高速鐵路接觸網防雷措施分析

張曉武

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司鄭州分院，河南鄭州 450001）

0 引言

接觸網是牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分。因為接觸網一般都會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。高速鐵路接觸網如果受到雷擊，侵入波過電壓就會通過接觸網直接進入牽引變電所，造成電力設備損傷。因此面對此類情形，應對高速鐵路接觸網的防雷設計予以高度重視，并采取相應的防雷保護措施，更好地避免高速鐵路接觸網雷擊事故發(fā)生，維護高速鐵路運營的安全與穩(wěn)定性。

1 國內外高速鐵路防雷設計現狀分析

1.1 國外高速鐵路防雷設計現狀

以日本為例，日本在高速鐵路防雷設計過程中，結合高速鐵路線路的重要程度以及被雷擊頻率，將防雷等級設定為3 級，并針對不同的防雷等級設計不同的防雷措施。

其中在A 級區(qū)全線接觸網架設了架空避雷線，與此同時，還將避雷器分別設置于接觸網線路隔離開關、架空式地線終端和牽引變電站出口等地方，并通過避雷裝置來強化對相應地方的防護能力；在B 級區(qū)，日本則對部分重要地點沿接觸網線架設了架空避雷線，其對避雷器位置的設定也與A 級區(qū)基本一致；在C 級區(qū)，則通常只在相關的電纜結構、接觸網線路隔離開關以及變電站出口等地方設有避雷器位置，未架設架空避雷線。再以德國為例，在高速鐵路防雷設計中，德國更多的是借助避雷器來規(guī)避雷電沖擊過電壓。在設計過程中，由于避雷器對過電壓的保護能力有限，通常僅在雷電頻發(fā)的地區(qū)設置避雷器，對接觸網避雷裝置的應用并不常見。

1.2 國內高速鐵路防雷設計現狀

我國的高速鐵路接觸網防雷設計通常會結合雷電日的數量分為4 個等級：以年為單位，雷日大于60d為強雷區(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，大多是架設架空避雷線和設置避雷器等。除此以外，還采取了必要的接地保護措施，更好地保證了防雷效果。針對不同級別的區(qū)域，可以選擇不同的防雷設計方法，并由此來保證高速鐵路接觸網的防雷有效性。在防雷設計過程中，既要保證高速鐵路接觸網線路防雷措施的實效性，又要綜合考慮方法與措施的經濟效益，并最終選擇最佳方法。

2 高速鐵路接觸網防雷措施經濟性分析

高速鐵路接觸網的防雷措施不僅要保障防雷效果，同時還要充分考慮經濟性。不同的防雷措施，經濟性也不相同，具體表現在以下方面。

2.1 設置避雷器

線路避雷器的應用十分廣泛，尤其在電力系統(tǒng)輸電線路保護中的應用效果十分顯著。而這種方式也可以直接用于高速鐵路接觸網防雷之中，可以將避雷器直接安裝在接觸網上，使其對接觸網起到有效地保護作用。安裝在接觸網上的避雷器應確保其重量較輕，并且體積較小，這樣才能降低支柱的機械負荷。另外，還需要應用結構更加緊湊的避雷器，這樣才能為避雷器的更換以及安裝施工等提供便利。在接觸網上設置避雷器，應注重增大避雷器的保護距離，這樣可以降低避雷器設置的密度，節(jié)約高速鐵路接觸網防雷保護成本。由于避雷器安裝施工環(huán)境條件復雜，通常都會涉及山區(qū)等位置，不僅安裝施工難度大，而且避雷器的維護、更換等工作也會面臨巨大的挑戰(zhàn)，因此要保障所選用的避雷器的質量和性能，尤其是對避雷器的機械強度和密封性能的要求更高。理論上來講，在所有支柱上安裝避雷器的防雷效果最佳，但是這種方式的經濟成本過高。因此，應選擇在風口以及山頂等位置的支柱上安裝避雷器，既能起到有效的防雷保護作用，也能降低防雷保護成本，更具經濟性。另外，針對那些安全風險高的支柱也需要設置避雷器，以免因閃絡問題造成嚴重損失和危害。

2.2 架設避雷線

借助避雷線可以起到屏蔽作用，在很大程度上降低直擊雷的風險。在接觸網與避雷線之間的耦合作用下，可以大幅度削弱雷電壓幅值，避免絕緣子擊穿閃絡現象的發(fā)生。目前，我國針對避雷線的架設方式主要有三種。針對無加強線的區(qū)段，通常在支柱頂部設置架空地線肩架，高度控制在1m，新增1 根架空地線。這種方式不僅結構簡單，而且成本相對較低，同時也能起到有效的保護作用。但是這種方式也存在一定弊端和不足，如會導致支柱承重增加。針對有加強線的區(qū)段，因為加強線的位置最高，因此落雷的概率更大。針對這種情況，應將加強線與T 線之間的電連接去除。

與此同時，還要在每個加強線固定點位置將加強線內支柱絕緣子短接，并且將電氣連接線設置在接地螺栓間，起到泄流通路的作用。除了以上兩種避雷線架設方式之外，還可以采用抬高PW 線的方式，通過抬高PW 線，可以使其兼作避雷線。具體而言，需要將PW 線抬高至F 線以上，這樣一來，既不會影響PW線的初始作用，也能為其新增避雷功能，這種方式的經濟性較高，值得推廣應用。

2.3 并聯間隙

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

并聯間隙造價低廉，因此成本較低，即使安裝的密度大，也不會造成更大的經濟壓力?？梢越Y合防雷保護的需求，適當增加安裝密度，甚至可以在每個支柱上都安裝并聯間隙。由此可見，這種方式的經濟性較高，并且作用也十分顯著。但是安裝并聯間隙也存在一定的不足，由于放電間隙擊穿電壓遠遠小于絕緣子電壓，會影響到接觸網的絕緣水平，導致雷擊跳閘頻率提高。因此安裝并聯間隙的方式并不適合重要線路。在安裝并聯間隙時，需要結合實際需求，將并聯間隙的負面影響降到最低，充分發(fā)揮其防雷保護的作用。

3 高速鐵路接觸網的防雷措施優(yōu)化

3.1 優(yōu)化接觸網安裝形式

目前，中國高速鐵路的供電系統(tǒng)方案大多是AT供電系統(tǒng)，而且還會在PW 線路的上部設置AF 線路。在這種設置形式下，計算接觸網的直接落雷閃絡概率，必須利用先導發(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% 為閃絡判據。與此同時，也要根據雷暴日進行推算。接觸網的雷擊閃絡次數的影響因素較多，但最主要的影響因素是接觸網線路的暴露寬度和地閃密度。因此在計算過程中，地閃密度以及線路的暴露寬度是重要的參數之一。在計算過程中，要得到線路百公里年閃絡次數，將線路的長度設定為100km 即可。按雷暴日為20d和40d 兩種情況計算，具體的計算如公式（1）所

式（1）中：P 表示雷電流幅值概率分布函數；D 表示導線暴露寬度函數；I表示線路的具體耐雷水平；I表示300kA；N表示地閃密度。結合該公式，引入相關參數，便可準確計算出線路雷擊閃絡次數，其中包括T 線的閃絡次數以及AF 線的閃絡次數。以10m 高橋梁為例：如果雷暴日為20d，則T 線的百公里年閃絡次數為0.41 次，而AF 線的百公里年閃絡次數為14.7次；如果雷暴日為40d，則T 線的百公里年閃絡次數為1.01 次，而AF 線的百公里年閃絡次數為36.19 次。再以15m 高橋梁為例：如果雷暴日為20d，則T 線的百公里年閃絡次數為0.41 次，而AF 線的百公里年閃絡次數為16.82 次；如果雷暴日為40d，則T 線的百公里年閃絡次數為1.01 次，而AF 線的百公里年閃絡次數為41.43 次。在實際的安裝過程中，采取提高PW 線安裝位置的方式，可以使其兼作避雷線。鑒于上文分析，這種方式具有較高的經濟價值，還能顯著降低線路百公里年閃絡次數。在PW 線高于AF 線1.5m 的情況下，保護角α為10時，以10m 高橋梁為例：如果雷暴日為20d，則T 線的百公里年閃絡次數為0 次，而AF 線的百公里年閃絡次數為0.0005 次；如果雷暴日為40d，則T 線的百公里年閃絡次數為0 次，而AF 線的百公里年閃絡次數為0.0013 次。再以15m 高橋梁為例：如果雷暴日為20d，則T 線的百公里年閃絡次數為0 次，而AF 線的百公里年閃絡次數為0.0036 次；如果雷暴日為40d，則T 線的百公里年閃絡次數為0 次，而AF 線的百公里年閃絡次數為0.0089 次。結合計算結果不難看出，采用調高PW 線安裝位置的方式，線路百公里年閃絡次數明顯降低，并且T 線的閃絡次數為0，即完全規(guī)避了閃絡問題。由此可見，這種方式的效果十分顯著，可以對接觸網進行有效的防雷保護。

3.2 應用合成絕緣子

在遭受雷擊之后，會導致絕緣子燒蝕，進而使接觸網難以自動重合閘，影響供電的穩(wěn)定性。因此，在高速鐵路接觸網防雷設計過程中，應注重規(guī)避絕緣子燒蝕現象的發(fā)生，可以借助避雷器以及避雷線來達到這一目的，避免工頻電弧以及線路閃絡，對絕緣子起到有效的保護作用，降低絕緣子燒蝕現象的發(fā)生。除此之外，還可以采取疏導工頻電弧的方式對絕緣子進行保護。這兩種方式的效果均十分顯著，而為了更好地規(guī)避絕緣子的燒蝕現象，還應注重提升絕緣子的抗燒蝕能力，這便需要注重對合成絕緣子的應用。目前，合成絕緣子的抗燒蝕能力最強。在發(fā)生燒蝕時，硅橡膠材料受熱會直接分解成氣體。在分解過程中，一方面會吸收一定的熱量，降低燒蝕效果；另一方面生成的氣體會起到吹弧作用，在氣體的作用下，使電弧遠離絕緣子，減少對絕緣子的燒蝕。除此之外，合成硅橡膠絕緣子的優(yōu)勢還體現在，受到燒蝕不會立刻炸裂，可以為線路絕緣的恢復創(chuàng)造更多的有利條件，更好地保障線路安全和穩(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，傘群會直接脫落，喪失絕緣性能，導致線路的合閘條件喪失，接觸網重合閘失敗。但是我們也應充分地認識到，雖然合成絕緣子在抗燒蝕方面優(yōu)勢顯著，但是并不能完全規(guī)避燒蝕帶來的負面影響。在燒蝕作用的影響下，材料發(fā)生相應的變化。比如，材料中容易分解的成分，在高溫的作用下揮發(fā)殆盡，同時還會在絕緣子的表面形成氫氧化鋁，導致合成絕緣子的抗污性降低。除此之外，燒蝕部分的質量和性能也會受到較大的影響，在后續(xù)的使用過程中，容易發(fā)生脫落或者破裂等問題，給高速鐵路運行安全帶來不利影響。合成絕緣子雖然具備一定的優(yōu)勢，但是在受到燒蝕之后，會導致自身的質量和性能下降，因此在后續(xù)應用過程中發(fā)生破裂等問題的概率增加，容易給線路運行造成不利影響。為避免出現類似的問題，需要根據合成絕緣子的燒蝕情況，定期進行更換，避免發(fā)生故障。

3.3 防雷接地設計

接觸網支柱通常都為鋼材料，鋼材料屬于導電材料，因此在受到雷擊時，即使柱上沒有設置避雷器和避雷線，支柱自身也可以作為導體，將電流導入地下。在防雷接地設計過程中，可以構建綜合接地系統(tǒng)，使所有的支柱都與地線相連，能夠起到更好的防雷保護作用。

在設計過程中，要注重把控防雷接地裝置與其他設備在貫通地線的接入點間距。通常情況下，間距應控制在15m 以上，這樣才能確保防雷保護效果。除此之外，為了提升設計的經濟性，在接地設計過程中，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的供電系統(tǒng)。采用綜合貫通地線，能夠有效提升防雷設計的科學性與有效性。綜合貫通地線作為高速鐵路沿線所有設備的共同接地體，可以起到更好的防雷保護作用。因此，這種方式的應用比較廣泛，是提升高速鐵路接觸網防雷水平的重要手段。

4 結語

高速鐵路接觸網防雷措施的應用，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)避此類問題。因此在防雷保護方案設計過程中，應綜合考慮各種措施的防雷保護效果以及經濟性，選擇最佳的防雷措施，保障高速鐵路接觸網防雷的效果。