高速鐵路防雷措施分析

劉翔瑞

摘要：接觸網(wǎng)作為給動(dòng)車(chē)組供給電能的金屬線索，雷擊導(dǎo)致接觸網(wǎng)跳閘是不可避免的問(wèn)題。接觸網(wǎng)的防雷措施在高速鐵路的設(shè)計(jì)過(guò)程中是必不可少的安全措施。在現(xiàn)有的已經(jīng)投入運(yùn)行的高速鐵路中，常見(jiàn)的防雷措施有安裝避雷器和加裝避雷線等。本文通過(guò)分析這兩種常見(jiàn)的防雷措施的原理以及在使用過(guò)程中的運(yùn)行維護(hù)情況進(jìn)行分析總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，以提高接觸網(wǎng)供電穩(wěn)定性，為設(shè)備管理單位的日常檢修提供參考。

關(guān)鍵詞：高速鐵路 接觸網(wǎng) 防雷措施 避雷器 避雷線

1.引言

1.1雷擊的危害

對(duì)接觸網(wǎng)來(lái)說(shuō)雷擊又被稱(chēng)為外部過(guò)電壓，相比于牽引供電系統(tǒng)諧振造成的內(nèi)部過(guò)電壓，外部過(guò)電壓更容易對(duì)接觸網(wǎng)本身造成損壞。雷擊導(dǎo)致的接觸網(wǎng)跳閘，會(huì)造成接觸網(wǎng)絕緣子永久性擊穿導(dǎo)致絕緣性能下降，未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并更換的絕緣子還有可能導(dǎo)致第二次雷擊擊穿。一旦發(fā)生跳閘，將會(huì)嚴(yán)重影響行車(chē)秩序。

1.2接觸網(wǎng)防雷措施的選擇

高速鐵路防雷措施是在高速鐵路規(guī)劃線路時(shí)就應(yīng)當(dāng)考慮的重要因素。防雷措施的選擇與鐵路周邊的環(huán)境，鐵路本身的地理位置，線路基礎(chǔ)息息相關(guān)。目前高速鐵路常用的避雷措施有安裝氧化鋅避雷器和架設(shè)獨(dú)立的避雷線兩種。

《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》和《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》都對(duì)告訴鐵路避雷器安裝位置和避雷線的裝條件有著明確的規(guī)定。

2.氧化鋅避雷器

2.1氧化鋅避雷器的工作原理

在正常的27.5KV工頻交流電壓下，電阻極大，能有效的阻斷工頻續(xù)流，使線路保持正常運(yùn)行。在雷電過(guò)電壓的作用下電阻變得很小能順暢的對(duì)地泄放電流。

2.2氧化鋅避雷器的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境

氧化鋅避雷器的安裝位置嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定安裝在絕緣錨段關(guān)節(jié)處、接觸網(wǎng)上網(wǎng)點(diǎn)、高架橋、隧道口等重點(diǎn)地段。絕緣錨段關(guān)節(jié)和接觸網(wǎng)上網(wǎng)點(diǎn)由于安裝有隔離開(kāi)關(guān)和上網(wǎng)網(wǎng)電纜等附加設(shè)備導(dǎo)致接觸網(wǎng)支柱高度增加，更容易遭受雷擊。以雙臺(tái)避雷器柱頂安裝為例，避雷器在現(xiàn)場(chǎng)的安裝位置如圖1所示。

2.3氧化鋅避雷器存在的問(wèn)題

氧化鋅避雷器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定便于維護(hù)和更換但避雷器本身的故障具有隱蔽性不易察覺(jué)。在每年的雷雨季節(jié)來(lái)臨之前都需要對(duì)避雷器進(jìn)行檢查。檢查項(xiàng)目包含避雷器接地電阻、泄露電流、外觀檢查、雷擊次數(shù)。通過(guò)泄露電流檢查在工頻電壓下避雷器能否保持高阻特性，接地電阻及外觀檢查避雷器放電回路正常保證雷擊發(fā)生時(shí)能迅速將雷擊電流泄露至大地。此外每年需要更換一部分同一批次的避雷器作為樣本送檢檢測(cè)避雷器本身是否正常。

3.避雷線

3.1避雷線的工作原理

目前避雷線的安裝主要采用架空地線的形式，在電氣特性上起到屏蔽雷擊對(duì)接觸網(wǎng)的影響，降低接觸網(wǎng)對(duì)雷擊的吸引效果，減少雷擊擊中接觸網(wǎng)的概率，從而起到對(duì)接觸網(wǎng)的保護(hù)作用。

以川藏線為例經(jīng)過(guò)對(duì)高架橋的環(huán)境及架設(shè)避雷器的場(chǎng)景進(jìn)行模擬和理論分析可得，避雷線的架設(shè)有效的改變了導(dǎo)線的引雷寬度，從而降低了接觸導(dǎo)線的跳閘率。

接觸網(wǎng)導(dǎo)線的雷擊跳閘率為：

接觸網(wǎng)未架設(shè)避雷線前，AF 線和 T 線均完全暴露在雷電下，架設(shè)避雷線后直擊雷跳閘率大大降低，經(jīng)過(guò)理論分析將架設(shè)避雷線前后的引雷寬度帶入公式可得出架設(shè)年雷暴日為40日的條件下，高架橋高依次為 10 m，15 m，20 m 時(shí) AF 線閃絡(luò)率降低了 97.2% ， 96.6% ，95.2% ; T 線直擊雷閃絡(luò)率均降到 0.4次以下; 且架設(shè)避雷線前 AF 線閃絡(luò)率是 T 線的近三倍，應(yīng)重點(diǎn)防護(hù) AF 線。避雷線對(duì) AF 線和 T 線的屏蔽效果十分優(yōu)良，基本上可以規(guī)避直擊雷的危害。

3.2避雷線的設(shè)計(jì)需求

避雷線除了具備良好的導(dǎo)電性能外，還需要承受惡劣天氣的考驗(yàn)。必須具備一定的機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)還要有良好的防銹蝕、抗彎抗拉以及承受瞬間大電流的能力。常用的避雷線有鍍鋅鋼絞線和鉛包鋼等。由于避雷線技術(shù)用于接觸網(wǎng)防雷時(shí)間尚短，其材料、結(jié)構(gòu)形式、施工、驗(yàn)收和運(yùn)行維護(hù)都需要不斷總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和完善。

3.3避雷線運(yùn)行中存在的問(wèn)題

3.3.1避雷線本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但安裝及維護(hù)困難。

目前避雷線的安裝在高速鐵路已經(jīng)投入運(yùn)行之后，對(duì)年累計(jì)雷擊次數(shù)滿足安裝要求后再次進(jìn)行安裝。此時(shí)由于避雷線的安裝位置下方已經(jīng)安裝了接觸線AF線等附加結(jié)構(gòu)，新的避雷線只能由人工攀登支柱進(jìn)行安裝支撐基礎(chǔ)和放線。

3.3.2檢查方便直觀但細(xì)小的損壞不易察覺(jué)。

在日常檢查的過(guò)程中主要對(duì)避雷線進(jìn)行外觀檢查與接地電阻檢查。由于避雷線本身無(wú)絕緣保護(hù)層等遮蔽層，外觀檢查能夠很直觀的觀察到避雷線斷股、散股、雷擊傷痕甚至斷線等損壞。但由于避雷線架設(shè)高度較高且有接觸線索和附加線索的阻礙現(xiàn)有的作業(yè)手段難以對(duì)避雷線進(jìn)行近距離觀察。

3.3.3發(fā)生斷線故障時(shí)影響較大。

避雷線采用長(zhǎng)距離與接觸線索平行架設(shè)的方案，在避雷線發(fā)生斷線等故障時(shí)，容易發(fā)生斷開(kāi)的線索搭接在接觸網(wǎng)上形成永久性故障。避雷線因斷線需要更換時(shí)，必須將原有的避雷線拆除再次架設(shè)避雷線。

3.3.4易受惡劣天氣影響。

避雷線長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，易受惡劣天氣影響產(chǎn)生新的安全隱患。大風(fēng)天氣，避雷線會(huì)隨風(fēng)擺動(dòng)導(dǎo)致與附近帶電線索空氣間隙減小，可能導(dǎo)致接觸網(wǎng)跳閘。尤其是在冬季，避雷線還存在覆冰的可能性。

結(jié)論

高速鐵路接觸網(wǎng)防雷措施是接觸網(wǎng)從設(shè)計(jì)建造開(kāi)始就應(yīng)當(dāng)考慮并在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際不斷完善的長(zhǎng)期工作。高速鐵路接觸網(wǎng)防雷主要采用氧化鋅避雷器和加裝避雷線兩種方法。氧化鋅避雷器技術(shù)成熟，安裝更換方便，降低了人工成本，能夠滿足高速鐵路一般區(qū)段的防雷要求。對(duì)雷區(qū)及易發(fā)生雷擊跳閘的高架區(qū)段，可安裝避雷線提高接觸網(wǎng)防雷能力。雖然目前避雷線本身存在眾多安全隱患，但避雷線對(duì)接觸網(wǎng)的防雷擊能力有極大的提升。應(yīng)當(dāng)繼續(xù)探索避雷線在高速鐵路防雷領(lǐng)域的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陸加華. 接觸網(wǎng)避雷線運(yùn)行中存在的問(wèn)題分析及對(duì)策[J]. 上海鐵道科技，2018（2），55-56.

[2] 王 宇、王思華、陳天宇、王 恬、周麗君，川藏鐵路牽引供電接觸網(wǎng)直擊雷防護(hù)初探[J]. 電瓷避雷器，2021（ 4） ： 41-46.

[3]王 林. 高速鐵路接觸網(wǎng)與架空輸電線路防雷規(guī)范差異對(duì)比分析[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2022（5） ，1-8.

[4] 王思華、王宇、李萍、陳天宇， 高速鐵路高架橋區(qū)段接觸網(wǎng)避雷線架設(shè)高度研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2021（7）.

[5]謝? 鑫，城市軌道交通接觸網(wǎng)防雷措施研究[J]. 機(jī)電信息，2021（ 12） ：14-15.