接觸網(wǎng)防雷設(shè)計與應(yīng)用分析

唐海峰

摘? 要：作為輸電線路的接觸網(wǎng)是架設(shè)在沿線鐵路上空的一種以特殊形式向電力動車進行輸電的手段。目前我國鐵路地理區(qū)域跨度大，氣象條件差別較大，并且高速鐵路主要以高架橋為主，接觸網(wǎng)遭受雷擊的概率就會更大，接觸網(wǎng)一旦遭受雷擊性故障將會嚴重影響鐵路運行安全。結(jié)合目前接觸網(wǎng)防雷現(xiàn)狀，給出接觸網(wǎng)防雷分析思路，提出關(guān)于接觸網(wǎng)防雷的措施建議，為接觸網(wǎng)防雷提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：接觸網(wǎng);防雷;雷暴日;地閃密度

1 引言

鐵路接觸網(wǎng)需要將通過牽引變電所得到的電能直接輸送給電力動車，這是一個巨大而又極其重要的任務(wù)。作為無備用供電系統(tǒng)的接觸網(wǎng)因為設(shè)備露天布置，所以受環(huán)境氣候等自然條件影響較大[1]。近幾年來，我國電氣化鐵路和高速鐵路不斷發(fā)展，雷電對接觸網(wǎng)的危害也越來越嚴重，相關(guān)接觸網(wǎng)遭受雷擊統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，雷電災(zāi)害嚴重危害了我國鐵路的安全運營，是維護鐵路安全上的最大障礙之一[2-6]。

2 接觸網(wǎng)防雷設(shè)計概況

2.1 國外接觸網(wǎng)防雷設(shè)計

在設(shè)計電氣化鐵道接觸網(wǎng)的過程中，日本綜合雷擊頻率的數(shù)據(jù)以及把線路按照重要程度劃分，最終得到一份按防雷等級劃分國土的結(jié)果，他們將其劃分為A.B.C三個區(qū)域，而且還根據(jù)雷擊程度制定出了相應(yīng)的防雷措施。A區(qū)是重點保護區(qū)域，需要做到全面防雷來保證安全，該區(qū)域全線有避雷線的保護并且將避雷器安裝在牽引變電所出口、接觸網(wǎng)隔離開關(guān)兩側(cè)、架空線與電纜連接處以及架空線的終端;B區(qū)則是要保護重要的線路以及重點設(shè)備，是對有選擇性，有針對性的區(qū)域進行防雷保護，避雷線設(shè)置在有需要的特別場所接觸網(wǎng)架上，而避雷器的設(shè)置與A區(qū)幾乎相同;C區(qū)為除A和B以外的區(qū)域，還著重保護牽引變電所的出口、隔離開關(guān)的兩側(cè)以及架空線與電纜的連接處，在這些地方設(shè)置了避雷器[6，7]。

與日本在設(shè)計電氣化鐵道接觸網(wǎng)時不同的是，德國收集每100km接觸網(wǎng)一年中可能遭受1次雷擊的實際數(shù)據(jù)，避雷器只是在雷電頻繁發(fā)生的地區(qū)設(shè)置，從而達到限制雷電過電壓的效果，其他較為安全的區(qū)域則是不設(shè)置避雷器[6，7]。

2.2 國內(nèi)接觸網(wǎng)防雷設(shè)計

《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》（TB 10009-2016）、《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》（TB 10621-2014）、《高速鐵路牽引供電系統(tǒng)雷電防護技術(shù)導(dǎo)則》（TB/T 3551-2019）、《鐵路防雷及接地工程技術(shù)規(guī)范》（TB 10180-2016）以及類似規(guī)定給國內(nèi)接觸網(wǎng)防雷提供了設(shè)計方向。

《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》（TB 10009-2016）將雷暴區(qū)分為少雷區(qū)，中雷區(qū)，多雷區(qū)以及強雷區(qū)，少雷區(qū)域年平均雷暴日<=25天;中雷區(qū)域年平均雷暴日25<天數(shù)<=40;多雷區(qū)年平均雷暴日40<天數(shù)<=90;強雷區(qū)年平均雷暴日>90[8]。

接觸網(wǎng)防雷措施具體為[8，9]：根據(jù)年均雷暴日的天數(shù)定位，對于年均雷暴日超過40天的地區(qū)將避雷器設(shè)置下列的終點位置，比方說分相和站場端部絕緣錨段關(guān)節(jié)、長度2000m及以上隧道的兩端、供電線上網(wǎng)點、需要重點防護的設(shè)備等等地方;對于雷暴日不小于40 d地區(qū)的高速鐵路則應(yīng)該將避雷線或者回流線/保護線的位置適當抬高從而達到防雷的效果，而對于年均雷暴日超過60天的其他鐵路，也應(yīng)該抬高回流線/保護線或者設(shè)立避雷線來起到防雷作用。

《高速鐵路牽引供電系統(tǒng)雷電防護技術(shù)導(dǎo)則》（TB/T 3551-2019）中明確雷電防護一般性原則：當接觸網(wǎng)無防雷措施時的雷擊跳閘率大于4次/（100 km·a） 時，應(yīng)采用架空地線措施進行雷電防護[10]。

3 接觸網(wǎng)系統(tǒng)防雷

3.1 接觸網(wǎng)系統(tǒng)雷害

目前根據(jù)雷擊接觸網(wǎng)系統(tǒng)的不同部位，將雷擊接觸網(wǎng)線路分為三種情況[6]：雷擊接觸網(wǎng)附近地面;雷擊接觸網(wǎng)支柱;雷直擊接觸網(wǎng)。前兩種情況是由于雷擊導(dǎo)致接觸網(wǎng)附近電磁場的劇烈變化，在接觸網(wǎng)上產(chǎn)生感應(yīng)過電壓引起絕緣子閃絡(luò);第三種情況是由于雷擊導(dǎo)致流經(jīng)接觸網(wǎng)很大的雷電流所形成的過電壓。

3.2 架空避雷線設(shè)置

避雷線是一種設(shè)計施工方便、效果明顯的接觸網(wǎng)雷電防護措施。架空避雷線位于支柱上方，能很好地保護接觸導(dǎo)線及AF線，能大大降低接觸網(wǎng)雷擊跳閘概率。

（1）避雷線保護范圍確定

雙線電氣化鐵路是高速鐵路的一般形式，采用AT供電方式。避雷線保護范圍需將承力索、接觸線、正饋線等接觸網(wǎng)設(shè)施覆蓋在內(nèi)，降低接觸網(wǎng)的雷擊概率。圖1很好的展示了避雷線的保護范圍，詳情可見下圖。

《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB50057-2010）附錄D.0.6很明確的規(guī)定了避雷線的保護范圍，在避雷線的作用上有很好的引導(dǎo)作用。確定單根避雷線的方法是：在距離地面hr處作一平行線，其平行于地面;然后再以避雷線為圓心、hr為半徑畫弧，所做的弧線與平行線相交于A、B兩點;然后以A、B為圓心，hr為半徑再作弧線，兩弧相交或相切并且要與地面相切。保護范圍也就是該弧線到地面的這個范圍。圖2很好的展示了單根避雷線的范圍。

確定兩根避雷線之間的保護范圍步驟如下：以A、B兩避雷線為圓心，hr為半徑作圓弧交于O點，以O(shè)點為圓心、hr為半徑作圓弧交于A、B點，同樣的，保護范圍就是從弧線到地面的這個范圍。圖3很形象的展示我們所說的步驟。

根據(jù)避雷線保護范圍計算，避雷線設(shè)置在支柱頂端，對地高度較AF線高出2-2.5m即可滿足對接觸網(wǎng)及正饋線的保護。

（2）避雷線接地方式確定[3]

在架空線路中，雷電波擁有約為300m/μs的傳播速度，而波頭的時間一般被認定為1.2μs，雷電流在波頭時間內(nèi)的傳輸距離可以這樣計算得出：L = vt = 300×1.2 = 360 m。因此避雷線接地按每隔300m左右設(shè)置一處接地極。采用雙根70 mm2絕緣銅導(dǎo)線作為接地引下線以此來保證同支柱絕緣，避免發(fā)生危險。

在橋梁區(qū)段，避雷線引下線與貫通地線相連，但是也要保證在貫通地線接入時，引下線的接入點與其他弱電設(shè)備的接入點間距小于等于15m。在路基區(qū)段，避雷線引下線單獨設(shè)置接地極，接地引下與獨立接地極在距離路基20m相接，接地電阻也有限制，要保證不大于10Ω。

3.3 避雷器設(shè)置

何為避雷器？事實上它就是一種防雷擊的設(shè)備，它的作用就是保護電力系統(tǒng)中的電器設(shè)備以防它們受到損害，通常與被保護設(shè)備并聯(lián)設(shè)置。避雷器設(shè)置數(shù)目與線路遭受雷擊時的跳閘率成反相關(guān)，數(shù)目越多，跳閘率越低，隨之而來的是項目投資會相應(yīng)增加，也給運營維護部門增加了運營成本。

因此除架設(shè)避雷線之外，可在接觸網(wǎng)重點設(shè)備、長大隧道兩端等設(shè)置避雷器。參考《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》（TB 10009-2016）相關(guān)規(guī)定，一般在正線絕緣關(guān)節(jié)處、電分相處、供電線上網(wǎng)處、隧道兩端、電纜轉(zhuǎn)架空處、隔離開關(guān)處等設(shè)置避雷器。

3.4 絕緣子選擇

復(fù)合絕緣子具有良好的耐污穢和抗電弧燒蝕性能。雷擊引起絕緣閃絡(luò)后，一般不會燒損傘套至其破碎、斷裂，從而產(chǎn)生永久接地故障。

對于供電線懸掛、接觸網(wǎng)下錨、附加導(dǎo)線下錨、絕緣關(guān)節(jié)、電分段等處采用硅橡膠絕緣子，以降低雷擊接觸網(wǎng)后故障后果。

3.5 可靠接地

作為接觸網(wǎng)防雷的關(guān)鍵重點環(huán)節(jié)，接地技術(shù)需要依靠地能的接入才能使雷電流的釋放能夠更加順利。接地技術(shù)按照性質(zhì)能夠劃分為工作接地和安全接地兩種方式。

被我國廣泛應(yīng)用在高速鐵路中的綜合貫通地線實際上是一個沿鐵路線敷設(shè)的共同接地體，這種接地系統(tǒng)的電阻應(yīng)該小于等于1Ω。在施工完成后對于接地電阻進行測試是很有必要的，采取可靠有效的降阻措施，降低接地系統(tǒng)電阻可以有效提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)的耐雷電水平。

4 結(jié)語

接觸網(wǎng)系統(tǒng)防雷已成為影響列車安全運行的重要因素之一，在接觸網(wǎng)防雷設(shè)計中應(yīng)首先考慮以下措施：

（1）根據(jù)相關(guān)雷暴日、雷擊跳閘率等資料合理確定架設(shè)避雷線范圍。

（2）避雷線可以獨立，同時也可以抬高保護線來達到避雷的效果，這也是一種可采取的技術(shù)方案。

（3）在接觸網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備或關(guān)鍵部位設(shè)置避雷器，氧化鋅避雷器的技術(shù)參數(shù)也可以適當提高來更好的防護。

（4）根據(jù)項目情況，合理選擇復(fù)合絕緣子應(yīng)用范圍。

（5）接觸網(wǎng)防雷接地措施也必須要做好，以此來保障安全。

在工程實踐中應(yīng)考慮線路環(huán)境、雷暴日、雷擊跳閘率等情況，接觸網(wǎng)防雷措施要相對制定，重點防護，確保鐵路的安全可靠運營。

參考文獻

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