電氣化鐵路接觸網(wǎng)防雷研究

馬 健

（中國鐵建電氣化局集團(tuán)第二工程有限公司，山西 太原 064000）

0 工程概況

該文以某高速鐵路建設(shè)項目作為研究案例，該鐵路是我國高速鐵路系統(tǒng)中的關(guān)鍵性組成部分，高速鐵路的行車速度設(shè)計為200km/h。建設(shè)沿線設(shè)計有6 個汽車客運(yùn)站點(diǎn)，沿線總長度設(shè)計為292km，沿線設(shè)計有96 座橋梁，其中，橋梁的總長度設(shè)計為152km。該段高速鐵路的運(yùn)營長度為199.633km，沿線管轄5 個工區(qū)，接觸網(wǎng)施工人員的數(shù)量為93 人。

1 接觸網(wǎng)防雷設(shè)計

1.1 避雷線架設(shè)高度的設(shè)計

結(jié)合我國電力系統(tǒng)既往運(yùn)營狀況來看，在電力系統(tǒng)中設(shè)置避雷線能提高電力線路耐雷性能。由于電力線路的絕緣等級要求非常高，感應(yīng)雷電壓雖然也有一定的可能會導(dǎo)致絕緣子出現(xiàn)閃絡(luò)現(xiàn)象，但是這種現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性非常小，設(shè)置避雷線的核心目的是防避雷擊。接觸網(wǎng)自身的絕緣能力不是很強(qiáng)大，一旦遇到接觸網(wǎng)遭雷擊，所有的絕緣子過電壓都會出現(xiàn)閃絡(luò)現(xiàn)象。因此，在接觸網(wǎng)中設(shè)置防雷裝置不但需要避雷線發(fā)揮出規(guī)避雷擊的作用，同時應(yīng)兼顧防感應(yīng)雷的實際效能。通常情況下，避雷線的安裝位置主要在支柱上側(cè)和承力索上側(cè)這2 個部位。

方式一：將避雷線安裝在支柱的上側(cè)。避雷線安裝的高度須保證其可以屏蔽承力索，基于此，考慮避雷線安裝的實際成本問題，在保證避雷效果的同時應(yīng)兼顧經(jīng)濟(jì)性原則。

方式二：將避雷線安裝在承力索的上側(cè)。若安裝在此部位，則需要適當(dāng)將避雷線做傾斜處理，同時承力索的保護(hù)角應(yīng)滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

從避雷線的保護(hù)角度來說。漢宜高鐵建設(shè)工程項目中，承力索的均值為6867mm，將避雷線安裝在8300mm 部位，簡單來說是避雷線高于承力索1400mm，在該情況下，避雷線的保護(hù)角計算表達(dá)式如下。

tg=3000/（8300-6867），=64.47°可以發(fā)現(xiàn)，該計算值大幅度超過標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)角度（200°～300°），這種結(jié)果必然會增大雷擊的可能性。如保護(hù)角控制在30°以內(nèi)，避雷線與承力索之間的高度差距為5192mm，避雷線的實際安裝高度則是12059mm。如保護(hù)角控制在200°以內(nèi)，避雷線的高度應(yīng)高于承力索8242mm，實際安裝高度為15109mm。雖然保護(hù)角滿足規(guī)范要求，但是接觸網(wǎng)的支撐柱高度會超過常規(guī)性支柱的2 倍，這就意味著施工單位須承擔(dān)的成本大幅度增加，還會涉及設(shè)計圖紙變更。

根據(jù)該情況，通過加高支柱降低保護(hù)角不符合施工項目的經(jīng)濟(jì)性原則。當(dāng)避雷線安裝在承力索的上側(cè)時，雷擊打在避雷線上時會產(chǎn)生高強(qiáng)度的電壓，假若電壓超過了承力索與避雷線之間的擊穿電壓，則會出現(xiàn)閃絡(luò)現(xiàn)象。根據(jù)我國現(xiàn)行管理規(guī)范要求來看，雷擊現(xiàn)象出現(xiàn)后，應(yīng)該保證避雷線與導(dǎo)線的距離達(dá)標(biāo)，如采用第二種施工方法，當(dāng)避雷線受到雷擊，原材料會因為受到雷擊產(chǎn)生電壓，假若電壓值非常高，會導(dǎo)致閃絡(luò)現(xiàn)象出現(xiàn)。避雷線的跨中距離須滿足以下要求：

式中：為避雷線與導(dǎo)線之間的距離；為跨距。

假若取值為60m，那么承力索與避雷線之間的距離不得低于1720mm，二者之間的高度差異則不得低于1070mm。結(jié)合相關(guān)機(jī)構(gòu)的調(diào)研結(jié)果來看，當(dāng)避雷線與接觸網(wǎng)產(chǎn)生電磁耦合效應(yīng)時，耦合系數(shù)與防治感應(yīng)雷之間的關(guān)聯(lián)性為正比關(guān)聯(lián)性。假若將避雷線安裝在承力索上方，則可以提高耦合系數(shù)，在這種情況下，耦合系數(shù)主要與線索之間的距離存在關(guān)聯(lián)性，當(dāng)避雷線與接觸網(wǎng)之間的距離越大，耦合系數(shù)則越小。在保護(hù)角一致的情況下，將避雷線安裝在承力索的上側(cè)時，其所對應(yīng)的耦合系數(shù)明顯超過支柱上側(cè)的耦合系數(shù)。假若建設(shè)沿線的地面受到雷擊，接觸網(wǎng)、避雷線則會產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，絕緣子兩側(cè)的電位是相同的，當(dāng)電壓差距減少以后可以規(guī)避閃絡(luò)現(xiàn)象。

根據(jù)滾球計算方法來說。根據(jù)計算基本原理進(jìn)行分析，從圖1 中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)避雷線在高度、平面內(nèi)時，可以按照以下表達(dá)式計算保護(hù)半徑：

圖1 滾球法計算避雷線保護(hù)范圍

式中：r為避雷線在h高度保護(hù)半徑（m）；為避雷線的按照高度（m）；h為滾球的半徑（m）；h為被保護(hù)物的高度（m）。

結(jié)合以上信息可以發(fā)現(xiàn)，假若想要計算出避雷線的高度，應(yīng)確保承力索處于被保護(hù)狀態(tài)，由此才可以確定接觸網(wǎng)的其他線索仍處于被保護(hù)狀態(tài)。以常規(guī)性的中間柱對應(yīng)的承力索來說，承力索的滾球半徑為=30m，利用h=5.33+1.66=6.9m，r=3.2m 可以計算出避雷線的安裝高度，確定為10m，支柱的高度按照9.5m 進(jìn)行計算，在該情況下，施工人員只需要將避雷線安裝在支柱頂部以上50cm 處即可。

假若滾球緊貼在地表上或需要使用導(dǎo)線，當(dāng)球體（、）只觸及到大地和被保護(hù)的導(dǎo)線（接觸線T、饋線F）時，經(jīng)過支柱中心線方向與球體的交點(diǎn)得到避雷線最低架設(shè)高度，當(dāng)需要同時保護(hù)接觸線T、饋線F 時，計算中取2 個高度中較大值作為避雷線的最后架設(shè)高度，饋線F 和接觸線T均在避雷線的保護(hù)范圍內(nèi)。

圖2 單線鐵路避雷線高度計算圖

以點(diǎn)部位作為避雷線安裝位置進(jìn)行計算，可整理出公式（2）和公式（3）。

進(jìn)一步可得到公式（4）。

因此，點(diǎn)位的避雷線高度如公式（5）所示。

式中：為接地引下線（m）；為F 線與地面之間的高度（m）；R為假設(shè)的滾球半徑（m）；為避雷器高度（m）；為避雷線最低高度（m）；為接觸線水平支架的長度；h為饋線F 線到地面的垂直高度；h為接觸線T 線到地面的垂直高度；為T 線與支柱之間的水平距離（m）；為T 線與地面之間的高度（m）；T 為保護(hù)接觸線。

如圖3 所示，首先利用滾球、、沿著被保護(hù)的導(dǎo)線滾動，確定避雷線的安裝高度的保護(hù)范圍。

圖3 復(fù)線鐵路避雷線高度計算圖

利用滾球在鐵軌上進(jìn)行移動，觀察避雷線是否可以保護(hù)T 線。將滾球的半徑確定為30m，并帶入至表達(dá)式中進(jìn)行計算，得出T 線處于保護(hù)范圍以內(nèi)。通過進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)在對鐵路進(jìn)行防雷設(shè)計的過程中，不需要對T 線保護(hù)進(jìn)行防雷設(shè)計。

避雷線的高度主要由滾球半徑的數(shù)值確定，根據(jù)我國現(xiàn)行的防雷管理規(guī)范要求，滾球半徑主要有以下3 種標(biāo)準(zhǔn)：30m、40m、60m。具體情況見表1。

表1 滾球半徑對應(yīng)的避雷線高度（單位：m）

假如區(qū)域內(nèi)的雷擊時間、雷暴時間比較短，則可以將滾球的半徑確定為60m，該標(biāo)準(zhǔn)下的施工成本比較低，且能夠滿足規(guī)范要求。

1.2 接觸網(wǎng)雷電過電壓仿真

國內(nèi)外研究學(xué)者加大雷電流的研究力度，在研究的過程中構(gòu)建出很多研究模型，其中使用比較頻繁的研究模型是雙指數(shù)函數(shù)研究模型。該文選擇使用雙指數(shù)函數(shù)研究模型對問題進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)研。結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，目前全世界范圍內(nèi)的電流波形基本相同，尚未表現(xiàn)出較大的差異，通常情況下，波頭的長度大概為2.6m，波長為50m，在實際模擬的過程中，仍然選擇使用該數(shù)值進(jìn)行計算。

結(jié)合我國電氣化鐵路接觸網(wǎng)的實際情況，假如天氣狀況比較惡劣，那么出現(xiàn)雷擊接觸網(wǎng)的可能性非常大。當(dāng)接觸線與承力索用吊繩連接時，在采用模擬試驗的過程中可以將接觸線與承力索看作一個整體，將2 條線看作一條線，不對其進(jìn)行區(qū)分處理，通過試驗總結(jié)出以下觀點(diǎn)。1）在出現(xiàn)雷擊現(xiàn)行之前或雷擊接觸線之后，接觸線的電壓值并未發(fā)生比較大的波動，始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。2）在出現(xiàn)雷擊現(xiàn)行的瞬間，正饋線與接觸線會形成較大的過電壓，該部分電壓甚至可以高達(dá)數(shù)百千伏，具備較大的破壞性。

結(jié)合實際情況來說，正饋線往往安裝在農(nóng)田一側(cè)的支柱上，直接與承力索安裝在一起，接觸線與正饋線的安裝高度應(yīng)該是相同的。通過調(diào)研，總結(jié)出以下觀點(diǎn)。1）當(dāng)正饋線出現(xiàn)雷擊現(xiàn)象時，接觸線的過電壓與有效值明顯低于正饋線的數(shù)值。2）接觸線的過電壓數(shù)值大概為34V，正饋線的過電壓約為53V。3）雷擊現(xiàn)象產(chǎn)生的過電壓對應(yīng)鋼軌電壓造成的影響非常大。

2 接觸網(wǎng)防雷具體實施方案

2.1 增設(shè)架空避雷線

當(dāng)前，我國的鐵路接觸網(wǎng)防雷設(shè)計是根據(jù)滾球法、保護(hù)角來計算出接閃器的安裝位置，結(jié)合實際情況來說，使用這2 種方法確定出來的接閃器位置可能會與實際情況產(chǎn)生較大的差異?，F(xiàn)行規(guī)范明確提出，不鼓勵采用保護(hù)角法來確定接閃器的位置，建議利用滾球法確定接閃器的位置。

根據(jù)高鐵運(yùn)營的具體狀況來看，地線安裝位置及保護(hù)范圍應(yīng)根據(jù)滾球法確定。滾球半徑為=30m，利用滾球半徑計算出地線的保護(hù)范圍為22.5m。

采用滾球法進(jìn)行計算，通常將避雷線安裝在中間柱的位置，假如承力索、正饋線全部處于保護(hù)范圍中，只需要將地線設(shè)置在導(dǎo)線肩架上側(cè)即可，通過計算得出地線肩架上側(cè)的距離為70cm。

針對錨段節(jié)點(diǎn)部位尤其是絕緣錨段節(jié)點(diǎn)部位，為了保證該部位擁有足夠的縫隙，需要適當(dāng)提升承力索，當(dāng)承力索高度提高，地線也隨之提高，經(jīng)過計算得出地線肩架柱頂以上距離為1.3m。

為保證施工人員安裝作業(yè)的便利性，該文將地線肩架的安裝高度確定為1.3m。

為保證雷電流穿過地線時不會對弱電設(shè)備造成影響，需要對地線做絕緣處理，將絕緣子安裝在地線表面，以達(dá)到隔離弱電設(shè)備的目的。

地線的下側(cè)錨固點(diǎn)與線段保持相同。隧道外側(cè)的地線應(yīng)該安裝在隧道口。

架空地線接地措施如下。1）接地裝置的安裝間距設(shè)計為200m，所有的接地裝置須單獨(dú)做接地處理。2）路基區(qū)段，避雷線的接地至少外沿出路基20m，將接電線與獨(dú)立接地極進(jìn)行連接，接地極的阻值控制在10Ω 以下。3）橋梁區(qū)段，假如該路段的環(huán)境比較理想，可以適當(dāng)提高墩臺的高度，在施工條件運(yùn)行的情況下安裝獨(dú)立接地極。假若施工條件不允許，可以采取就近安裝的原則。將磚基礎(chǔ)、墩臺的接地鋼筋作為接地極進(jìn)行使用。4）為了保證地下引線與第界限連接足夠牢固，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場的實際情況合理選擇引線材料，引線優(yōu)先選擇使用銅芯電纜，該材料具備良好的絕緣性。

結(jié)合電力系統(tǒng)的管理要求來看，架空避雷線往往選擇使用鍍鋅鋼絞線，該原材料的性能比較強(qiáng)大，可以滿足電力系統(tǒng)的管理要求。設(shè)置避雷線的核心目的是保證高速鐵路的接觸網(wǎng)不會受到雷擊影響，同時需要兼顧擴(kuò)大導(dǎo)線的橫截面積，提升導(dǎo)線的抗拉伸強(qiáng)度，因此在實際選擇避雷線原材料時，首選鍍鋅鋼絞線比較合適。進(jìn)一步來看，結(jié)合防雷管理要求及設(shè)計要求，使用鍍鋅鋼絞線作為避雷線時，保證避雷線的橫截面不得低于50mm。此外，為有效提高避雷線的張拉力，該文建議選擇使用5mm 的鍍鋅鋼絞線。

2.2 適當(dāng)增加避雷器

以下關(guān)鍵部位必須要安裝避雷器：1）區(qū)間車站的戰(zhàn)場區(qū)域、區(qū)間分段區(qū)域的絕緣錨段節(jié)點(diǎn)部位；2）長度超過2km的隧道以及隧道兩側(cè)的進(jìn)出口部位；3）供電線路的長度小于其沖擊特性長度時,電纜線路應(yīng)在兩端分別裝設(shè)避雷器；4）基接觸網(wǎng)的各個網(wǎng)點(diǎn)、控制開關(guān)等關(guān)鍵性構(gòu)建及路段。

2.3 該方案取得的效果

2005 年，漢宜高速運(yùn)營單位對防雷設(shè)置進(jìn)行改造施工，改造的核心內(nèi)容為“一所兩臂”，上行接觸網(wǎng)、下行接觸網(wǎng)的避雷線改造工程，沿線總長度為82.902km，總計52 個避雷線錨段。避雷線安裝的實際效果如下。通過對沿線變電所的雷擊跳閘次數(shù)進(jìn)行分析，2012 年總計出現(xiàn)2 次雷擊跳閘事件；2013 年總計出現(xiàn)2 次雷擊跳閘事件；2014 年總計出現(xiàn)1 次雷擊跳閘事件；2015 年時總計出現(xiàn)1 次雷擊跳閘事件。發(fā)生雷擊跳閘事件的部位位于施工單位以內(nèi)，但是當(dāng)時尚未竣工。通過2015 年改造以后沿線出現(xiàn)雷擊跳閘事件的發(fā)生率為0%，改造取得了良好的效果，同時論證了上文的研究結(jié)果。

3 結(jié)語

綜上所述，高速鐵路接觸網(wǎng)防雷設(shè)計的質(zhì)量在很大程度上影響高速列車運(yùn)行過程中的安全性與穩(wěn)定性。在實際設(shè)計過程中，必須結(jié)合鐵路沿線的雷電發(fā)生規(guī)律、特點(diǎn)、環(huán)境、地形等多個影響因素展開設(shè)計，面對不同的影響因素采取不同的應(yīng)對措施，不僅需要保證避雷線線路設(shè)計的合理性，同時應(yīng)該保證避雷線架設(shè)高度的合理性，在必須達(dá)到要求的情況下可以增設(shè)其他設(shè)備作為補(bǔ)充，保障高速列車安全、順利通行。