高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)雷電防護(hù)措施研討

邵詩鵬

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

牽引供電接觸網(wǎng)是高速鐵路的重要組成部分，由于接觸網(wǎng)大多數(shù)時(shí)間暴露在自然中，不但容易出現(xiàn)老化、受損等情況，還可能受到雷擊等自然災(zāi)害。高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)受到雷擊時(shí)，侵入波過電壓會(huì)通過接觸網(wǎng)進(jìn)入牽引變電所中，可能會(huì)對(duì)變電所中的相關(guān)設(shè)備造成損傷。因此，在這種情況下，必須要對(duì)高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)的防雷優(yōu)化設(shè)計(jì)給予高度重視，采取可行、有效的雷電防護(hù)措施，從而預(yù)防雷電可能造成的事故，維持高速鐵路的正常、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 雷擊對(duì)高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)的危害性

1.1 雷擊危害特點(diǎn)

高速鐵路受到雷擊的影響因素較為復(fù)雜，例如地質(zhì)條件、地形條件、周圍環(huán)境等。同時(shí)，不同的環(huán)境條件會(huì)導(dǎo)致雷電的頻率、強(qiáng)度發(fā)生一定的變化，供電線路在雷電的影響下可能發(fā)生跳閘、斷電，影響列車的正常運(yùn)行。高速鐵路的雷擊危害主要分為以下兩方面：第一，高速鐵路的相關(guān)線路受到雷擊影響，即過電壓；第二，線路周圍的地面受到雷擊，即感應(yīng)雷過電壓，多數(shù)情況下是由于電磁感應(yīng)導(dǎo)致的。當(dāng)線路受到雷擊時(shí)，若雷擊的是供電線路，由于絕緣設(shè)施的存在，能夠起到一定的保護(hù)作用，但一旦受到雷擊過電壓的影響，絕緣設(shè)施的保護(hù)作用會(huì)明顯降低。

1.2 雷擊危害產(chǎn)生的根本原因

雷擊對(duì)高速鐵路產(chǎn)生危害的根本原因可以分為以下三方面：第一，牽引供電接觸網(wǎng)安裝結(jié)構(gòu)。牽引供電接觸網(wǎng)的保護(hù)線、正饋線的高度存在一定的差異，正饋線的位置較高，兩種線的保護(hù)裝置未嚴(yán)格按照要求設(shè)置，導(dǎo)致對(duì)雷擊的預(yù)防能力較低，正饋線與接觸網(wǎng)之間未做好有效的隔離措施，導(dǎo)致雷擊的風(fēng)險(xiǎn)較大。或線路的寬度、密度設(shè)置未達(dá)到要求，為閃絡(luò)的出現(xiàn)埋下了風(fēng)險(xiǎn)。此外，保護(hù)線的高度過低、未安裝避雷線等，均有可能造成雷擊危害；第二，建設(shè)工程環(huán)境。目前我國(guó)高速鐵路的運(yùn)行區(qū)域內(nèi)每年會(huì)發(fā)生大量的雷擊事件，而雷擊的發(fā)生率與高速鐵路所在區(qū)域的雷電天氣密切相關(guān)。由于高速鐵路周圍的環(huán)境較為復(fù)雜，一般在高架橋梁或空曠處，一旦出現(xiàn)雷電天氣，接觸網(wǎng)極易受到雷擊；第三，位置。接觸網(wǎng)最易受到雷擊的位置主要為承力索、正饋線、保護(hù)線。其中承力索和正饋線會(huì)安裝不同形式的絕緣子，而保護(hù)線則采用非絕緣安裝的方式。當(dāng)承力索、正饋線受到雷擊時(shí)，絕緣子的承受力會(huì)呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)，因此多數(shù)雷擊都會(huì)引發(fā)閃絡(luò)現(xiàn)象。在正常情況下，若正饋線的位置高于承力索，正饋線就會(huì)形成保護(hù)角，在雷電天氣時(shí)極易被擊中。若正饋線被擊中時(shí)，絕緣子被擊穿，會(huì)增加鋼柱上的電位，導(dǎo)致承力索與鋼柱之間的電位差超過正常水平，引發(fā)承力索絕緣子閃絡(luò)。

1.3 雷擊危害的影響因素

雷電直擊對(duì)高速鐵路造成的重要危害主要體現(xiàn)在以下三方面：第一，承力索。當(dāng)承力索直接被雷電擊中后，絕緣子會(huì)產(chǎn)生閃絡(luò)；第二，正饋線。當(dāng)正饋線直接被雷電擊中后，會(huì)引發(fā)懸式絕緣子閃絡(luò)；第三，保護(hù)線。當(dāng)保護(hù)線直接被雷電擊中后，會(huì)引入綜合接地系統(tǒng)。

我國(guó)疆土廣闊，南北之間地理環(huán)境的差異較大，不同的地區(qū)天氣、土壤情況也有所區(qū)別。高速鐵路的建設(shè)需要橫跨多個(gè)地區(qū)，這意味著會(huì)面臨不同的土壤、地質(zhì)條件，會(huì)形成多種雷電參數(shù)，雷電對(duì)高速鐵路造成的影響也需要進(jìn)行針對(duì)性的分析，因此工程人員在建設(shè)高速鐵路的過程中應(yīng)當(dāng)根據(jù)鐵路所在區(qū)域的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)相應(yīng)的雷電防護(hù)措施。但從實(shí)際情況來看，多數(shù)高速鐵路建設(shè)時(shí)設(shè)計(jì)人員沒有考慮到雷電可能造成的影響，在雷電防護(hù)措施方面存在著種種漏洞，難以達(dá)到理想的雷電防護(hù)效果。

此外，當(dāng)高速鐵路長(zhǎng)期運(yùn)行后，極易出現(xiàn)線路絕緣老化的情況，導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員對(duì)高速鐵路進(jìn)行日常維護(hù)時(shí)容易發(fā)生觸電，嚴(yán)重影響了高速鐵路的穩(wěn)定性。在這種情況下，運(yùn)營(yíng)維護(hù)對(duì)接地電阻的要求不斷提高，因此目前我國(guó)的高速鐵路大多采用了綜合接地系統(tǒng)。

2 高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)雷電防護(hù)措施經(jīng)濟(jì)型分析

2.1 避雷器

線路避雷器目前是我國(guó)應(yīng)用較為廣泛的雷電防護(hù)措施，尤其是在電力系統(tǒng)輸電線路的保護(hù)方面。因此，在高速鐵路中，避雷器也具有一定的價(jià)值，可以將其直接安裝在接觸網(wǎng)上，從而對(duì)接觸網(wǎng)起到一定的保護(hù)作用。對(duì)于安裝在接觸網(wǎng)上的避雷器，應(yīng)在維持其功能的前提下，盡量減輕避雷器的重量，縮小避雷器的體積，從而減輕支柱的機(jī)械負(fù)荷。另一方面，還需要對(duì)傳統(tǒng)避雷器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，保證結(jié)構(gòu)的緊湊，以便后續(xù)避雷器的安裝、維修、更換等。在接觸網(wǎng)上安裝避雷器時(shí)，應(yīng)注意對(duì)避雷器保護(hù)距離的調(diào)整，適當(dāng)減少避雷器的分布密度，從而降低接觸網(wǎng)雷電防護(hù)的成本。但避雷器的安裝流程與施工環(huán)境均較為復(fù)雜，會(huì)涉及到山區(qū)等復(fù)雜位置，不僅安裝難度大，且后續(xù)的維修、更換也需要消耗巨大的人力、物力，因此在選擇避雷器時(shí)應(yīng)當(dāng)注重對(duì)質(zhì)量與性能的檢查，尤其是避雷器的機(jī)械強(qiáng)度與密封性。從理論上分析，避雷器的最佳安裝位置是接觸網(wǎng)的支柱上，但這種安裝方式需要消耗巨大的成本，因此可以改為在風(fēng)口、山頂?shù)任恢冒惭b，不僅能夠起到良好的雷電防護(hù)效果，同時(shí)還能夠降低安裝、維修、更換的成本，經(jīng)濟(jì)效益良好。另一方面，對(duì)于存在一定安全隱患的支柱，也需要設(shè)置相應(yīng)的避雷器，避免因閃絡(luò)影響高速鐵路的正常運(yùn)行。

2.2 避雷線

避雷線具有一定的屏蔽作用，能夠有效減輕直擊雷對(duì)高速鐵路造成的影響。當(dāng)接觸網(wǎng)與避雷線之間形成耦合作用后，能夠有效降低雷電壓幅值，避免結(jié)緣子被擊穿，降低閃絡(luò)的發(fā)生率。我國(guó)目前假設(shè)避雷線的方法主要有以下三種：第一，對(duì)于無加強(qiáng)線的區(qū)域，大多選擇在支柱頂部設(shè)置架空地線肩架，高度一般在1 m左右，新增一根架空地線。這種架設(shè)方式的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，操作可行性高，且成本較低，能夠起到一定的保護(hù)作用，但這種架設(shè)方式也會(huì)增加支柱的負(fù)荷；第二，對(duì)于有加強(qiáng)線的區(qū)域，由于加強(qiáng)線的位置一般較高，因此更容易受到雷電的影響，此時(shí)架設(shè)避雷線前，應(yīng)當(dāng)先去除加強(qiáng)線與T線之間的電連接。同時(shí)，還需要在固定加強(qiáng)線時(shí)，對(duì)支柱絕緣子短接，并將電氣連接線的位置設(shè)置為接地螺栓之間；第三，抬高PW線。通過適當(dāng)抬高PW線，能夠使其起到一定的避雷線的作用，至少要抬高至F線以上，這樣不僅不會(huì)對(duì)PW線的正常作用造成影響，還能夠提高一定的避雷效果，是成本最低、可行性最強(qiáng)的方式。

2.3 并聯(lián)間隙

并聯(lián)間隙指的是在接觸網(wǎng)絕緣子的位置假裝并聯(lián)間隙，此時(shí)發(fā)生雷擊時(shí)，會(huì)先擊穿間隙之間的空氣，電弧不經(jīng)過絕緣子表面，不會(huì)對(duì)絕緣子表面造成損傷，能夠起到一定的保護(hù)作用，提高線路的穩(wěn)定性與安全性。并聯(lián)間隙的成本較低，即使大規(guī)模安裝，也不會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)壓力，因此可以根據(jù)地區(qū)的實(shí)際情況與雷電防護(hù)需求，適當(dāng)增加并聯(lián)間隙的數(shù)量，部分雷電密集的地區(qū)甚至可以在每個(gè)支柱上安裝。并聯(lián)間隙的不足主要表現(xiàn)在放點(diǎn)間隙擊穿電壓明顯小于絕緣子電壓，可能會(huì)對(duì)接觸網(wǎng)的絕緣水平造成影響，增加雷擊跳閘的發(fā)生率。因此該方法應(yīng)主要用于不重要的線路。

3 高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)雷電防護(hù)優(yōu)化措施

3.1 優(yōu)化接觸網(wǎng)安裝形式

目前我國(guó)多數(shù)高速鐵路的供電系統(tǒng)為AT供電系統(tǒng)，同時(shí)還會(huì)在PW線路上設(shè)置AF線路。在這種結(jié)構(gòu)下，想要對(duì)直接落雷閃絡(luò)概率進(jìn)行計(jì)算，必須要采用先導(dǎo)發(fā)展模式和電氣集合模式。在計(jì)算時(shí)應(yīng)以絕緣子——U50%為閃絡(luò)依據(jù)。同時(shí)，還要考慮到當(dāng)?shù)氐奶鞖?，?duì)雷暴日進(jìn)行推算。雖然接觸網(wǎng)的雷擊閃絡(luò)影響因素較多，但其中最關(guān)鍵的因素是接觸網(wǎng)線路的暴露寬度與地閃密度，這也是計(jì)算時(shí)的核心參數(shù)之一。計(jì)算時(shí)想要求得百公里線路每年閃絡(luò)的次數(shù)，可以將線路的長(zhǎng)度設(shè)為100 km，以便計(jì)算。再根據(jù)公式引入相關(guān)的參數(shù)，即可得到準(zhǔn)確的T線與AF線閃絡(luò)次數(shù)。在實(shí)踐過程中，可以適當(dāng)增加PW線的安裝高度，從而達(dá)到一定的避雷效果，不僅能夠降低避雷的成本，還能夠降低百公里的閃絡(luò)頻率。

3.2 采用合成絕緣子

當(dāng)線路受到雷電直擊后，絕緣子會(huì)受到燒蝕，導(dǎo)致接觸網(wǎng)無法自動(dòng)重合閘，嚴(yán)重影響了高速鐵路供電的穩(wěn)定性。因此，在對(duì)牽引供電接觸網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免絕緣子燒蝕情況的發(fā)生，可以采用安裝避雷線或避雷器的方式，預(yù)防工頻電弧、線路閃絡(luò)等情況的發(fā)生，達(dá)到保護(hù)絕緣子的效果，還可以采用疏導(dǎo)工頻電弧的方式保護(hù)絕緣子。以上兩種方法均能夠達(dá)到明顯的效果，但為了更好地預(yù)防絕緣子燒蝕情況的發(fā)生，還應(yīng)當(dāng)注重對(duì)絕緣子質(zhì)量的提升，加強(qiáng)絕緣子的抗燒蝕能力。從目前的情況來看，合成絕緣子的工藝已經(jīng)較為成熟，在抗燒蝕方面也有著良好的效果。硅橡膠材料是合成絕緣子的主要材料之一，但發(fā)生燒蝕情況小時(shí)，硅橡膠受熱會(huì)分解為氣體，分解過程中能夠吸收一定的熱量，達(dá)到減輕燒蝕的作用。另一方面，合成絕緣子面臨燒蝕時(shí)不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)炸裂，能夠?yàn)榫€路絕緣的恢復(fù)提供寶貴的時(shí)間，有利于提高高速鐵路的穩(wěn)定性與安全性。和瓷絕緣子相比，合成絕緣子燒蝕后傘群不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)脫落，依然能夠發(fā)揮一定的絕緣作用，而瓷絕緣子傘群則會(huì)直接脫落，不再具備絕緣功能，導(dǎo)致線路無法順利合閘，引發(fā)接觸網(wǎng)故障。

雖然合成絕緣子有著種種優(yōu)勢(shì)，但仍無法規(guī)避燒蝕帶來的負(fù)面影響，在燒蝕作用下合成絕緣子的材料結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一定的變化，容易分解的成分逐漸揮發(fā)，可能在表面形成氫氧化鋁，導(dǎo)致合成絕緣子抗污性減弱。此外，燒蝕部分的質(zhì)量、性能也會(huì)出現(xiàn)明顯的下降，在后續(xù)的使用過程中更容易發(fā)生脫落、破裂等不良情況，不利于高速鐵路的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)不僅需要安裝合成絕緣子，還應(yīng)當(dāng)定期對(duì)合成絕緣子進(jìn)行檢查、維修、更換，保證合成絕緣子的有效性。

3.3 防雷接地設(shè)計(jì)

接觸網(wǎng)的支柱一般是通過鋼材料制作的，而鋼材料屬于導(dǎo)電材料，一旦受到雷擊，即使未安裝避雷器、避雷線，支柱自身也具有導(dǎo)體的屬性，可以將電流導(dǎo)入低下。在設(shè)計(jì)防雷接地系統(tǒng)時(shí)，可以采用綜合接地系統(tǒng)，將所有的支柱與地線相連接，從而達(dá)到理想的雷電防護(hù)效果。

在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注防雷接地裝置與其他設(shè)備在貫通地線的接入點(diǎn)間距。一般情況下，間距至少應(yīng)當(dāng)控制在15 m，此時(shí)才能達(dá)到理想的雷電防護(hù)效果。此外，為了盡量減少防雷接地系統(tǒng)的建造成本，在設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)當(dāng)重視防雷接地系統(tǒng)的綜合性，充分利用高速鐵路工程的特點(diǎn)與供電系統(tǒng)，采用綜合貫通地線的方式，即高速鐵路中所有設(shè)備的共同接地體，提高防雷系統(tǒng)的科學(xué)性與有效性，從而達(dá)到更好的雷電防護(hù)作用，是一種適合推廣應(yīng)用的高性價(jià)比方式。

4 結(jié)語

高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)的雷電防護(hù)是高速鐵路的重要內(nèi)容之一，通過以上雷電防護(hù)措施的應(yīng)用，能夠有效減少因雷電引發(fā)的故障，但也很難完全規(guī)避這個(gè)問題。因此設(shè)計(jì)人員在對(duì)接觸網(wǎng)雷電防護(hù)進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮多種雷電防護(hù)措施的聯(lián)合應(yīng)用，同時(shí)還需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境、天氣情況，選擇性價(jià)比最高的措施，從而提高高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)的雷電防護(hù)效果。