鐵路接觸網(wǎng)的避雷線高度設(shè)計(jì)策略

穆松林

（中國鐵道科學(xué)研究院 北京 100081）

隨著我國高鐵的發(fā)展，運(yùn)營里程不斷增長。未來我國高鐵網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步完善，我國已建鐵路覆蓋全國主要發(fā)達(dá)地區(qū)。高鐵涉及專業(yè)廣泛，牽引供電專業(yè)逐漸受到重視。高鐵牽引供電系統(tǒng)是向列車提供穩(wěn)定電能的重要途徑，接觸網(wǎng)設(shè)備受到外界因素影響易造成線路跳閘，雷擊跳閘是高鐵線路跳閘主要原因。我國高鐵牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)大部分未設(shè)置避雷線，隨著我國高鐵的快速發(fā)展，一些地區(qū)在接觸網(wǎng)上增設(shè)專用避雷線。接觸網(wǎng)防雷設(shè)計(jì)中，避雷線架設(shè)高度是關(guān)鍵參數(shù)，研究接觸網(wǎng)防雷改造措施，有效降低線路雷擊跳閘率，對確保鐵路牽引供電安全具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 鐵路接觸網(wǎng)避雷線防雷研究

我國電氣化鐵路經(jīng)過多年發(fā)展擁有最高速度的高鐵網(wǎng)，高鐵建設(shè)不斷拉動沿線周邊城市發(fā)展。隨著我國高鐵的不斷建設(shè)開通，對鐵路安全運(yùn)行提出更高的要求，需要牽引供電系統(tǒng)消除安全隱患，要不斷提高接觸網(wǎng)設(shè)備質(zhì)量［1］。接觸網(wǎng)是高鐵牽引供電系統(tǒng)的重要部分，高鐵安全運(yùn)行受到接觸網(wǎng)狀態(tài)的影響。我國采用高架橋形式建設(shè)高鐵，接觸網(wǎng)比附近地勢更高，高鐵接觸網(wǎng)跳閘大部分由于雷擊造成。在夏季雷雨天氣里，高鐵接觸網(wǎng)經(jīng)常被雷電擊中，嚴(yán)重威脅動車組安全運(yùn)行，需要研究高鐵接觸網(wǎng)的有效避雷技術(shù)措施。

電氣化鐵路主要由接觸網(wǎng)及變配電組成，接觸網(wǎng)架設(shè)在鐵路線路兩旁，接觸網(wǎng)出現(xiàn)設(shè)備問題會影響動車組正常供電。接觸網(wǎng)是向電力機(jī)車提供能源的設(shè)備系統(tǒng)，主要包括支柱基礎(chǔ)、接觸懸掛與定位裝置等［2］。接觸網(wǎng)在自然環(huán)境下暴露使用，受限于技術(shù)費(fèi)用，不能有后備系統(tǒng)，要求保證列車正常運(yùn)行，必須滿足機(jī)車設(shè)計(jì)速度正常受電；設(shè)備零部件要具有較高的可替換性，節(jié)省有色金屬材料使用。電氣化鐵路接觸網(wǎng)易受到雷擊，雷電是強(qiáng)對流天氣災(zāi)害，每年造成人員傷亡3000～5000 人［3］。雷電活動對牽引供電系統(tǒng)危害日益嚴(yán)重，提高鐵路防雷性能具有重要意義。

雷擊根據(jù)形成原因分為直擊雷與感應(yīng)雷。當(dāng)前，對雷擊已有全面的認(rèn)識，但電氣化鐵路專業(yè)對雷電傷害原因存在很大空白，隨著我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，電氣化鐵路防雷相關(guān)理論需要深入研究［4］。雷電高電壓作用在接觸網(wǎng)設(shè)備時，會對電氣化鐵路設(shè)備造成損害。對電氣化鐵路防雷設(shè)置非常必要，可以借助某些設(shè)備將雷電能量引導(dǎo)阻截引入大地，降低雷擊過電壓對牽引系統(tǒng)的傷害。接觸網(wǎng)架設(shè)避雷線，可以降低雷擊跳閘概率，中鐵公司組織專家論證架設(shè)避雷線、確定接閃器為主的防雷原則。我國高鐵接觸網(wǎng)采取防雷措施依據(jù)《鐵路牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)定。避雷線包原理是，架設(shè)在輸電線上方，對下部形成屏蔽作用，抑制雷電在輸電線上形成感應(yīng)過電壓幅值。

牽引網(wǎng)上方架設(shè)避雷線防止雷電流侵害設(shè)備，主要理論包括先導(dǎo)與雷電屏蔽理論。雷云向地面發(fā)展稱為下行先導(dǎo)，下行先導(dǎo)將隨下行先導(dǎo)在空間位置變化。先導(dǎo)通道下某處因靜電感應(yīng)作用產(chǎn)生電荷分離過程，先導(dǎo)發(fā)展到接近地面進(jìn)入主放電階段。主放電階段電流是通道下向上發(fā)展，通過先導(dǎo)放電開辟電離通道發(fā)生電荷中和。先導(dǎo)發(fā)展組后階段擊中物體間距離為擊距，先導(dǎo)首先擊中最近物體，要求避雷線線路阻波抗小，雷電直擊避雷線電流通過引流線泄漏到大地，接地電阻大引起對被保護(hù)絕緣損壞。

2 鐵路接觸網(wǎng)避雷線設(shè)計(jì)分析

20世紀(jì)60年代，有學(xué)者研究建立雷電屏蔽性能分析電氣幾何模型，通過調(diào)整避雷線高度可保證為導(dǎo)線有效屏蔽。我國相關(guān)規(guī)程將滾球法作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法［5］。滾球法在EGM模型基礎(chǔ)上演化，鐵路兩邊分布橋梁等復(fù)雜情況可以有效推廣，EGM應(yīng)用需要確定暴露寬度等參數(shù)，球體無法觸及處為避雷線保護(hù)范圍。

滾球法可以分析避雷線防雷效果，高鐵主要以AT供電方式為主，通過滾球法分析避雷線架設(shè)高度，需要選擇合適的高度架設(shè)避雷線。單線接觸網(wǎng)下球體觸及保護(hù)導(dǎo)線，支柱中心線方向與球體交叉點(diǎn)得到最低架設(shè)高度，計(jì)算取接觸線較大值為避雷線最后架設(shè)高度；利用幾何關(guān)系計(jì)算得到避雷線高度，避雷線設(shè)計(jì)高度以較大值為依據(jù)；利用滾球沿被保護(hù)導(dǎo)線滾動，分析發(fā)現(xiàn)按第一類滾球半徑30m計(jì)算復(fù)線接觸網(wǎng)僅考慮對饋線F線保護(hù)；分析得到避雷線設(shè)計(jì)高度計(jì)算方法，單線鐵路需考慮避雷線對接觸線的保護(hù)，復(fù)雜情況考慮對饋線的保護(hù)；滾球半徑與避雷線高度成反比；分析避雷線高度與防雷性能關(guān)系選取適合滾球半徑。避雷線高度與滾球半徑的關(guān)系如圖1所示。

圖1 避雷線高度與滾球半徑的關(guān)系

接觸網(wǎng)架設(shè)避雷線后雷電防護(hù)性能與接地方式密切相關(guān)，大多數(shù)接觸網(wǎng)支柱利用埋在地下基礎(chǔ)內(nèi)金屬部分進(jìn)行自然接地，沿線經(jīng)山區(qū)接地困難路基路段，利用自然接地電阻較大。鐵路沿線電阻率較高，隨著時間推移，接地電阻不斷增高。雷電強(qiáng)度較小地區(qū)采用自然接地時，雷電跳閘率可以滿足規(guī)程要求。對支柱接地改造導(dǎo)致投資費(fèi)用過大，可結(jié)合地區(qū)雷電活動強(qiáng)度分布提出適合的接觸網(wǎng)支柱接地方式［6］。接觸網(wǎng)支柱通過自然接地方式接地，假設(shè)避雷線后易遭受反擊，降低支柱接地電阻是防止反擊的主要措施，提出采用間隔接地改造方式，可以降低工程投資與施工難度。

3 避雷線高度對接觸網(wǎng)雷電防護(hù)性能影響

耦合系數(shù)是防雷計(jì)算的重要參數(shù)，采用麥克維斯方程組求解耦合參數(shù)，導(dǎo)線耦合系數(shù)計(jì)算不能直接采用電力系統(tǒng)公式。饋線與接觸網(wǎng)通過絕緣子與地絕緣，計(jì)算不考慮支柱壓降，計(jì)算得到饋線、接觸線耦合系數(shù)。饋線F耦合系數(shù)大于接觸線T，F(xiàn)距離接近避雷線，根據(jù)所給參數(shù)得到饋線耦合系數(shù)為0.45左右，饋線與接觸線耦合系數(shù)隨避雷線高度增加減小。單線鐵路雷擊跳閘率詳見表1。

表1 單線鐵路雷擊跳閘率

計(jì)算單復(fù)線鐵路雷擊跳閘率隨避雷線高度變化情況，復(fù)線鐵路接觸線T 線雷擊跳閘率為0，復(fù)線鐵路饋線繞擊跳閘率為單線鐵路饋線的2 倍。表2 為單線鐵路雷擊跳閘率。避雷線引雷范圍大導(dǎo)致反雷擊跳閘率增加。根據(jù)我國防雷相關(guān)規(guī)范劃分滾球半徑。避雷線高度設(shè)計(jì)中可以采用規(guī)程推薦滾球半徑計(jì)算，避雷線高度計(jì)算結(jié)果見表3，雷暴不頻繁地區(qū)可降低避雷線設(shè)計(jì)高度。

表2 單線鐵路雷擊跳閘率

表3 避雷線高度計(jì)算結(jié)果

4 鐵路接觸網(wǎng)避雷線接地方式分析

接觸網(wǎng)架設(shè)避雷線后，雷電防護(hù)性能與接地方式有關(guān)，目前，大多數(shù)接觸網(wǎng)支柱利用地下基礎(chǔ)金屬部分自然接地，沿線經(jīng)山區(qū)接地困難路基鐵路土壤電阻率達(dá)3000Ω·m 以上。接地方式不同，安裝地點(diǎn)電阻不同，利用自然接地對接地電阻較大，隨著時間推移，接地電阻增高。有些地區(qū)雷電強(qiáng)度弱，采用自然接地雷擊跳閘率可以滿足規(guī)整要求。支柱進(jìn)行接地改造造成工程建設(shè)不合理?？梢越Y(jié)合地區(qū)雷電活動強(qiáng)度分布等提出適合的接觸網(wǎng)支柱接地方式。

鐵路避雷線接地可采用間隔與部分絕緣改造方式，接觸網(wǎng)支柱通過自然接地電阻較大，接觸網(wǎng)支柱形式確定后，支柱接地電阻值影響接觸網(wǎng)反擊耐雷水平。降低支柱接地電阻措施為增加接地極數(shù)量。提出采用間隔接地改造方式，可以降低工程投資與施工難度。雷擊支柱有80%以上雷電流通過支柱分流，易造成地電位反擊。未進(jìn)行接地改造支柱接地電阻較大，提出避雷線采用部分絕緣架設(shè)方式，避免接觸網(wǎng)遭受反擊。采用部分絕緣改造實(shí)施是對未接地改造支柱采用絕緣架設(shè)方案。避雷線采用非絕緣架設(shè)，通過金屬肩架支撐，支柱采用絕緣架設(shè)方案可以避免雷線通過鋼支柱接地。

避雷線采用間隔接地改造間距影響防雷性能，自然接地電阻不同，選取電阻R=30～120Ω的情況進(jìn)行研究，對未解答改造支柱編號。避雷線架設(shè)采用接觸網(wǎng)支柱間隔接地，不同電阻率地區(qū)采用不同間隔接地改造，改造后，支柱反擊耐雷水平提高到68.3kA，改造支柱相鄰支柱反擊耐雷水平改善。接觸網(wǎng)支柱接地改造密集耐雷水平高。應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)乩妆┨鞖獾葪l件選擇接地改造間距。雷電活動強(qiáng)度不同地區(qū)采用不同間距接地改造，架設(shè)避雷線后接觸網(wǎng)雷擊跳閘率計(jì)算方法，考慮不同自然接地電阻下雷擊跳閘率變化。分析支柱在不同自然接地電阻下接地改造間距與雷擊跳閘率關(guān)系，計(jì)算60d下不同自然接地電阻雷擊跳閘率變化，雷擊跳閘率隨接地改造間距增大趨于平緩。土壤電阻率較大地區(qū)可縮短接地改造間距。

5 結(jié)語

本文結(jié)合高鐵接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出避雷線高度設(shè)計(jì)方法，確定接觸網(wǎng)耦合系數(shù)計(jì)算方法，推導(dǎo)單復(fù)線鐵路接觸網(wǎng)避雷線高度設(shè)計(jì)計(jì)算公式；總跳閘率隨避雷線高度增加降低。避雷線高度設(shè)計(jì)推薦采用三類球半徑設(shè)計(jì)。高鐵牽引供防雷措施應(yīng)以提升防雷性能為出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)參考當(dāng)?shù)乩纂娀顒犹卣?，選擇防護(hù)效果更佳的措施。建設(shè)高鐵由于地形條件差異大，采取雷電措施應(yīng)充分考慮相關(guān)因素，降低雷電對牽引供電系統(tǒng)造成的損害。