高速鐵路接觸網(wǎng)防雷措施分析

張曉武

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司鄭州分院，河南鄭州 450001）

0 引言

接觸網(wǎng)是牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分。因?yàn)榻佑|網(wǎng)一般都會(huì)直接裸露在大自然中，不但老化及受損概率較大，甚至還很容易受到雷擊。高速鐵路接觸網(wǎng)如果受到雷擊，侵入波過(guò)電壓就會(huì)通過(guò)接觸網(wǎng)直接進(jìn)入牽引變電所，造成電力設(shè)備損傷。因此面對(duì)此類(lèi)情形，應(yīng)對(duì)高速鐵路接觸網(wǎng)的防雷設(shè)計(jì)予以高度重視，并采取相應(yīng)的防雷保護(hù)措施，更好地避免高速鐵路接觸網(wǎng)雷擊事故發(fā)生，維護(hù)高速鐵路運(yùn)營(yíng)的安全與穩(wěn)定性。

1 國(guó)內(nèi)外高速鐵路防雷設(shè)計(jì)現(xiàn)狀分析

1.1 國(guó)外高速鐵路防雷設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

以日本為例，日本在高速鐵路防雷設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合高速鐵路線(xiàn)路的重要程度以及被雷擊頻率，將防雷等級(jí)設(shè)定為3 級(jí)，并針對(duì)不同的防雷等級(jí)設(shè)計(jì)不同的防雷措施。

其中在A 級(jí)區(qū)全線(xiàn)接觸網(wǎng)架設(shè)了架空避雷線(xiàn)，與此同時(shí)，還將避雷器分別設(shè)置于接觸網(wǎng)線(xiàn)路隔離開(kāi)關(guān)、架空式地線(xiàn)終端和牽引變電站出口等地方，并通過(guò)避雷裝置來(lái)強(qiáng)化對(duì)相應(yīng)地方的防護(hù)能力；在B 級(jí)區(qū)，日本則對(duì)部分重要地點(diǎn)沿接觸網(wǎng)線(xiàn)架設(shè)了架空避雷線(xiàn)，其對(duì)避雷器位置的設(shè)定也與A 級(jí)區(qū)基本一致；在C 級(jí)區(qū)，則通常只在相關(guān)的電纜結(jié)構(gòu)、接觸網(wǎng)線(xiàn)路隔離開(kāi)關(guān)以及變電站出口等地方設(shè)有避雷器位置，未架設(shè)架空避雷線(xiàn)。再以德國(guó)為例，在高速鐵路防雷設(shè)計(jì)中，德國(guó)更多的是借助避雷器來(lái)規(guī)避雷電沖擊過(guò)電壓。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于避雷器對(duì)過(guò)電壓的保護(hù)能力有限，通常僅在雷電頻發(fā)的地區(qū)設(shè)置避雷器，對(duì)接觸網(wǎng)避雷裝置的應(yīng)用并不常見(jiàn)。

1.2 國(guó)內(nèi)高速鐵路防雷設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

我國(guó)的高速鐵路接觸網(wǎng)防雷設(shè)計(jì)通常會(huì)結(jié)合雷電日的數(shù)量分為4 個(gè)等級(jí)：以年為單位，雷日大于60d為強(qiáng)雷區(qū)，40～60d 為 較高雷區(qū)，20～40d 為較多雷區(qū)，20d 以下為較低雷區(qū)。所采取的防雷措施，大多是架設(shè)架空避雷線(xiàn)和設(shè)置避雷器等。除此以外，還采取了必要的接地保護(hù)措施，更好地保證了防雷效果。針對(duì)不同級(jí)別的區(qū)域，可以選擇不同的防雷設(shè)計(jì)方法，并由此來(lái)保證高速鐵路接觸網(wǎng)的防雷有效性。在防雷設(shè)計(jì)過(guò)程中，既要保證高速鐵路接觸網(wǎng)線(xiàn)路防雷措施的實(shí)效性，又要綜合考慮方法與措施的經(jīng)濟(jì)效益，并最終選擇最佳方法。

2 高速鐵路接觸網(wǎng)防雷措施經(jīng)濟(jì)性分析

高速鐵路接觸網(wǎng)的防雷措施不僅要保障防雷效果，同時(shí)還要充分考慮經(jīng)濟(jì)性。不同的防雷措施，經(jīng)濟(jì)性也不相同，具體表現(xiàn)在以下方面。

2.1 設(shè)置避雷器

線(xiàn)路避雷器的應(yīng)用十分廣泛，尤其在電力系統(tǒng)輸電線(xiàn)路保護(hù)中的應(yīng)用效果十分顯著。而這種方式也可以直接用于高速鐵路接觸網(wǎng)防雷之中，可以將避雷器直接安裝在接觸網(wǎng)上，使其對(duì)接觸網(wǎng)起到有效地保護(hù)作用。安裝在接觸網(wǎng)上的避雷器應(yīng)確保其重量較輕，并且體積較小，這樣才能降低支柱的機(jī)械負(fù)荷。另外，還需要應(yīng)用結(jié)構(gòu)更加緊湊的避雷器，這樣才能為避雷器的更換以及安裝施工等提供便利。在接觸網(wǎng)上設(shè)置避雷器，應(yīng)注重增大避雷器的保護(hù)距離，這樣可以降低避雷器設(shè)置的密度，節(jié)約高速鐵路接觸網(wǎng)防雷保護(hù)成本。由于避雷器安裝施工環(huán)境條件復(fù)雜，通常都會(huì)涉及山區(qū)等位置，不僅安裝施工難度大，而且避雷器的維護(hù)、更換等工作也會(huì)面臨巨大的挑戰(zhàn)，因此要保障所選用的避雷器的質(zhì)量和性能，尤其是對(duì)避雷器的機(jī)械強(qiáng)度和密封性能的要求更高。理論上來(lái)講，在所有支柱上安裝避雷器的防雷效果最佳，但是這種方式的經(jīng)濟(jì)成本過(guò)高。因此，應(yīng)選擇在風(fēng)口以及山頂?shù)任恢玫闹е习惭b避雷器，既能起到有效的防雷保護(hù)作用，也能降低防雷保護(hù)成本，更具經(jīng)濟(jì)性。另外，針對(duì)那些安全風(fēng)險(xiǎn)高的支柱也需要設(shè)置避雷器，以免因閃絡(luò)問(wèn)題造成嚴(yán)重?fù)p失和危害[1]。

2.2 架設(shè)避雷線(xiàn)

借助避雷線(xiàn)可以起到屏蔽作用，在很大程度上降低直擊雷的風(fēng)險(xiǎn)。在接觸網(wǎng)與避雷線(xiàn)之間的耦合作用下，可以大幅度削弱雷電壓幅值，避免絕緣子擊穿閃絡(luò)現(xiàn)象的發(fā)生。目前，我國(guó)針對(duì)避雷線(xiàn)的架設(shè)方式主要有三種。針對(duì)無(wú)加強(qiáng)線(xiàn)的區(qū)段，通常在支柱頂部設(shè)置架空地線(xiàn)肩架，高度控制在1m，新增1 根架空地線(xiàn)。這種方式不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且成本相對(duì)較低，同時(shí)也能起到有效的保護(hù)作用。但是這種方式也存在一定弊端和不足，如會(huì)導(dǎo)致支柱承重增加。針對(duì)有加強(qiáng)線(xiàn)的區(qū)段，因?yàn)榧訌?qiáng)線(xiàn)的位置最高，因此落雷的概率更大。針對(duì)這種情況，應(yīng)將加強(qiáng)線(xiàn)與T 線(xiàn)之間的電連接去除。

與此同時(shí)，還要在每個(gè)加強(qiáng)線(xiàn)固定點(diǎn)位置將加強(qiáng)線(xiàn)內(nèi)支柱絕緣子短接，并且將電氣連接線(xiàn)設(shè)置在接地螺栓間，起到泄流通路的作用。除了以上兩種避雷線(xiàn)架設(shè)方式之外，還可以采用抬高PW 線(xiàn)的方式，通過(guò)抬高PW 線(xiàn)，可以使其兼作避雷線(xiàn)。具體而言，需要將PW 線(xiàn)抬高至F 線(xiàn)以上，這樣一來(lái)，既不會(huì)影響PW線(xiàn)的初始作用，也能為其新增避雷功能，這種方式的經(jīng)濟(jì)性較高，值得推廣應(yīng)用[2]。

2.3 并聯(lián)間隙

并聯(lián)間隙是指在接觸網(wǎng)絕緣子上加裝并聯(lián)間隙。在發(fā)生雷擊時(shí)，放電間隙之間的空氣首先擊穿，電弧不從絕緣子表面經(jīng)過(guò)，避免對(duì)絕緣子表面造成燒蝕，起到保護(hù)絕緣子的重要作用，同時(shí)也能避免影響線(xiàn)路的安全性。

并聯(lián)間隙造價(jià)低廉，因此成本較低，即使安裝的密度大，也不會(huì)造成更大的經(jīng)濟(jì)壓力?？梢越Y(jié)合防雷保護(hù)的需求，適當(dāng)增加安裝密度，甚至可以在每個(gè)支柱上都安裝并聯(lián)間隙。由此可見(jiàn)，這種方式的經(jīng)濟(jì)性較高，并且作用也十分顯著。但是安裝并聯(lián)間隙也存在一定的不足，由于放電間隙擊穿電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于絕緣子電壓，會(huì)影響到接觸網(wǎng)的絕緣水平，導(dǎo)致雷擊跳閘頻率提高。因此安裝并聯(lián)間隙的方式并不適合重要線(xiàn)路。在安裝并聯(lián)間隙時(shí)，需要結(jié)合實(shí)際需求，將并聯(lián)間隙的負(fù)面影響降到最低，充分發(fā)揮其防雷保護(hù)的作用[3]。

3 高速鐵路接觸網(wǎng)的防雷措施優(yōu)化

3.1 優(yōu)化接觸網(wǎng)安裝形式

目前，中國(guó)高速鐵路的供電系統(tǒng)方案大多是AT供電系統(tǒng)，而且還會(huì)在PW 線(xiàn)路的上部設(shè)置AF 線(xiàn)路。在這種設(shè)置形式下，計(jì)算接觸網(wǎng)的直接落雷閃絡(luò)概率，必須利用先導(dǎo)發(fā)展模式和電氣集合模式。在具體的推算步驟中，采用絕緣子——U50% 為閃絡(luò)判據(jù)。與此同時(shí)，也要根據(jù)雷暴日進(jìn)行推算。接觸網(wǎng)的雷擊閃絡(luò)次數(shù)的影響因素較多，但最主要的影響因素是接觸網(wǎng)線(xiàn)路的暴露寬度和地閃密度。因此在計(jì)算過(guò)程中，地閃密度以及線(xiàn)路的暴露寬度是重要的參數(shù)之一。在計(jì)算過(guò)程中，要得到線(xiàn)路百公里年閃絡(luò)次數(shù)，將線(xiàn)路的長(zhǎng)度設(shè)定為100km 即可[4]。按雷暴日為20d和40d 兩種情況計(jì)算，具體的計(jì)算如公式（1）所

式（1）中：P 表示雷電流幅值概率分布函數(shù)；D 表示導(dǎo)線(xiàn)暴露寬度函數(shù)；Imin表示線(xiàn)路的具體耐雷水平；Imax表示300kA；Ng表示地閃密度。結(jié)合該公式，引入相關(guān)參數(shù)，便可準(zhǔn)確計(jì)算出線(xiàn)路雷擊閃絡(luò)次數(shù)，其中包括T 線(xiàn)的閃絡(luò)次數(shù)以及AF 線(xiàn)的閃絡(luò)次數(shù)。以10m 高橋梁為例：如果雷暴日為20d，則T 線(xiàn)的百公里年閃絡(luò)次數(shù)為0.41 次，而AF 線(xiàn)的百公里年閃絡(luò)次數(shù)為14.7次；如果雷暴日為40d，則T 線(xiàn)的百公里年閃絡(luò)次數(shù)為1.01 次，而AF 線(xiàn)的百公里年閃絡(luò)次數(shù)為36.19 次。再以15m 高橋梁為例：如果雷暴日為20d，則T 線(xiàn)的百公里年閃絡(luò)次數(shù)為0.41 次，而AF 線(xiàn)的百公里年閃絡(luò)次數(shù)為16.82 次；如果雷暴日為40d，則T 線(xiàn)的百公里年閃絡(luò)次數(shù)為1.01 次，而AF 線(xiàn)的百公里年閃絡(luò)次數(shù)為41.43 次。在實(shí)際的安裝過(guò)程中，采取提高PW 線(xiàn)安裝位置的方式，可以使其兼作避雷線(xiàn)。鑒于上文分析，這種方式具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，還能顯著降低線(xiàn)路百公里年閃絡(luò)次數(shù)。在PW 線(xiàn)高于AF 線(xiàn)1.5m 的情況下，保護(hù)角α為10o時(shí)，以10m 高橋梁為例：如果雷暴日為20d，則T 線(xiàn)的百公里年閃絡(luò)次數(shù)為0 次，而AF 線(xiàn)的百公里年閃絡(luò)次數(shù)為0.0005 次；如果雷暴日為40d，則T 線(xiàn)的百公里年閃絡(luò)次數(shù)為0 次，而AF 線(xiàn)的百公里年閃絡(luò)次數(shù)為0.0013 次。再以15m 高橋梁為例：如果雷暴日為20d，則T 線(xiàn)的百公里年閃絡(luò)次數(shù)為0 次，而AF 線(xiàn)的百公里年閃絡(luò)次數(shù)為0.0036 次；如果雷暴日為40d，則T 線(xiàn)的百公里年閃絡(luò)次數(shù)為0 次，而AF 線(xiàn)的百公里年閃絡(luò)次數(shù)為0.0089 次。結(jié)合計(jì)算結(jié)果不難看出，采用調(diào)高PW 線(xiàn)安裝位置的方式，線(xiàn)路百公里年閃絡(luò)次數(shù)明顯降低，并且T 線(xiàn)的閃絡(luò)次數(shù)為0，即完全規(guī)避了閃絡(luò)問(wèn)題。由此可見(jiàn)，這種方式的效果十分顯著，可以對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行有效的防雷保護(hù)[5]。

3.2 應(yīng)用合成絕緣子

在遭受雷擊之后，會(huì)導(dǎo)致絕緣子燒蝕，進(jìn)而使接觸網(wǎng)難以自動(dòng)重合閘，影響供電的穩(wěn)定性。因此，在高速鐵路接觸網(wǎng)防雷設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)注重規(guī)避絕緣子燒蝕現(xiàn)象的發(fā)生，可以借助避雷器以及避雷線(xiàn)來(lái)達(dá)到這一目的，避免工頻電弧以及線(xiàn)路閃絡(luò)，對(duì)絕緣子起到有效的保護(hù)作用，降低絕緣子燒蝕現(xiàn)象的發(fā)生。除此之外，還可以采取疏導(dǎo)工頻電弧的方式對(duì)絕緣子進(jìn)行保護(hù)。這兩種方式的效果均十分顯著，而為了更好地規(guī)避絕緣子的燒蝕現(xiàn)象，還應(yīng)注重提升絕緣子的抗燒蝕能力，這便需要注重對(duì)合成絕緣子的應(yīng)用。目前，合成絕緣子的抗燒蝕能力最強(qiáng)。在發(fā)生燒蝕時(shí)，硅橡膠材料受熱會(huì)直接分解成氣體。在分解過(guò)程中，一方面會(huì)吸收一定的熱量，降低燒蝕效果；另一方面生成的氣體會(huì)起到吹弧作用，在氣體的作用下，使電弧遠(yuǎn)離絕緣子，減少對(duì)絕緣子的燒蝕。除此之外，合成硅橡膠絕緣子的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在，受到燒蝕不會(huì)立刻炸裂，可以為線(xiàn)路絕緣的恢復(fù)創(chuàng)造更多的有利條件，更好地保障線(xiàn)路安全和穩(wěn)定。相較于瓷絕緣子，合成絕緣子在受到燒蝕后，傘群不會(huì)直接脫落，絕緣子依然能夠發(fā)揮絕緣的作用。瓷絕緣子則不同，在燒蝕之后，傘群會(huì)直接脫落，喪失絕緣性能，導(dǎo)致線(xiàn)路的合閘條件喪失，接觸網(wǎng)重合閘失敗。但是我們也應(yīng)充分地認(rèn)識(shí)到，雖然合成絕緣子在抗燒蝕方面優(yōu)勢(shì)顯著，但是并不能完全規(guī)避燒蝕帶來(lái)的負(fù)面影響。在燒蝕作用的影響下，材料發(fā)生相應(yīng)的變化。比如，材料中容易分解的成分，在高溫的作用下?lián)]發(fā)殆盡，同時(shí)還會(huì)在絕緣子的表面形成氫氧化鋁，導(dǎo)致合成絕緣子的抗污性降低。除此之外，燒蝕部分的質(zhì)量和性能也會(huì)受到較大的影響，在后續(xù)的使用過(guò)程中，容易發(fā)生脫落或者破裂等問(wèn)題，給高速鐵路運(yùn)行安全帶來(lái)不利影響。合成絕緣子雖然具備一定的優(yōu)勢(shì)，但是在受到燒蝕之后，會(huì)導(dǎo)致自身的質(zhì)量和性能下降，因此在后續(xù)應(yīng)用過(guò)程中發(fā)生破裂等問(wèn)題的概率增加，容易給線(xiàn)路運(yùn)行造成不利影響。為避免出現(xiàn)類(lèi)似的問(wèn)題，需要根據(jù)合成絕緣子的燒蝕情況，定期進(jìn)行更換，避免發(fā)生故障[6]。

3.3 防雷接地設(shè)計(jì)

接觸網(wǎng)支柱通常都為鋼材料，鋼材料屬于導(dǎo)電材料，因此在受到雷擊時(shí)，即使柱上沒(méi)有設(shè)置避雷器和避雷線(xiàn)，支柱自身也可以作為導(dǎo)體，將電流導(dǎo)入地下。在防雷接地設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以構(gòu)建綜合接地系統(tǒng)，使所有的支柱都與地線(xiàn)相連，能夠起到更好的防雷保護(hù)作用。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要注重把控防雷接地裝置與其他設(shè)備在貫通地線(xiàn)的接入點(diǎn)間距。通常情況下，間距應(yīng)控制在15m 以上，這樣才能確保防雷保護(hù)效果。除此之外，為了提升設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，在接地設(shè)計(jì)過(guò)程中，還要組成完善的防雷接地系統(tǒng)，充分借助鐵路工程自身以及相關(guān)的供電系統(tǒng)。采用綜合貫通地線(xiàn)，能夠有效提升防雷設(shè)計(jì)的科學(xué)性與有效性。綜合貫通地線(xiàn)作為高速鐵路沿線(xiàn)所有設(shè)備的共同接地體，可以起到更好的防雷保護(hù)作用。因此，這種方式的應(yīng)用比較廣泛，是提升高速鐵路接觸網(wǎng)防雷水平的重要手段[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

高速鐵路接觸網(wǎng)防雷措施的應(yīng)用，可以有效降低因雷電引起的故障概率，但是并不能完全規(guī)避此類(lèi)問(wèn)題。因此在防雷保護(hù)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)綜合考慮各種措施的防雷保護(hù)效果以及經(jīng)濟(jì)性，選擇最佳的防雷措施，保障高速鐵路接觸網(wǎng)防雷的效果。