高速鐵路接觸網(wǎng)防雷技術(shù)

孫少江

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高速鐵路接觸網(wǎng)防雷技術(shù)

孫少江

通過對(duì)武廣高鐵、廣深港等鐵路防雷接地技術(shù)改造前后接觸網(wǎng)雷擊跳閘的統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)比了不同防雷方式的防雷效果，總結(jié)了高速鐵路接觸網(wǎng)防雷接地的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，提出了幾點(diǎn)提高強(qiáng)雷區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)耐雷水平的建議。

防雷；避雷線；避雷器；接地電阻

0 引言

沿海地區(qū)由于受到特殊地理位置和氣候條件的影響，處于高、強(qiáng)雷地區(qū)的高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)遭遇雷擊比較頻繁，雷擊問題是干擾高速鐵路接觸網(wǎng)安全運(yùn)行而需要研究的重要課題之一。

接觸網(wǎng)作為牽引供電系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)之一，其露天無(wú)備份特性決定了接觸網(wǎng)必須具備相應(yīng)的雷擊過電壓防護(hù)措施[1]，以確保電力機(jī)車取流安全。我國(guó)電氣化鐵路分布廣，地理位置差異大，氣候環(huán)境復(fù)雜，根據(jù)不同鐵路等級(jí)、不同地區(qū)雷暴狀況及不同地理位置防雷需求，因地制宜地采取針對(duì)性雷擊過電壓保護(hù)措施是保障電氣化鐵路運(yùn)輸安全的重要研究課題[2]。

分析供電運(yùn)營(yíng)部門提供的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)雷擊事故比較頻繁的是沿海地區(qū)及高架橋上的線路，而我國(guó)高鐵又大多建在高架橋上，沿海地區(qū)則是雷暴活動(dòng)頻繁的地區(qū)，雷擊對(duì)當(dāng)?shù)馗咚勹F路供電安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，研究有效的接觸網(wǎng)防雷擊措施以避免雷擊事件造成損失具有重要意義。

本文以處于全國(guó)強(qiáng)雷區(qū)的3條高速鐵路接觸網(wǎng)采用的防雷技術(shù)措施為例進(jìn)行研究，對(duì)比分析不同防雷改造項(xiàng)目所采用的防雷技術(shù)，總結(jié)高速鐵路強(qiáng)雷區(qū)接觸網(wǎng)防雷經(jīng)驗(yàn)和改進(jìn)措施。

1 高速鐵路接觸網(wǎng)雷害情況

武廣高鐵南段、廣深港高鐵均位于廣東省境內(nèi)的強(qiáng)雷區(qū)，海南東環(huán)鐵路位于海南省，年平均雷電日約120 d，最高可達(dá)149 d，雷擊頻率和強(qiáng)度居全國(guó)之首。武廣高鐵南段、廣深港高鐵、海南東環(huán)鐵路運(yùn)營(yíng)初期接觸網(wǎng)雷擊跳閘情況如表1所示。數(shù)據(jù)表明，雷擊是造成接觸網(wǎng)跳閘的主要因素之一，采取高速鐵路接觸網(wǎng)防雷技術(shù)措施是降低跳閘率，提高牽引供電穩(wěn)定性的必要手段。

表1 高速鐵路接觸網(wǎng)雷擊跳閘情況統(tǒng)計(jì)表

2 高速鐵路接觸網(wǎng)防雷接地主要技術(shù)措施

目前高速鐵路接觸網(wǎng)采取的主要防雷技術(shù)措施為架設(shè)避雷線、增設(shè)避雷器、增強(qiáng)接觸網(wǎng)絕緣強(qiáng)度、降低接觸網(wǎng)接地電阻等。

2.1 架設(shè)避雷線

避雷線防雷是在雷電先導(dǎo)階段，避雷線頂部聚積電荷后于發(fā)展先導(dǎo)和避雷線頂端之間的通道中建立強(qiáng)電場(chǎng)，避雷線迎面先導(dǎo)的產(chǎn)生和發(fā)展進(jìn)一步加強(qiáng)了該通道中的電場(chǎng)強(qiáng)度，最后引導(dǎo)雷電選定并擊中避雷線，使被保護(hù)物遭受直擊雷的概率大幅降低。當(dāng)接觸網(wǎng)附近地面遭受雷擊時(shí)，雷電流致使導(dǎo)線產(chǎn)生很強(qiáng)的感應(yīng)過電壓，而避雷線與接觸網(wǎng)導(dǎo)線之間的耦合作用可減小絕緣子承受的感應(yīng)電壓。因此，避雷線不僅可以有效降低接觸網(wǎng)遭受直擊雷的概率，還可以降低因感應(yīng)過電壓而導(dǎo)致絕緣子擊穿閃絡(luò)的概率[3]。

采用避雷線防雷，首先需要確定避雷線保護(hù)范圍和保護(hù)角，以確定避雷線安裝高度。避雷線保護(hù)角選取隨線路電壓等級(jí)增加而減小，保護(hù)角越小，其防直擊雷效果越好，選取角度一般不大于45°。保護(hù)范圍計(jì)算通常通過折線法及滾球法2種算法。

（1）折線法。采用單根避雷線時(shí)，高度為x水平面上避雷線兩側(cè)保護(hù)范圍寬度的計(jì)算式為

式中，x為避雷線保護(hù)半徑，m；為避雷線高度，m；為高度影響系數(shù)，當(dāng)避雷線高度不大于30 m時(shí)，= 1。

采用雙根等高避雷線時(shí)，維持保護(hù)角不變，雙線外側(cè)保護(hù)范圍與單線外側(cè)保護(hù)范圍一致，線間保護(hù)范圍由避雷線及保護(hù)范圍上部邊緣最低點(diǎn)的圓弧確定，最低點(diǎn)計(jì)算式為

0=-(/ 4) （2）

式中，為雙根避雷線間距，m。

（2）滾球法。單根避雷線在被保護(hù)物高度平面上的保護(hù)半徑計(jì)算式為

式中，r為滾球半徑，取值45 m。

采用雙根避雷線時(shí)，考慮到接觸網(wǎng)避雷線高度小于最小的一類防雷建筑滾球半徑，且避雷線間距的一半必然小于單根避雷線在地面的保護(hù)半徑，故距兩避雷線連線中點(diǎn)距離為處的最大保護(hù)高度x的計(jì)算式為

即距兩避雷線連線中點(diǎn)距離為，且高度為x時(shí)的設(shè)備可得到保護(hù)。

2.2 增設(shè)避雷器

避雷器防雷是利用其沖擊放電電壓低于接觸網(wǎng)絕緣（空氣間隙和絕緣子）及電力機(jī)車車頂保護(hù)裝置（保護(hù)間隙和車頂避雷器）的沖擊放電電壓，使雷擊時(shí)接觸網(wǎng)上的避雷器先于上述保護(hù)裝置放電，避免上述保護(hù)裝置動(dòng)作引起變電所斷路器跳閘，從而降低接觸網(wǎng)雷擊跳閘率，提高線路的耐雷水平。但接觸網(wǎng)避雷器也有其自身的保護(hù)距離，以常用的MOA避雷器為例，雷擊線路時(shí)其保護(hù)距離的計(jì)算式為[4]

≤1 560（5）

式中，為接觸網(wǎng)波阻抗，Ω；為接觸網(wǎng)耐雷水平，kA；J為機(jī)車保護(hù)間隙放電電壓。

當(dāng)雷擊大地產(chǎn)生感應(yīng)雷時(shí)，感應(yīng)雷過電壓大小由下式確定：

=1（6）

式中，為常數(shù)，國(guó)外研究通常取值38.8；1為修正系數(shù)，國(guó)內(nèi)研究通常直接取值1= 25；為雷電流幅值，kA；為接觸網(wǎng)高度，m；為雷擊點(diǎn)至接觸網(wǎng)垂直距離，m。

此時(shí)，避雷器感應(yīng)雷保護(hù)范圍為[5]

式中，m為接觸網(wǎng)額定電壓，即25 kV；50%為線路絕緣子雷電沖擊放電電壓。

此外，當(dāng)雷擊接觸網(wǎng)線路時(shí)，避雷器動(dòng)作后吸收雷電能量，吸收能量的計(jì)算式為

=ò()()d（8）

式中，()、()分別為避雷器的雷電放電電流及作用在其上的電壓；為雷電流在避雷器上作用的時(shí)間。

當(dāng)避雷器吸收該部分能量后，絕緣子及桿塔等受到的總沖擊電壓為避雷器殘壓，提升了設(shè)備的絕緣保護(hù)性能，提高了線路防雷水平[6]。

2.3 加強(qiáng)接觸網(wǎng)絕緣

高速鐵路接觸網(wǎng)大多架設(shè)在高架橋上，處于空曠區(qū)且距離地面較遠(yuǎn)，加大了接觸網(wǎng)支柱落雷的機(jī)會(huì)。當(dāng)雷擊接觸網(wǎng)支柱時(shí)，將在支柱上產(chǎn)生沖擊電壓。分析表明，70%直擊雷將導(dǎo)致絕緣子沖擊閃絡(luò)，需采用增加絕緣子串片數(shù)、使用大爬距絕緣子、加大空氣間隙等方法加強(qiáng)接觸網(wǎng)絕緣。

根據(jù)西南交通大學(xué)和中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司關(guān)于海南西環(huán)鐵路接觸網(wǎng)防雷仿真計(jì)算研究顯示，懸式絕緣子與棒式絕緣子相比，棒式絕緣子的使用較大地提高了接觸網(wǎng)耐雷水平。當(dāng)支柱接地電阻為5 Ω時(shí)，棒式絕緣子對(duì)應(yīng)的支柱耐雷水平與懸式絕緣子對(duì)應(yīng)的支柱耐雷水平相比，提高約4.57%。如圖1所示。

2.4 降低接觸網(wǎng)支柱接地電阻

若雷電直擊接觸網(wǎng)支柱，且接地電阻較大，則接觸網(wǎng)支柱頂部將產(chǎn)生高電位，絕緣子串可能發(fā)生閃絡(luò)，導(dǎo)致接觸網(wǎng)接地短路故障。因此，降低接觸網(wǎng)支柱接地電阻可降低雷擊時(shí)的電位上限，間接提高接觸網(wǎng)防雷水平，防止發(fā)生反擊現(xiàn)象。

仿真計(jì)算顯示，隨接地電阻降低，支柱耐雷水平提高，接地電阻在10W時(shí)比60W時(shí)支柱的耐雷水平提高了43.5 kA，提高了4倍。

3 強(qiáng)雷區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)防雷改造

3.1 廣深港高鐵接觸網(wǎng)防雷改造

3.1.1 設(shè)置避雷線

廣深港高速鐵路重要設(shè)備安裝處及雷害多發(fā)區(qū)段（如變電所電纜上網(wǎng)處及空曠的高架橋區(qū)段）采用升高PW線兼作避雷線（保護(hù)角取值為45°）方式作為防雷措施，其安裝方案如圖2所示。

圖2 廣深港高鐵重要區(qū)段PW線安裝圖

3.1.2 設(shè)置避雷器

全線隧道外區(qū)段設(shè)備安裝處、每個(gè)錨段關(guān)節(jié)、站場(chǎng)兩端及長(zhǎng)大橋、隧道兩端均加裝避雷器。

3.2 武廣高鐵接觸網(wǎng)防雷改造

3.2.1 架設(shè)獨(dú)立避雷線

避雷線的保護(hù)效果很大程度取決于避雷線的安裝高度，根據(jù)滾球法計(jì)算分析，一般中間柱處，只要避雷線位于柱頂附加導(dǎo)線肩架之上即可將正饋線、承力索納入保護(hù)范圍之內(nèi)，此時(shí)避雷線肩架柱頂以上部分為0.7 m。在錨段關(guān)節(jié)處，尤其是絕緣錨段關(guān)節(jié)處，由于承力索抬高，避雷線也需要相應(yīng)抬高，此時(shí)避雷線肩架柱頂以上部分為1.3 m。為便于零件制造安裝，武廣高鐵避雷線肩架柱頂以上統(tǒng)一按照1.3 m進(jìn)行設(shè)計(jì)。

由于武廣高鐵PW線采用非絕緣安裝，而PW線通過吸上線、H形鋼柱等與綜合接地系統(tǒng)相連，為使避雷線與綜合接地系統(tǒng)及弱電設(shè)備相對(duì)隔離，避雷線采用如圖3所示的絕緣安裝形式。

3.2.2 武廣高鐵南段接觸網(wǎng)防雷補(bǔ)強(qiáng)改造

武廣高鐵南段處于廣東省內(nèi)強(qiáng)雷區(qū)，需進(jìn)行特殊防雷補(bǔ)強(qiáng)改造，改造方案為：老唐屋變電所213、214供電臂、新花都變電所213、214供電臂、廣州南變電所211、212供電臂采用絕緣安裝形式增設(shè)獨(dú)立架空地線，每隔200 m進(jìn)行單獨(dú)接地；在老唐屋變電所211、212供電臂絕緣關(guān)節(jié)兩側(cè)轉(zhuǎn)換柱、中心錨結(jié)柱附近及中心錨結(jié)與錨段關(guān)節(jié)間增設(shè)避雷器，間距為300～400 m，上網(wǎng)點(diǎn)增設(shè)帶間隙避雷器，原隧道口未設(shè)置避雷器處增設(shè)避雷器，避雷器接地采用單獨(dú)接地。

圖3 武廣高鐵避雷線絕緣安裝示意圖

3.3 海南東環(huán)鐵路接觸網(wǎng)防雷工程

3.3.1 接觸網(wǎng)防雷設(shè)計(jì)方案

結(jié)合東環(huán)鐵路氣象條件及相關(guān)計(jì)算分析，東環(huán)鐵路在滿足《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057- 1994的2000年修訂版）雷電防護(hù)需求條件下即可滿足該線雷電防護(hù)。因此，東環(huán)鐵路采用將回流線直接安裝在支柱頂部兼作避雷線的方法進(jìn)行接觸網(wǎng)防雷保護(hù)，該方案在滿足接觸網(wǎng)防雷要求的同時(shí)，減少了單獨(dú)架設(shè)避雷線的費(fèi)用，其安裝示意圖見圖4。

圖4 海南東環(huán)鐵路防雷保護(hù)范圍及支柱高度示意圖

3.3.2 設(shè)置避雷器

在錨段關(guān)節(jié)式電分相處、絕緣錨段關(guān)節(jié)處、供電線上網(wǎng)處、分區(qū)所、開閉所引入線處、長(zhǎng)度 2 000 m及以上的隧道口或連續(xù)的隧道群兩端、電纜接頭處等重點(diǎn)位置設(shè)置氧化鋅避雷器。

4 強(qiáng)雷區(qū)接觸網(wǎng)防雷工程成效對(duì)比

以武廣高鐵為例，其在2013年防雷改造過程中，老唐屋牽引變電所211、212供電臂采取增加氧化鋅避雷器的方式進(jìn)行了防雷加強(qiáng)；老唐屋牽引變電所213、214供電臂以及花都—廣州南區(qū)間采取增設(shè)架空地線（避雷線）的防雷改造措施。改造前后各區(qū)段近幾年跳閘數(shù)據(jù)對(duì)比分析見表2。

表2 防雷改造前后接觸網(wǎng)雷擊跳閘統(tǒng)計(jì)表

對(duì)比分析2013年與2014年、2015年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采取防雷改造措施后，雷擊跳閘次數(shù)明顯減少。

分析表2統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，采用加裝避雷線防雷的區(qū)段在2014年、2015年均未發(fā)生跳閘，與2013年同期相比下降100%，達(dá)到了預(yù)期的防雷效果，有效地降低了因雷擊而導(dǎo)致的跳閘次數(shù)，減少了對(duì)列車運(yùn)行的干擾。

采用加裝避雷器防雷的區(qū)段，2014年、2015年各發(fā)生2次跳閘，其中距離最近避雷器僅50 m，與2013年同期未加裝避雷器時(shí)相比跳閘次數(shù)減少1次，下降33.3%。從防雷效果分析，采用加裝避雷線方式優(yōu)于采用加裝避雷器方式。

此外，根據(jù)廣州鐵路集團(tuán)公司管內(nèi)2011—2013年高速鐵路接觸網(wǎng)雷擊情況統(tǒng)計(jì)分析，海南東環(huán)鐵路雷擊跳閘占總跳閘次數(shù)比武廣高鐵、廣深港高鐵低70%；每百公里雷擊跳閘次數(shù)海南東環(huán)是武廣高鐵的4%。因此，采用避雷線進(jìn)行接觸網(wǎng)防雷改造取得了非常好的效果。

5 強(qiáng)雷區(qū)接觸網(wǎng)防雷改進(jìn)措施建議

（1）根據(jù)武廣高鐵、海南東環(huán)鐵路、廣深港高速鐵路防雷工程實(shí)際效果分析可知，當(dāng)線路處于強(qiáng)雷區(qū)時(shí)，架設(shè)避雷線作為主要防雷措施，可極大提高線路耐雷水平。另外，既有運(yùn)營(yíng)線路也可考慮升高PW線、回流線兼作避雷線的方式加強(qiáng)防雷，既可兼顧防雷效果，又具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

（2）根據(jù)西南交通大學(xué)和中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司海南東環(huán)鐵路接觸網(wǎng)防雷仿真計(jì)算研究表明：選用避雷器對(duì)設(shè)備耐雷水平的提升作用非常顯著，但避雷器的保護(hù)范圍非常小，只有在每2個(gè)檔距間裝設(shè)一組避雷器，其防雷效果才等同于安裝避雷線的防雷效果，此外增設(shè)避雷器可能降低接觸網(wǎng)運(yùn)行可靠性，因此不建議采用避雷器作為強(qiáng)雷區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)主要的防雷措施。但各地可根據(jù)雷電活動(dòng)情況、典型地理環(huán)境特征及設(shè)備集中程度適當(dāng)增設(shè)避雷器，且相關(guān)研究結(jié)果也顯示，通過安裝避雷器與降低接地電阻配合使用的方式，可有效提高線路耐雷水平，具體數(shù)據(jù)可參見表3。

表3 安裝避雷器后不同接地電阻接觸網(wǎng)耐雷水平表

（3）除采取避雷線、避雷器等吸收直擊雷方式加強(qiáng)防雷外，強(qiáng)雷區(qū)段可通過采用優(yōu)化設(shè)計(jì)絕緣子間隙形狀、適當(dāng)調(diào)整間隙距離的方法，利用絕緣子間隙疏導(dǎo)雷電流，達(dá)到防絕緣閃絡(luò)、提高沖擊放電電壓水平的目的，間接提高線路耐雷水平。

（4）除單獨(dú)采用上述防雷措施外，根據(jù)雷電特性及強(qiáng)雷區(qū)其他現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，也可采取其他防雷措施，如采用雙重絕緣、減小接觸網(wǎng)支柱接地電阻、提高AF線絕緣強(qiáng)度等組合方式，取得更為理想的防雷效果。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為解決沿海高速鐵路處于高、強(qiáng)雷地理氣象環(huán)境下，遭受雷擊造成接觸網(wǎng)跳閘頻繁的問題，采用架設(shè)避雷線及降低接地電阻措施進(jìn)行接觸網(wǎng)防雷保護(hù)，效果最佳，方案切實(shí)可行，經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益可觀，建議在沿海高速鐵路中進(jìn)行推廣應(yīng)用。同時(shí)，建議在沿海高普速及內(nèi)陸高、強(qiáng)雷地區(qū)電氣化鐵路中將其作為既有線改造、新線建設(shè)的接觸網(wǎng)防雷保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)施。

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On the basis of analyzing the statistics of overhead contact system tripping caused by the lightning stroke before and after reconstruction of lightning protection earthing technologies for Wuhan-Guangzhou railways and Guangzhou-Shenzhen railways, the paper illustrates the comparison of the lightning protection effects under different lightning protection modes, summarizes the experiences and lessons to be learnt, and puts forward proposals for lightning resistance level of the overhead contact system for high speed railways at strong thunderstorm regions.

Lightning protection; lightning wire; lightning arrestor; earthing resistance

U226.8+3

B

1007-936X(2017)03-0043-06

2017-01-20

孫少江.廣州鐵路集團(tuán)廣州供電段，工程師，電話：020-61358823。