng)是“引雷線”，因避雷線這一名稱已被廣泛使用，所以稱為管用名詞。

避雷線的可靠防雷保護(hù)作用，除要在保護(hù)范圍內(nèi)有引雷作用外，還要求避雷線的泄流通道（回路）的阻抗（包括引流線電抗和接地電阻）很小，這也是保護(hù)的必要條件。因?yàn)槔纂娭睋舯芾拙€時(shí)，很高的引流線電抗和接地電阻可能產(chǎn)生很高的電壓，引起避雷線在空氣中、絕緣物或地面上對(duì)保護(hù)物反擊。

4 京滬高鐵接觸網(wǎng)防雷設(shè)施狀況及外部環(huán)境

（1）京滬高速鐵路全線共牽引變電所27座、分區(qū)所26處、AT所49處及分區(qū)所兼開閉所1處。為適應(yīng)遠(yuǎn)期380 km/h運(yùn)營(yíng)需要，接觸網(wǎng)第一AT段（牽引所至AT所間）一般設(shè)有加強(qiáng)線,加強(qiáng)線采用柱頂安裝方式，如圖1。接觸網(wǎng)主要防雷措施為：在供電線上網(wǎng)點(diǎn)、電分相處、隔離開關(guān)處設(shè)置了氧化鋅避雷器。各牽引所、AT所之間的接觸網(wǎng)線路，未采取特別的防雷措施。

（2）由于京滬高鐵線路多為長(zhǎng)特大橋，例如，蘊(yùn)藻浜特大橋，長(zhǎng)度達(dá)23.3 km。昆山南到安亭北站軌面距地面最高垂直距離約20 m，位于蘊(yùn)藻浜特大橋第55號(hào)墩（K1295+620）處，橋梁地段支柱高度為7.6 m，因此在橋梁地段接觸網(wǎng)支柱離地最高處約28 m，高鐵線路位置地處市郊與農(nóng)村，兩側(cè)附近空曠，無高大建筑物，每年雷雨季節(jié)（6月～9月）接觸網(wǎng)遭受雷擊概率大，直接影響電氣化鐵道運(yùn)行安全，同時(shí)雷擊產(chǎn)生的侵入波過電壓通過接觸網(wǎng)傳入牽引變電所，可能引起所內(nèi)電器設(shè)備損壞，造成更大的供電事故。

圖1 有加強(qiáng)線安裝圖

5 京滬高鐵虹橋至南京南接觸網(wǎng)防雷改造試驗(yàn)方案實(shí)施情況

為降低雷害威脅，研究及完善防雷措施和方案，2012年底對(duì)昆山南牽引所京滬高鐵4個(gè)供電臂的接觸網(wǎng)進(jìn)行了防雷試驗(yàn)改造：第一AT段加強(qiáng)線全部退出，第二AT段無加強(qiáng)線區(qū)段在柱頂增設(shè)架空地線。2013年上半年又對(duì)全線加強(qiáng)線進(jìn)行了應(yīng)急退出防雷試驗(yàn)改造。具體試驗(yàn)方案如下。

5.1 接觸網(wǎng)防雷改造試驗(yàn)方案

（1）無加強(qiáng)線區(qū)段增設(shè)架空地線。在接觸網(wǎng)支柱頂部設(shè)置高度為1 m的地線肩架，為對(duì)正饋線和接觸網(wǎng)形成有效的屏蔽，新增一根鋁包鋼芯鋁絞線JL/LB1A-63-6/1架空地線，最大張力為6.5 kN。同時(shí)，路基區(qū)段還應(yīng)在支柱與基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)留的接地螺栓間增設(shè)70型銅芯電纜，以便為雷電流提供可靠的泄流通路，如圖2。新增架空地線對(duì)正饋線、承力索的保護(hù)角分別約為400和600。

（2）有加強(qiáng)線區(qū)段，加強(qiáng)線退出運(yùn)行，與接觸網(wǎng)支柱短接，加強(qiáng)線變?yōu)橹敿芸盏鼐€。加強(qiáng)線退出時(shí)，拆除加強(qiáng)線與接觸懸掛之間以及變電所出口附近加強(qiáng)線與T線之間的電連接，并在每個(gè)加強(qiáng)線固定點(diǎn)處將加強(qiáng)線支柱絕緣子短接，同時(shí)位于路基段的接觸網(wǎng)支柱通過70型銅芯電纜與支柱基礎(chǔ)的預(yù)埋接地螺栓連接，完成架空地線的整體接地連接，為雷電流提供可靠的泄流通路。橋梁地段架空地線與綜合貫通地網(wǎng)相連接，接地電阻小于1 Ω；路基段架空地線單支柱接地電阻小于10 Ω。需要注意，為保護(hù)其他設(shè)備（調(diào)諧單元、空芯線圈、扼流變壓器、空扼流變壓器、道岔融雪設(shè)備、信號(hào)機(jī)等）運(yùn)行安全，接地支柱小于15 m，該支柱與基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)留的接地螺栓間不再增設(shè)電氣接續(xù)線。

圖2 新增架空地線安裝示意圖

5.2 京滬虹橋至南京南高鐵接觸網(wǎng)防雷改造試驗(yàn)效果分析

（1）昆山南牽引所防雷改造試驗(yàn)后效果對(duì)比。2012年8月初，昆山南牽引所4個(gè)供電臂的第一AT段加強(qiáng)線退出運(yùn)行并接地，加強(qiáng)線變?yōu)橹敿芸盏鼐€。2013年1月底，4個(gè)供電臂的第二AT段柱頂架設(shè)架空地線完成。昆山南牽引所防雷試驗(yàn)改造方案實(shí)施后，近三年跳閘件數(shù)情況如表1。對(duì)表1數(shù)據(jù)分析，防雷改造試驗(yàn)方案實(shí)施后，相比于未進(jìn)行改造的2011年，跳閘件數(shù)明顯下降，同時(shí)根據(jù)牽引所跳閘數(shù)據(jù)分析，發(fā)生跳閘的地段位于無法進(jìn)行防雷改造試驗(yàn)的分區(qū)所合架供電線區(qū)段，通過防雷試驗(yàn)，效果明顯。

表1 昆山南牽引所跳閘件數(shù)對(duì)比表

（2）虹橋至南京南間加強(qiáng)線退出運(yùn)行變?yōu)橹敿芸盏鼐€后效果對(duì)比。2013年5月底，京滬高鐵全線加強(qiáng)線退出運(yùn)行，與接觸網(wǎng)支柱短接，加強(qiáng)線改為柱頂架空地線。表2選取雷雨天氣活動(dòng)頻繁的5個(gè)牽引所對(duì)比，跳閘情況對(duì)比如表2。

表2 京滬高鐵五座牽引所跳閘件數(shù)對(duì)比表

從表2數(shù)據(jù)分析看出，2013年五座牽引所，在加強(qiáng)線改為柱頂架空地線后，由于雷雨天氣引起的設(shè)備跳閘件數(shù)明顯下降，且主要發(fā)生在沒有柱頂架空地線的第二AT區(qū)段，第一AT區(qū)段僅發(fā)生1次跳閘；而2012年雷雨天氣引起的設(shè)備跳閘第一AT區(qū)段多達(dá)12次。由此可見，加強(qiáng)線變?yōu)橹敿芸盏鼐€后，防雷效果非常顯著。

6 結(jié)論

高鐵接觸網(wǎng)系統(tǒng)的防雷，應(yīng)使其具有良好的防雷性能是保障安全運(yùn)營(yíng)的基本條件之一，京滬高鐵虹橋至南京南接觸網(wǎng)防雷試驗(yàn)改造，根據(jù)全線雷電活動(dòng)情況，結(jié)合運(yùn)行實(shí)際，因地制宜，采取加強(qiáng)線退出變?yōu)橹敿芸盏鼐€方案或柱頂新增架空地線方案，均取得了良好的防雷效果，并證明強(qiáng)雷區(qū)的高鐵接觸網(wǎng)在柱頂設(shè)置避雷線是一種行之有效的防雷方案。

當(dāng)然，雷電防護(hù)問題從原理上無論采用何種措施，只能減少雷電引起的故障概率或跳閘概率，不可能完全避免雷電傷害，因此接觸網(wǎng)防雷措施應(yīng)根據(jù)防護(hù)效果、投資、工程優(yōu)缺點(diǎn)等因素選擇，在吸收國(guó)外高速鐵路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和成熟經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，應(yīng)組織有關(guān)部門進(jìn)行理論研究及綜合試驗(yàn)，達(dá)到提高線路運(yùn)行高可靠性及牽引供電系統(tǒng)少維護(hù)的目的。