高速鐵路接觸網(wǎng)防雷與改造研究

張德玉

摘要：接觸網(wǎng)是鐵路牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分，絕大部分裸露于自然環(huán)境中且沒有后備能力，需要采用必要的大氣過電壓防護措施。如果缺少雷電防護措施或者措施不當，可能引起絕緣子損壞、造成線路跳閘，直接影響電氣化鐵道運營安全;同時雷擊產(chǎn)生的侵入波過電壓可以通過接觸網(wǎng)傳入牽引變電所，進而引起站內(nèi)電氣設(shè)備損壞造成更大的事故。

關(guān)鍵詞：高速鐵路接觸網(wǎng)防雷;改造

目前我國高速鐵路地理區(qū)域跨度大，且多采用客運專線運行，多數(shù)路段架設(shè)在高架橋上，相較普速鐵路，高速鐵路接觸網(wǎng)對地高度和收集雷擊的寬度加大，遭受雷擊的概率增大;但絕緣配置方面，高鐵接觸網(wǎng)絕緣水平與普通鐵路標準相當，耐雷水平并沒有根據(jù)高速鐵路線路的特殊性進行顯著加強，雷害一旦形成將嚴重影響牽引供電系統(tǒng)的可靠性，造成供電區(qū)段的停運，進而影響運營安全。

一、雷害基本機理

1.雷云對地放電受到氣象、地質(zhì)和地形等眾多自然因素影響，雷電活動的頻繁程度也因地域而異。供電線路雷擊跳閘主要分為兩種形式：一種是雷直擊線路引起的，稱為直擊雷過電壓;另一種是雷擊線路附近地面，由于電磁感應(yīng)所引起的，稱為感應(yīng)雷過電壓。雷擊線路時，線路絕緣不發(fā)生閃絡(luò)的最大雷電流幅值稱為耐雷水平。高于耐雷水平的雷電流擊于線路擊穿接觸網(wǎng)絕緣，造成絕緣損壞或擊穿閃絡(luò)放電，引起牽引變電所保護動作跳閘。

通常情況下接觸網(wǎng)F線或T線遭受直擊雷的耐雷水平低于4kA，因此在90%以上的雷擊都會導(dǎo)致接觸網(wǎng)發(fā)生絕緣閃絡(luò)，而且一般F線懸掛高度大于T線高度，F(xiàn)線對T線構(gòu)成了負保護角屏蔽，雷電擊中F線的概率遠大于擊中T線的概率。當雷擊中F線引起絕緣閃絡(luò)后，鋼支柱頂部電位抬升，在T線絕緣子兩端電位差超過絕緣耐壓水平時，T線絕緣子也會閃絡(luò)。造成F線和T線絕緣同時閃絡(luò)的最小直擊雷電流幅值隨大地土壤電阻率的提高而降低。雷電擊中接觸網(wǎng)附近大地或高聳物體時，通過電磁耦合作用在F線和T線上產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，F(xiàn)線和T線感應(yīng)雷耐雷水平一般大于45kA，接觸網(wǎng)因感應(yīng)雷引起的跳閘率較直擊雷引起的跳閘率要低得多。

2.供電設(shè)備雷害主要特征。雷害對供電設(shè)備影響的特征基本都要反映到牽引變電所保護裝置動作跳閘上。通過對全路34條主要電氣化鐵路供電設(shè)備雷雨天氣跳閘數(shù)據(jù)進行分析，可以發(fā)現(xiàn)供電設(shè)備雷害呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性。高鐵雷雨跳閘季節(jié)性特點明顯，一般5—9月為高發(fā)期，其中8月跳閘件數(shù)最多（見圖1）。

（見圖1）

二、高速鐵路接觸網(wǎng)防雷改造

1.避雷器防雷。雷電擊中接觸網(wǎng)時，如果產(chǎn)生的電壓大于避雷器的放電電壓，避雷器會立即將雷電流釋放出來，并在工頻電壓下表現(xiàn)出高電阻，截斷工頻續(xù)流，避免絕緣子出現(xiàn)閃絡(luò)的情況，使接觸網(wǎng)持續(xù)穩(wěn)定的工作下去。通過將避雷器安裝在接觸網(wǎng)支柱上，可以有效降低雷擊跳閘的概率。從避雷器的工作原理上可以看出，避雷器安裝的密度越大，防雷效果越好。但是作為接觸網(wǎng)重要的防雷設(shè)備，是線路開通后運營檢修工作的重點，且避雷器經(jīng)過長期使用會出現(xiàn)老化，密集的安裝避雷器會極大抬高建設(shè)投資成本及運營檢修成本，并不科學(xué)。因此為了保證避雷效果，通常將避雷器安裝在需要防護的重點位置及雷擊相對集中的地方。

2.合成絕緣子的使用。接觸網(wǎng)受到雷擊后，會出現(xiàn)重合閘失敗的情況。究其原因，主要是絕緣子被工頻續(xù)流電弧灼燒后出現(xiàn)破損、炸裂，無法自

動回復(fù)線路絕緣性，導(dǎo)致重合閘失敗。為了避免絕緣子被燒毀，首先要疏導(dǎo)工頻電弧，避免電弧在絕緣子的表面燃燒。其次，使用避雷器和避雷線來避免工頻電弧和線路閃絡(luò)建立。此外還要要注意提高絕緣子的抗灼燒能力。當前輸配電線路中主要使用合成硅橡膠絕緣子和瓷絕緣子兩種，在抵御灼燒能力方面，合成絕緣子具有明顯的優(yōu)勢，當合成絕緣子被工頻電弧灼燒時，噴出的氣體會發(fā)揮吹弧效果，使電弧從絕緣子的表面離開。此外，在局部受熱的情況下，硅橡膠材料不會馬上炸裂，有助于恢復(fù)絕緣線路。在經(jīng)過燒灼后，合成絕緣子傘群不會脫落，并且具有良好的絕緣效果，使線路達到了重合閘的效果。而瓷絕緣子如果被灼燒，傘群落會全部掉落，絕緣效果會完全喪失，線路就不能重新合閘成功。雖然，合成絕緣子有良好的抗灼燒能力，但工頻電流弧仍會破壞合成絕緣子。經(jīng)灼燒后硅橡膠材料成分會產(chǎn)生變化，一些容易分解的物資受熱后會揮發(fā)，致使絕緣子的增水性和抗污性降低。在以后的運行過程中，灼燒部分很有可能會出現(xiàn)老化脫落情況，嚴重影響線路運行的安全。綜合以上分析可以看出，合成絕緣子雖然可以提升線路重合閘成功的概率，但不能根本性的解決線路防雷問題。因此，要使用其他防護措施對其進行補充。

3.接地防雷。接觸網(wǎng)接地措施主要分為安全接地措施和工作接地措施兩種：對于安全接地，距離接觸網(wǎng)帶電體五米以內(nèi)的金屬結(jié)構(gòu)物都需要進行安全接地處理;接觸網(wǎng)隔離開關(guān)、避雷器等設(shè)備應(yīng)進行雙接地，即一端要接入回流線或保護線，另一端要接入綜合地線或者獨立的接地極;接觸網(wǎng)鋼柱可通過架空地線或單獨接地極實再安全接地，架空地線下錨及長度超過1000m的錨段中間應(yīng)單獨設(shè)置接地極。對于工作接地，新建高速鐵路接觸網(wǎng)通常設(shè)置綜合接地系統(tǒng)，接觸網(wǎng)基礎(chǔ)與綜合接地系統(tǒng)連接，回流線或保護線非絕緣懸掛安裝，接觸網(wǎng)吸上線與信號完全橫向一般不超過1500m進行一次連接。

三、接觸網(wǎng)防雷改造建議

1.為了避免直接雷害，建議處于平均雷暴日在40天以上的高速鐵路全線線架設(shè)避雷線。對于雷暴日不足40天的中雷區(qū)或者少雷區(qū)，要分析和統(tǒng)計沿線雷害情況，對雷害多發(fā)區(qū)和重要設(shè)備位置可以架設(shè)獨立的避雷線，并相應(yīng)相應(yīng)增加將避雷線安裝高度，保證接觸懸掛的防雷安全。

2.建立完善的接地系統(tǒng)。為了充分發(fā)揮出防雷措施的作用，要在關(guān)鍵的位置和區(qū)段保證接地電阻值，并定期檢測電阻值。在綜合接地系統(tǒng)中接入防雷設(shè)施時，要和其他接入設(shè)備貫通點之間的距離保持在15m以上。安裝避雷器及計數(shù)器時，相關(guān)設(shè)備要絕緣安裝。安全接地和工作接地不可以使用通一個電流通道。

3.適當增加避雷器的設(shè)置。在無避雷線設(shè)置的區(qū)段，為避免感應(yīng)雷害可在重雷區(qū)和高雷區(qū)的各個錨段設(shè)置避雷器。并統(tǒng)計分析少雷區(qū)沿線雷害情況，將避雷器設(shè)置在雷害多發(fā)區(qū)。此外，還需要保證在線路敏感位置布置避雷器，例如長度超過2000m的隧道兩端、站場和分相端部的絕緣錨段關(guān)節(jié)、封閉聲屏障的兩側(cè)、電纜與架空轉(zhuǎn)換處等重要區(qū)域。

4.避雷針防雷。避雷針是一種將雷電引向自身并泄入大地使被保護物免遭直接雷擊的針型防雷裝置，避雷針通過導(dǎo)線接入地下，與地面形成等電位差，利用自身的高度，使電場強度增加到級限值的雷電云電場發(fā)生畸變，開始電離并下行先導(dǎo)放電;避雷針在電場作用下產(chǎn)生尖端放電，形成向上先導(dǎo)放電;兩者會合形成雷電通路，隨之瀉入大地，達到避雷效果。因此在沿線較特殊的地段，如較長供電線上、高架區(qū)區(qū)域、高路基區(qū)域、可增設(shè)接觸網(wǎng)用避雷針，避免保護對象直接遭雷擊。

綜上，結(jié)合目前高速鐵路已采用的多種防雷手段及運營記錄結(jié)果可以看出，不管使用什么樣的防雷措施，也只能降低因雷電造成的跳閘概率和故障概率，無法根本性的杜絕雷電對接觸網(wǎng)造成的傷害。因此有效研究雷害整治措施，并通過線路防雷設(shè)施改造效果分析，提出供電設(shè)備雷電防護技術(shù)路線具有重要意義。

參考文獻：

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