大西高鐵接觸網(wǎng)防雷優(yōu)化措施研究

肖志剛

大西高鐵接觸網(wǎng)防雷優(yōu)化措施研究

肖志剛

為保證接觸網(wǎng)運行的高可靠性，在分析德國、日本接觸網(wǎng)防雷措施的基礎(chǔ)上，針對大西高鐵部分線路遭受雷擊頻繁狀況，進(jìn)行跳閘統(tǒng)計分析，提出大西高鐵接觸網(wǎng)系統(tǒng)防雷的改建建議，根據(jù)其特定狀況，在技術(shù)可行、施工方便、投資適中、影響行車小，可靠可實施的防雷措施要求下進(jìn)行增減措施，以便達(dá)到良好的防雷效果。

大西高鐵；接觸網(wǎng)系統(tǒng)；防雷

0 引言

隨著我國客運專線的建設(shè)，高架橋被大量采用。相對普通電氣化鐵路，高鐵接觸網(wǎng)對地高度和收集雷擊的寬度加大，遭受雷擊的概率增大，同時高速鐵路對供電可靠性要求比常速鐵路要高很多。接觸網(wǎng)是無備用系統(tǒng)，雷擊一旦形成永久性故障將造成供電區(qū)段的停運，為了保障線路的供電安全，降低對列車的運行影響，提高接觸網(wǎng)雷害防護(hù)水平就顯得極為迫切[1～2]。

大西高鐵太原管段自聯(lián)調(diào)聯(lián)試、試運行至2014年7月1日正式運行以來，在雷雨天氣確定為雷擊或疑似雷擊的跳閘故障有10件，其中4件已找到故障點，6件未找到故障點。據(jù)統(tǒng)計，太原局管內(nèi)雷擊或疑似雷擊跳閘故障共計23次，所有雷擊跳閘均重合成功，未對正常行車造成影響，但因雷擊造成了部分絕緣子損壞，正饋線燒傷等事故。

1 大西高鐵接觸網(wǎng)現(xiàn)狀及現(xiàn)有防雷措施

大西高速鐵路原運段設(shè)牽引變電所10座、分區(qū)所11處、AT所18處。高速正線除引入太原樞紐采用帶回流線的直接供電方式以外，其余均采用AT供電方式。

根據(jù)初步設(shè)計批復(fù)以及施工圖文件，大西高鐵處于多雷區(qū)，接觸網(wǎng)根據(jù)《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》以及《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》確定現(xiàn)有防雷措施：在供電線上網(wǎng)點、電分相處、絕緣關(guān)節(jié)處、隧道口、部分高架橋處設(shè)置氧化鋅避雷器[3]。

2 大西高鐵接觸網(wǎng)雷擊特性計算分析

大西高速鐵路接觸網(wǎng)的線路結(jié)構(gòu)有2種：直接供電加回流線的供電方式和AT供電方式。

雷擊有直擊雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓2種形式。線路防雷性能的優(yōu)劣主要由耐雷水平及雷擊跳閘率來衡量[4～6]。

2.1 大西高鐵接觸網(wǎng)直擊雷閃絡(luò)概率分析

對直擊雷擊中接觸網(wǎng)的情況進(jìn)行計算。

接觸網(wǎng)是沒有避雷線保護(hù)的線路，當(dāng)雷擊導(dǎo)線時，其等值電路如圖1所示。

Z0為雷電通道波阻抗，Z/2為雷擊點兩邊導(dǎo)線的并聯(lián)波阻抗。加在線路絕緣上的電壓峰值為

圖1 等值電路圖

計算模型如圖2所示。

圖2 計算模型圖

對無避雷線的接觸網(wǎng)可近似計算接觸網(wǎng)波阻抗為455 Ω。如果Um大于絕緣子的沖擊放電電壓U50%，就會發(fā)生閃絡(luò)。因此求得接觸網(wǎng)線路的耐雷水平為

由此，可以得出雷電流大于或等于2.56 kA出現(xiàn)的概率：

計算得P = 94%，可見耐雷水平是相當(dāng)?shù)偷摹?/p>

依據(jù)文獻(xiàn)[7]計算得出復(fù)線的年雷擊跳閘次數(shù)為4.25次/(100 km·年)，雷電日按40 d考慮。由此可見接觸網(wǎng)耐直擊雷水平較低，小于4 kA，而高于線路耐雷水平的雷電出現(xiàn)概率高于90%，絕大多數(shù)的線路落雷都會導(dǎo)致絕緣擊穿閃絡(luò)。

2.2 大西高鐵接觸網(wǎng)雷電感應(yīng)閃絡(luò)概率分析

采用前述分析方法分析了接觸網(wǎng)附近落雷時線路雷電感應(yīng)閃絡(luò)的發(fā)生概率。對于AF線安裝瓷棒懸式絕緣子的線路來說，AF線絕緣子雷電沖擊電壓較小，但同時感應(yīng)雷的閃絡(luò)概率也與線路高度相關(guān)，因此在計算時綜合考慮兩種因素，選取合適的對象。

3 牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)雷電防護(hù)方案

3.1 大西線接觸網(wǎng)接地要求

（1）對距接觸網(wǎng)帶電體5 m以內(nèi)的既有金屬結(jié)構(gòu)物均應(yīng)實現(xiàn)安全接地（新建結(jié)構(gòu)一次性接地），接地電阻達(dá)到表1要求。

（2）隔離開關(guān)、避雷器等設(shè)備雙接地，一端接綜合地線、另一端接保護(hù)線。

（3）獨立供電線支柱成排時設(shè)架空地線集中接地，個別支柱接接地極單獨接地。

（4）接地電阻值不應(yīng)超過表1所列范圍。

表1 最大接地電阻值表

（5）避雷線每500 m左右設(shè)接地引下線1處，分別引至綜合接地線和PW線。避雷線與綜合地線連接，確保在綜合地線上的接入點與其他弱電設(shè)備在貫通地線的接入點間距不應(yīng)小于15 m，接地引接線采用規(guī)格為1×VV-1kV-1×70的銅芯電纜。

3.2 提高防護(hù)直擊雷水平

提高接觸網(wǎng)防直擊雷水平可改善接觸網(wǎng)整體防雷水平，但其基本要求是要提高整個接觸網(wǎng)絕緣配合標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)行可參照的最低標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗就是電力系統(tǒng)110 kV等級絕緣配合標(biāo)準(zhǔn)。避雷線、帶串聯(lián)間隙避雷器和絕緣子并聯(lián)保護(hù)間隙是目前電力系統(tǒng)110 kV線路常用的線路防雷措施。這3種措施的防護(hù)效果得到電力系統(tǒng)多年運行經(jīng)驗的肯定，接觸網(wǎng)防雷可作為借鑒。

結(jié)合大西高速鐵路接觸網(wǎng)的雷擊特性，針對不同線路類型，分別提出3種雷電防護(hù)方案：安裝避雷線；安裝避雷針；安裝避雷器。

3.3 提高防護(hù)感應(yīng)雷水平

上述分析得出，大西高速鐵路接觸網(wǎng)絕緣水平基本能滿足防大部分感應(yīng)雷。進(jìn)一步提高防護(hù)感應(yīng)雷水平現(xiàn)在可行的方案只有增設(shè)避雷器，但增設(shè)的效果如何很難評估，有待實踐檢驗。

4 接觸網(wǎng)直擊雷防護(hù)方案效果

（1）方案一：安裝避雷線。安裝避雷線可對AF線和T 線產(chǎn)生屏蔽，AF線和T線直接落雷（繞擊）的次數(shù)將大大降低，但是避雷線落雷的雷電流幅值較高時會造成AF線和T線絕緣子反擊閃絡(luò)。另外AF線和T線絕緣子仍存在雷電感應(yīng)閃絡(luò)的可能。

計算模型如圖3所示。

圖3 安裝避雷線防雷方案計算模型圖

架設(shè)避雷線后（保護(hù)角20°），耐雷水平由下式可求得：

式中，K為避雷線與導(dǎo)線間的耦合系數(shù)，一般取0.2～0.3；β為鋼支柱分流系數(shù)，取0.9；R為接地電阻，取10 Ω；Lt為鋼支柱電感，電感可按0.05 μH/m計算，支柱高度取8.5 m，Lt= 0.05×8 = 0.425；h為導(dǎo)線平均高度。經(jīng)計算I = 30.99 kA。由式（3）計算得P = 51.64%，可見架設(shè)避雷線時耐雷水平提高。跳閘率n = 0.535。

（2）方案二：安裝避雷針。根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057-2010附錄四“滾球法確定接閃器的保護(hù)范圍”。滾球半徑的確定：根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》第3.0.3條9款“預(yù)計雷擊次數(shù)大于0.05次/a的部、省級辦公建筑物和其他重要或人員密集的公共建筑物以及火災(zāi)危險場所?！痹摱谓佑|網(wǎng)劃為第二類防雷建筑物，滾球半徑選為45 m?！督ㄖ锓览自O(shè)計規(guī)范》附錄第0.7條中規(guī)定“所畫的地面也可是位于建筑物上的接地金屬物、其他接閃器。”因線路已進(jìn)行綜合接地，故以路肩面作為基準(zhǔn)面進(jìn)行接觸網(wǎng)防雷計算。

單支避雷針保護(hù)范圍見圖4。計算基礎(chǔ)條件為支柱高度7.5 m，避雷針高1 m。由圖4可見，單支避雷針可保護(hù)AF線，不能保護(hù)承力索。

圖4 單支避雷針保護(hù)范圍示意圖

在對側(cè)支柱也安裝避雷針時，保護(hù)范圍見圖5所示。由圖5可見，承力索、AF線均在避雷針的保護(hù)范圍內(nèi)。

圖5 側(cè)支柱保護(hù)范圍圖

（3）方案三：安裝避雷器。在支柱上安裝線路避雷器可以降低雷擊跳閘概率，雷擊跳閘的概率隨避雷器數(shù)量的增多而降低，只有當(dāng)避雷器安裝比較密集時，才能達(dá)到很好的防雷效果。高速鐵路一個錨段長度一般為1 400 m，如果每個錨段中間設(shè)置一處避雷器，相當(dāng)于每隔約28個支柱，雷擊跳閘概率PB(28) = 0.453。

在雷擊分布比較均勻的線路，需要在支柱上安裝很多避雷器，如果再考慮到避雷器的維護(hù)和老化問題，從經(jīng)濟(jì)上看密集地安裝線路避雷器不是很好地選擇。如果選擇那些雷擊比較集中的地段安裝線路避雷器，可以達(dá)到很好的防雷效果。

5 大西高鐵接觸網(wǎng)防雷優(yōu)化措施建議

防雷與線路所在地形、氣象條件密切相關(guān)，不同的地域差異較大，同一地域中線路經(jīng)過的不同地形也有一定差別，因此應(yīng)在防雷設(shè)計時充分考慮這些因素；同時也應(yīng)清楚認(rèn)識到，由于雷擊發(fā)生的時間和地點以及雷擊強(qiáng)度的隨機(jī)性，對雷擊的防范難度很大，要達(dá)到阻止和完全避免雷擊事故的發(fā)生是不可能的，只能將雷電災(zāi)害降低到最低限度，大大減小被保護(hù)的接觸網(wǎng)和牽引變電設(shè)備遭受雷擊損害的風(fēng)險。根據(jù)以上分析，并參照電力系統(tǒng)架空輸電線路的雷電防護(hù)經(jīng)驗以及結(jié)合大西高速鐵路接觸網(wǎng)的現(xiàn)狀，提出接觸網(wǎng)防雷優(yōu)化措施。

5.1 針對太原南至運城北段的防雷優(yōu)化措施

（1）增設(shè)避雷線。架設(shè)避雷線是降低接觸網(wǎng)雷擊跳閘概率和避免絕緣子損壞最有效的措施之一，但是基于大西高速接觸網(wǎng)的現(xiàn)狀，受支柱高度所限，若需避雷線將正饋線、接觸網(wǎng)全部保護(hù)到位，一種是按折角法計算，避雷線增高肩架高度須在柱頂以上約2.5 m（按45°保護(hù)角考慮），一方面增高肩架尺寸和重量較大、在支柱上固定困難、施工安裝難度大，另一方面對支柱的穩(wěn)定性有較大的影響。另一種是按滾球法計算，避雷線增高肩架高度須在柱頂以上約1 m，對支柱穩(wěn)定性影響較小，易于工程實施。新增避雷線可與正饋線、保護(hù)線同時對向下錨（利用支柱頂板，設(shè)一高度不大于300 mm的下錨底座），共用拉線基礎(chǔ)，且不再增加拉線。采取該措施后，線路直擊雷閃絡(luò)概率可降低50%左右，線路閃絡(luò)概率降低約7～9次/(100 km·年)。

（2）柱頂裝設(shè)避雷針。對已發(fā)生雷擊點的順線路兩側(cè)600 m范圍，按每對支柱裝1處避雷針。

太原至運城段已開通運營，在支柱頂加設(shè)避雷針，其高度、重量、結(jié)構(gòu)、安全、施工等受到限制；支柱絕緣子的安裝高度約0.9 m，目前已裝在獨立供電線柱上的避雷針是1 m，故避雷針維持該高度，比一般的AF線高約2 m。

雷擊跳閘經(jīng)常發(fā)生的區(qū)域的地貌特征為周邊空曠的長大橋上，且雷擊有相當(dāng)大的分散性，結(jié)合雷擊點周邊的狀況，本次在雷擊點兩側(cè)0.6 km范圍內(nèi)設(shè)避雷針，按每對支柱裝1處引雷針，形成引雷針“之”字布置方式，并根據(jù)現(xiàn)場情況優(yōu)先設(shè)置在易發(fā)生雷擊位置。

（3）對成排遠(yuǎn)離鐵路、高于接觸網(wǎng)的供電線，必須按原設(shè)計架設(shè)架空地線。

（4）對于零星高于接觸網(wǎng)的供電線柱增設(shè)1.5 m的簡易避雷針。

（5）適當(dāng)增設(shè)金屬氧化物避雷器。除原設(shè)計、已出聯(lián)系單需裝避雷器外，在發(fā)生雷擊點的高架橋按（全橋）隔1錨段增加一組避雷器，待進(jìn)一步積累運營經(jīng)驗后再逐步完善。避雷器一般只能防止安裝避雷器位置附近的感應(yīng)雷，不能防止直擊雷。

（6）在AF線對錨處，已發(fā)生雷擊跳閘并找到雷擊點的有4處發(fā)生在AF線對錨的支撐絕緣子上，將AF跳線支柱絕緣子的立式改為水平式。

5.2 針對原平西至太原北段的防雷優(yōu)化措施

（1）對成排遠(yuǎn)離鐵路、高于接觸網(wǎng)的供電線，供電線柱在原高度基礎(chǔ)上增高1.5 m（原容量、基礎(chǔ)不變），原架空地線作用為避雷線，避雷線高度比供電線高約3 m。

（2）對于零星高于接觸網(wǎng)的供電線柱增設(shè)1.5 m的簡易避雷針。

（3）AF線對錨的垂直柱式絕緣子改為普通懸掛，調(diào)整PW線距離。

（4）近鄰線路所內(nèi)避雷針當(dāng)高度接近時，其應(yīng)高于接觸網(wǎng)。

（5）除原設(shè)計避雷措施外，在上院跨朔黃鐵路特大橋（4 724 m）、柴家莊跨北云中河特大橋（10 626 m）、白石牧馬河特大橋（4 665 m）、寺莊特大橋（連接橋）（8 989 m）等4橋架設(shè)避雷線。

6 結(jié)語

上述防雷優(yōu)化建議措施是適于大西高鐵特定狀況的，在針對技術(shù)可行、施工方便、投資適中、影響行車小可靠可實施的防雷措施要求下進(jìn)行增減措施，以便達(dá)到良好的防雷效果。下一步對防雷優(yōu)化措施實施效果還須進(jìn)行現(xiàn)場驗證分析，對高鐵防雷建設(shè)積累經(jīng)驗。

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[7] 吳廣寧，曹曉斌. 軌道交通供電系統(tǒng)的防雷與接地[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

In order to guarantee high reliability of operation of overhead contract line equipment, on basis of analyzing the lightning protection measures for overhead contract line equipment in Germany and Japan, with reference of the statistical analysis of tripping of part of Datong-Xi'an high-speed rail line which is liable to frequent lightning strike, the paper puts forward a lightning protection proposal on reconstruction of overhead contract line equipment of Datong-Xi'an high-speed railway. According to the specific conditions, measurements are increased or decreased on basis of feasible technology, convenient construction, moderate investment, minor influence on train operation and reliable implementation of measures so as to achieve good lightning protection effect.

Datong-Xi'an high-speed railway; overhead contract line system; lightning protection

U226.8

：B

：1007-936X(2015)05-0010-04

2015-05-12

肖志剛.太原鐵路局供電處，工程師，電話：18518095944