淺析高鐵牽引供電網(wǎng)雷電防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

洪濤

摘 要 我國(guó)的高速鐵路路段采用高架橋敷設(shè)的比例很大，這導(dǎo)致了牽引供電對(duì)地面的高度較大，雷擊率較高。本文通過(guò)建立高鐵牽引供電網(wǎng)的雷電過(guò)電壓計(jì)算模型，設(shè)計(jì)了高架橋牽引供電網(wǎng)雷電防護(hù)系統(tǒng)，一定程度上解決了接觸網(wǎng)雷擊跳閘的概率高的情況。

關(guān)鍵詞 高速鐵路；牽引供電網(wǎng)；高架橋；雷電防護(hù)

前言

我國(guó)的高速鐵路采用高架橋敷設(shè)路段較多，這種情況下，牽引供電網(wǎng)和地面的高度甚至超過(guò)了110kV輸電線路，但絕緣水平較低，如果沒(méi)有有效的防雷措施，那么雷擊風(fēng)險(xiǎn)極高。由于牽引供電網(wǎng)是高鐵的唯一動(dòng)力來(lái)源，高鐵運(yùn)行速度快，行車(chē)密集，若出現(xiàn)供電故障，會(huì)對(duì)運(yùn)輸生產(chǎn)帶來(lái)極大的影響。

我國(guó)高鐵由于起步較晚，對(duì)牽引供電網(wǎng)的雷電防護(hù)系統(tǒng)研究較為片面；歐洲高鐵雖然技術(shù)較成熟，但由于地處高緯度地區(qū)，雷電活動(dòng)少，且高架路段也較少，雷擊率較低。日本地處中緯度調(diào)取，牽引供電網(wǎng)雷電防護(hù)模式對(duì)我國(guó)高鐵系統(tǒng)有一定的參考意義，但日本雷電活動(dòng)地區(qū)中國(guó)，且牽引供電網(wǎng)設(shè)計(jì)和我國(guó)有一定差異，其雷電防護(hù)系統(tǒng)不能簡(jiǎn)單照搬。

本文通過(guò)建立高鐵牽引供電網(wǎng)的雷電過(guò)電壓計(jì)算模型，設(shè)計(jì)了高架橋牽引供電網(wǎng)雷電防護(hù)系統(tǒng)，一定程度上解決了接觸網(wǎng)雷擊跳閘的概率高的情況。

1 基本參數(shù)

高鐵牽引供電網(wǎng)架設(shè)于高架橋上，架橋跨距為32m，高度按10和16m，高架橋由橋墩和箱梁組成，而橋墩由樁基、承臺(tái)和墩身組成，與高鐵牽引供電網(wǎng)相關(guān)聯(lián)的主要是接地導(dǎo)體的分布和設(shè)計(jì)。根據(jù)“客運(yùn)專(zhuān)線綜合接地技術(shù)實(shí)施辦法（暫行）”的規(guī)定：在高架橋的箱梁電纜槽內(nèi)需要放置兩條貫通地線，同時(shí)設(shè)置4根縱向接地鋼筋在箱梁上面板中，橋墩的墩身需要設(shè)置兩個(gè)鋼筋，鋼筋需要接地，并且在頂端引出端子。高鐵橋墩一般設(shè)計(jì)有8個(gè)樁基，其接地體頂部和承臺(tái)的水平接地體相連[1]。

2 接觸網(wǎng)耐雷性能分析方法

2.1 絕緣閃絡(luò)模型

在模型中，使用絕緣子的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊50%放電電壓，使用該結(jié)果作為閉合控制量的壓控開(kāi)關(guān)。在實(shí)際中，為了獲得該放電電壓，對(duì)絕緣子進(jìn)行了放電試驗(yàn)。

2.2 雷電通道模型

雷電流波形選用斜角波，由于雷電通道阻抗和雷電流幅值是相關(guān)的，所以在小雷電流時(shí)取800，大雷電流時(shí)取300。高鐵牽引供電網(wǎng)和支柱導(dǎo)線相平行，支柱采用了傳輸線的模型的相同的值。

2.3 高架橋模型

為了得到最真實(shí)的設(shè)計(jì)效果，本文對(duì)高架橋的橋墩和箱梁進(jìn)行了等比例的模擬方法，并以此為技術(shù)，搭建了各種情況下的仿真電路。根據(jù)“客運(yùn)專(zhuān)線綜合接地技術(shù)實(shí)施辦法（暫行）”的規(guī)定，高鐵高架橋在接地部分包括了接地的鋼筋和貫通的地線。在施工中，因?yàn)楦呒軜虻慕Y(jié)構(gòu)鋼筋和接地鋼筋是捆綁在一起的，所以如果有雷電電流經(jīng)過(guò)的情況下，高架的結(jié)構(gòu)鋼筋起到泄放雷電流的作用。

如果只考慮到防雷接地體對(duì)雷電流的泄流，那么箱梁里面貫通地線和縱向的接地的鋼筋則為平行導(dǎo)體。橋墩里面的鋼筋分布比較復(fù)雜，根據(jù)導(dǎo)納頻率響應(yīng)計(jì)算建立它的電路模型。如果認(rèn)為高架橋的結(jié)構(gòu)鋼筋也參與到雷電流的泄流，那么結(jié)構(gòu)將更加復(fù)雜，應(yīng)對(duì)采用頻率響應(yīng)提取等值電路來(lái)建模。

在建立了高架橋的沖擊接地阻抗等值電路模型后，為驗(yàn)證模型是否準(zhǔn)確可行，需要將矩量法直接計(jì)算得到的波形與之前建立的模型進(jìn)行比較。通過(guò)實(shí)際的比較，發(fā)現(xiàn)兩種方法得到的波形形態(tài)比較一致，說(shuō)明建立的模型準(zhǔn)確，可用于計(jì)算高鐵牽引供電網(wǎng)的過(guò)電電壓。

2.4 雷擊跳閘率的計(jì)算方法

計(jì)算雷擊跳閘率主要是通過(guò)對(duì)避雷裝置和導(dǎo)線、多個(gè)導(dǎo)線、整個(gè)線路相對(duì)于大地的雷電屏蔽性能進(jìn)行分析，主要分析的方法有先導(dǎo)發(fā)展模型和電氣幾何模型兩種方式。高鐵牽引供電網(wǎng)架安裝在高架橋上，高架橋的寬度是小于電網(wǎng)的寬度的，整個(gè)橋體是在接觸網(wǎng)的屏蔽下的，大地和導(dǎo)線之間的雷電擊距采用IEEE導(dǎo)則推薦的公式計(jì)算[2]。

3 接觸網(wǎng)耐雷性能

3.1 直擊雷的耐雷水平

采用直擊雷計(jì)算模型，對(duì)高鐵牽引供電網(wǎng)的防直擊雷能力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可以看到當(dāng)耐雷水平低于4kA時(shí)，可以對(duì)90%以上的雷電擊中導(dǎo)致絕緣閃絡(luò)。

3.2 感應(yīng)雷的耐雷水平

根據(jù)雷電感應(yīng)機(jī)制，高鐵牽引供電網(wǎng)承受的電壓和雷電電流的幅值，雷電的落雷點(diǎn)和高鐵牽引供電網(wǎng)的垂直距離，雷電落雷點(diǎn)和高鐵牽引供電網(wǎng)連線到絕緣子的距離有關(guān)。

計(jì)算高鐵牽引供電網(wǎng)的感應(yīng)雷的耐雷水平時(shí)，將垂直距離設(shè)置為50～400米，和絕緣子的距離設(shè)置為50米，在不考慮此距離隨機(jī)變化的情況下，可以認(rèn)為其大于0米。

在計(jì)算高鐵牽引供電網(wǎng)的感應(yīng)雷耐雷水平時(shí)發(fā)現(xiàn)，只有很少數(shù)的，雷擊雷電流比較大，并且是雷擊的落雷點(diǎn)和線路的距離比較近的情況下，T線才會(huì)發(fā)生絕緣閃絡(luò)。所以高鐵牽引供電網(wǎng)的耐雷水平可以近似使用F線的耐雷水平來(lái)代替[3]。

4 雷電的防護(hù)方法

4.1 架設(shè)避雷線

高鐵牽引供電網(wǎng)現(xiàn)有的PW線是架空的，如果將其抬升至F線以上，則可以兼作避雷線用，同時(shí)也不影響其原有功效，使用此方法成本也較低。

4.2 安裝避雷器

在絕緣子的兩端安裝避雷器是一種很好的線路防雷措施。避雷器有帶串聯(lián)間隙和無(wú)間隙，前者對(duì)比與無(wú)間隙的優(yōu)點(diǎn)在于：在正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的工作電壓絕大部分在后竄了間隙上，基本上不存在避雷器電阻片老化情況。

4.3 雷電監(jiān)測(cè)與差異化防雷

使用雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性、大面積、全自動(dòng)的監(jiān)測(cè)雷電情況，隨著雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，目前我國(guó)已經(jīng)完全有能力開(kāi)展高鐵沿線的雷電監(jiān)測(cè)能力。由于高鐵沿線電塔桿密集，高鐵沿線長(zhǎng)而窄，因此在雷電監(jiān)測(cè)上有一定的技術(shù)難度。需要開(kāi)發(fā)針對(duì)高鐵沿線的雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀測(cè)鐵路沿線的雷電活動(dòng)，統(tǒng)計(jì)閃電密度，開(kāi)展雷電預(yù)警。

在雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，還可以對(duì)鐵路沿線進(jìn)行雷電登記劃分；將雷電觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合雷擊故障信息、雷電流統(tǒng)計(jì)參數(shù)，可以進(jìn)一步開(kāi)展精細(xì)化的感應(yīng)雷、直擊雷防護(hù)方式，開(kāi)展差異化防雷。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）由于我國(guó)高鐵起步較晚，在供電系統(tǒng)的雷電防護(hù)方面仍存在較多問(wèn)題，主要有雷電英氣的供電系統(tǒng)跳閘，避雷器爆炸引起的供電系統(tǒng)可靠性降低等。而且由于我國(guó)高鐵的特異性，國(guó)外的高鐵防雷技術(shù)無(wú)法直接引進(jìn)。

（2）由于高鐵牽引供電網(wǎng)對(duì)地高度較高，并且絕緣性低，因此提高高鐵牽引供電網(wǎng)的耐雷性十分重要。本文提出了太高PW線安裝位置這種成本的方式來(lái)提高防雷的效果。

（3）提出了研發(fā)針對(duì)高鐵的雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開(kāi)展高鐵沿線的雷電監(jiān)測(cè)和預(yù)警，將雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)際故障信息結(jié)合起來(lái)，開(kāi)展精細(xì)化的雷擊防護(hù)，進(jìn)行差異化防雷。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭健.中國(guó)高速鐵路橋梁建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)工程科學(xué)， 2008，10（7）：18-27.

[2] 周利軍，高峰.高速鐵路牽引供電系統(tǒng)雷電防護(hù)體系[J].高電壓技術(shù)，2013，39（2）：399-406.

[3] 邊凱，陳維江.高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)雷電防護(hù)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（10）：191-201.