電氣化鐵路接觸網(wǎng)防雷技術(shù)研究

李學(xué)武，陳樂瑞

電氣化鐵路接觸網(wǎng)防雷技術(shù)研究

李學(xué)武，陳樂瑞

分析了國內(nèi)外接觸網(wǎng)防雷現(xiàn)狀，對(duì)接觸網(wǎng)雷害和相關(guān)防雷技術(shù)進(jìn)行分類討論，并結(jié)合京滬高鐵接觸網(wǎng)系統(tǒng)防雷存在的缺陷提出了改進(jìn)措施。

接觸網(wǎng)系統(tǒng)；電氣化鐵道；防雷

0 引言

我國電氣化鐵路橫跨東西縱貫?zāi)媳保?jīng)地區(qū)地理氣候千差萬別，情況復(fù)雜，尤其是高速鐵路采用高架橋形式，接觸網(wǎng)成為小區(qū)域內(nèi)的相對(duì)高點(diǎn)，使得其遭受雷害的幾率大大增加，一旦遭受雷擊則易造成絕緣閃絡(luò)斷裂、線路跳閘等事故，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致列車停運(yùn)，對(duì)鐵路運(yùn)輸造成巨大影響。因此，接觸網(wǎng)的防雷是實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路安全、穩(wěn)定、不間斷供電的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

1 防雷設(shè)計(jì)概況

1.1 國內(nèi)接觸網(wǎng)防雷現(xiàn)狀

根據(jù)鐵道電氣化設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)定[1]：針對(duì)重雷區(qū)應(yīng)該安裝避雷裝置。重點(diǎn)安裝部位包括：分相和站場(chǎng)端的絕緣關(guān)節(jié)、長(zhǎng)度超過2 000 m隧道兩端、供電線或AF線連接到接觸網(wǎng)上的連接處。

統(tǒng)計(jì)表明，目前國內(nèi)對(duì)接觸網(wǎng)線路的防雷措施并不完善，因接觸網(wǎng)遭雷擊而引發(fā)的雷害現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，尤其是雷害活動(dòng)頻繁的路段。例如2011年7—8月京滬高鐵因雷擊造成的跳閘達(dá)到213起，占跳閘總數(shù)的93%，導(dǎo)致列車大面積晚點(diǎn)，給鐵路運(yùn)輸造成了重大損失。

1.2 國外接觸網(wǎng)防雷措施

在德國，接觸網(wǎng)防雷措施的出發(fā)點(diǎn)是：每100 km接觸網(wǎng)在一年時(shí)間內(nèi)可能遭受1次雷擊，并且不考慮直擊雷的防護(hù)。僅在雷電頻繁發(fā)生的地區(qū)采用避雷器實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電過電壓的限制，而在其他區(qū)域則不設(shè)置防雷裝置。

日本是典型的海洋島國，雷電活動(dòng)頻繁。以雷擊頻度及線路重要程度為基準(zhǔn)，用A、B、C三個(gè)區(qū)域劃分國土的防雷等級(jí)，規(guī)定了相應(yīng)的防雷措施。如表1所示[2]。

2 接觸網(wǎng)系統(tǒng)雷害分類

根據(jù)雷擊的部位不同，雷擊接觸網(wǎng)線路可分為3種情況：雷擊接觸網(wǎng)地面；雷擊支柱；雷直擊接觸網(wǎng)。前兩種情況都是由于電磁場(chǎng)的劇烈變化，在接觸網(wǎng)上產(chǎn)生感應(yīng)過電壓；后者則是由于流經(jīng)接觸網(wǎng)很大的雷電流所形成的行波過電壓[2]。

2.1 雷擊接觸網(wǎng)附近地面

當(dāng)雷擊點(diǎn)距接觸網(wǎng)的距離S＞65 m時(shí)，接觸網(wǎng)上的感應(yīng)過電壓最大值可由式（1）計(jì)算[3]：

50%閃絡(luò)電壓是衡量絕緣子耐雷水平的重要參數(shù)，即當(dāng)絕緣子上的電壓超過該值時(shí)即發(fā)生閃絡(luò)。以盤式絕緣子和棒式絕緣子的50%閃絡(luò)電壓U50%為臨界值，則接觸網(wǎng)的耐雷水平為

2.2 雷擊接觸網(wǎng)支柱

雷擊接觸網(wǎng)支柱也會(huì)引起絕緣子閃絡(luò)。當(dāng)雷擊支柱時(shí)，雷電流通過支柱流入大地形成反擊過電壓，再加上接觸網(wǎng)導(dǎo)線上產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，將會(huì)產(chǎn)生很高的雷電過電壓。

表1 日本防雷等級(jí)及措施一覽表

雷擊支柱時(shí)，支柱上產(chǎn)生的沖擊電壓為

雷擊支柱時(shí)，雷云放電使得電磁場(chǎng)迅速變化，由電磁感應(yīng)使得線路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，且其極性與雷電流相反。按照一般慣例，在防雷設(shè)計(jì)中，雷電流波形取斜角平頂波，波頭長(zhǎng)度2.6 μs，其值按式（4）計(jì)算：

式中，U2為感應(yīng)電壓；h為導(dǎo)線離地高度，m。

接觸網(wǎng)棒式絕緣子實(shí)際承受的電壓為雷擊產(chǎn)生的反擊過電壓與接觸網(wǎng)上的感應(yīng)過電壓之和[4]，即：

由式（5）可看出，線路絕緣子串上的雷電過電壓與陡度、電流、導(dǎo)線高度和支柱接地電阻有關(guān)。如果U大于或等于接觸網(wǎng)棒式絕緣子串U50%雷電沖擊放電電壓時(shí)，支柱將對(duì)線路產(chǎn)生反擊，線路的耐雷水平為

2.3 雷直擊接觸網(wǎng)

如圖1所示，雷擊于A點(diǎn)。雷電流將沿接觸網(wǎng)兩側(cè)流動(dòng)，由于接觸網(wǎng)很長(zhǎng)，可認(rèn)為分布在兩側(cè)的雷電流是對(duì)稱的。假設(shè)雷電流幅值為I，根據(jù)雷電流的定義，沿雷云放電通道襲來的電流幅值就為，若雷電通道的波阻抗為Z0，線路導(dǎo)線的波阻抗為Z，其等效電路如圖2所示，按照彼德遜法則，則雷擊點(diǎn)A的直擊雷過電壓為

粗略估計(jì)時(shí)，可取Z = 2Z0，對(duì)于架空線路，有關(guān)規(guī)程推薦雷擊導(dǎo)線時(shí)，取線路波阻抗Z = 400 Ω，則雷擊點(diǎn)過電壓為[4]

則耐雷水平為

圖1 雷直擊接觸網(wǎng)示意圖

圖2 等效電路圖

3 接觸網(wǎng)系統(tǒng)防雷

3.1 接觸網(wǎng)防雷原則

通過分析研究，接觸網(wǎng)需遵循的防雷原則[5]：劃分雷區(qū)等級(jí)，記錄雷擊跳閘率，二者結(jié)合，制定合理的防雷措施；戰(zhàn)場(chǎng)防雷和站房接觸網(wǎng)防雷相結(jié)合；接地系統(tǒng)和接觸網(wǎng)防雷改造相結(jié)合；各種避雷裝置互相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)；避雷器和接閃器相結(jié)合。

3.2 防雷關(guān)鍵技術(shù)

由國內(nèi)外的防雷措施和防雷經(jīng)驗(yàn)可知，現(xiàn)階段防雷技術(shù)主要有以下幾點(diǎn)[6]：

（1）安裝避雷線防雷。經(jīng)驗(yàn)表明架設(shè)避雷線有助于提高耐雷水平。架設(shè)避雷線主要是防直擊雷，由于接觸網(wǎng)系統(tǒng)的絕緣等級(jí)較低，在雷電過電壓引起的絕緣子閃絡(luò)中，感應(yīng)雷過電壓引起的閃絡(luò)占絕大部分，故架設(shè)避雷線除了防直擊雷外，還應(yīng)該具有防感應(yīng)雷的功能。避雷線可以安裝在承力索上方或者支柱上方。

（2）安裝避雷器防雷。避雷器數(shù)目越多，雷擊跳閘率就越低，因此要達(dá)到較好的避雷效果，避雷器就要密集安裝。然而，避雷器對(duì)過電壓的保護(hù)是有限的，并不適合所有區(qū)段，因此在雷擊比較集中的地段安裝線路避雷器，效果比較理想。

（3）選用合適的絕緣子。雷電使絕緣子損壞后絕緣性能無法恢復(fù)是導(dǎo)致牽引供電系統(tǒng)故障的重要原因。污穢環(huán)境會(huì)使絕緣子耐受雷電過電壓的能力下降，因此，在污染嚴(yán)重或風(fēng)沙較大的地區(qū)應(yīng)采用大爬距、抗污性能好的復(fù)合絕緣子；雷雨天雨水在絕緣子表面形成的水流造成絕緣閃絡(luò)也是常見的情況，故可選用傘裙結(jié)構(gòu)和大爬距的絕緣子。

（4）可靠接地。接地技術(shù)也是防雷技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可靠地接地使得雷電流順利釋放。從工作性質(zhì)上接地可分為工作接地和安全接地。

4 現(xiàn)有防雷體系的缺陷以及改進(jìn)措施

根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》和《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》，結(jié)合京滬高鐵防雷措施存在的缺陷[7]，本文在充分分析和研究基礎(chǔ)上提出了以下改進(jìn)措施。

（1）加強(qiáng)對(duì)直擊雷防護(hù)。京滬高鐵接觸網(wǎng)防雷設(shè)計(jì)主要參考電力系統(tǒng)35 kV輸電線路，全線大部分都未設(shè)置避雷線。由于現(xiàn)行的接觸網(wǎng)系統(tǒng)僅在關(guān)鍵部位增加避雷器和接觸網(wǎng)本身的架設(shè)高度，導(dǎo)致現(xiàn)行的防雷體系在實(shí)際運(yùn)行中對(duì)直擊雷和感應(yīng)雷的防范效果并不好，尤其是對(duì)直擊雷。改進(jìn)措施是增加避雷線。

（2）采用避雷器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。京滬高鐵目前安裝的避雷器大都采用氧化鋅避雷器，這種避雷器存在的缺陷是電阻片隨著動(dòng)作次數(shù)而老化引起失效現(xiàn)象。采用避雷器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)是將泄漏電流監(jiān)測(cè)裝置和避雷器放電計(jì)數(shù)器整合在一起進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過監(jiān)測(cè)避雷器漏電流大小和計(jì)數(shù)器動(dòng)作次數(shù)，及時(shí)掌握避雷器的運(yùn)行性能。

（3）考慮不同區(qū)域雷電防護(hù)的差異性。京滬高鐵全線長(zhǎng)1 318 km，同一線路不同地區(qū)雷電頻度、強(qiáng)度和土壤電阻率差異很大。建議根據(jù)不同區(qū)域歷年雷擊跳閘數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)，土壤參數(shù)等因地制宜，設(shè)計(jì)安裝不同類型和規(guī)格的避雷裝置。

5 結(jié)語

結(jié)合京滬高鐵現(xiàn)有的防雷體系，分析雷電對(duì)接觸網(wǎng)造成的危害、防雷重點(diǎn)部位、防雷措施等，發(fā)現(xiàn)其中的缺陷并進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)，這些措施對(duì)京滬線上防止接觸網(wǎng)雷擊跳閘，提高接觸網(wǎng)防雷性能，保證鐵路運(yùn)輸?shù)目煽啃跃哂兄笇?dǎo)意義。

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The article analyses the current situation at home and abroad contract s lightning, makes a classified discussion on lightning disturbance and relevant lightning protection technology, and points out the defects of lightning protection in our country nowadays, provides some guidance for catenary system lightning protection.

OCS; electric railway; lightning protection

U225.4

B

1007-936X(2015)01-0008-03

2014-06-28

李學(xué)武.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，副教授，電話：13937101281；

陳樂瑞.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，助教。