高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)雷電防護(hù)研究

孫藝洋

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

高速鐵路的運(yùn)行，牽引供電接觸網(wǎng)起到了關(guān)鍵作用，但因接觸網(wǎng)長時間在外部環(huán)境中暴露，所以很容易發(fā)生老化和損傷，而且還會受到自然災(zāi)害的影響。例如，牽引供電接觸網(wǎng)遭遇雷擊，侵入波過電壓經(jīng)過接觸網(wǎng)直接進(jìn)入牽引變電所，損害相關(guān)設(shè)備。所以，高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)需要做好雷電防護(hù)，通過切實可行的防雷電方法，預(yù)防雷電可能造成危害，還可以保護(hù)高速鐵路運(yùn)行的穩(wěn)定性。然而，結(jié)合目前高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)在雷電防護(hù)方面的實施情況發(fā)現(xiàn)，很多地區(qū)并未在雷電防護(hù)方面提出多元化且針對性的策略，導(dǎo)致接觸網(wǎng)很容易受雷擊影響，不僅會造成設(shè)備故障，還會埋下安全隱患，威脅高速鐵路的安全與穩(wěn)定運(yùn)行。鑒于此，本文對高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)的雷電防護(hù)工作展開分析，介紹防雷的重要性，闡述雷電防護(hù)現(xiàn)狀，提出接觸網(wǎng)雷電防護(hù)有效方法，對高速鐵路的正常運(yùn)行提供保護(hù)。

1 高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)雷電防護(hù)意義

高速鐵路的牽引供電設(shè)備有接觸網(wǎng)、牽引變電所、遠(yuǎn)動裝置等，其中牽引供電設(shè)備所尤其重要，可以在不間斷行車情況下，確保供電質(zhì)量。換言之，當(dāng)高速鐵路的牽引供電能力、線路輸送能力達(dá)成高度匹配，方可從列車速度、密度、重量等方面滿足基本要求。盡管變電所的直擊雷防護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)十分完善，戶外受到雷擊且造成設(shè)備損害的概率不高，但是，雷擊防雷系統(tǒng)在運(yùn)行中形成雷電放電、電磁脈沖，或者雷電過壓經(jīng)過金屬管道與電纜時，同樣會形成電磁干擾，對系統(tǒng)運(yùn)行造成影響?；诖?，高速鐵路的高架橋兩端部位尤其需要放置避雷裝置，這是加強(qiáng)高架橋段牽引供電接觸網(wǎng)耐雷性能的有效方法。

一旦高速鐵路牽引供電系統(tǒng)受到雷擊，將會中斷列車的供電，容易造成嚴(yán)重安全事故。比如，發(fā)生于2009年D5673 次動車事故的發(fā)生，便是因為雷電導(dǎo)致動力接觸網(wǎng)發(fā)生斷裂，從而使列車車廂斷電；再如2011 年京滬高速鐵路通車之后，當(dāng)G151 次高速列車行駛到曲阜東至滕州東至棗莊這一路段，便受到雷雨天氣影響，下行線接觸網(wǎng)發(fā)生故障，致使火車斷電終止行駛。基于此，高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)雷電防護(hù)工作至關(guān)重要。

2 高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)雷電防護(hù)現(xiàn)狀

2.1 接觸網(wǎng)遭受雷擊形式的計算

按照當(dāng)前接觸網(wǎng)受到雷擊已有的研究成果，發(fā)現(xiàn)若接觸網(wǎng)所在地的年平均雷電日多，其受到雷擊頻度相應(yīng)較大，即每平方公里一年所受到的雷擊次數(shù)和年平均雷電日數(shù)之間為正比例關(guān)系。按照國際大電網(wǎng)會議提出的計算方式，將承力索距離軌面平均高度設(shè)定為7m，接觸網(wǎng)側(cè)面限界3m，由此可得出計算公式如下：（1）單線接觸網(wǎng)受到雷擊次數(shù)的公式為N-0.122×Td×1.3；（2）復(fù)線接觸網(wǎng)受到雷擊次數(shù)的公式為N=0.244×Td×1.3。上述兩個公式中的Td 是年平均雷電日數(shù)。

一旦接觸網(wǎng)受到雷擊，當(dāng)時便會有過電壓形成，雷擊接觸到網(wǎng)支柱，此時，雷電流沿著支柱入地，并且在支柱上方形成沖擊過電壓。由此可以確定，過電壓值、支柱沖擊接地電阻、雷電流幅值、支柱之間息息相關(guān)，但卻屬于非線性正比。此外，雷電通道形成了電磁場變化后，還會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，其與雷電流極性相反，感應(yīng)電壓值、雷電流平均值、接觸網(wǎng)導(dǎo)線高度之間為正比例關(guān)系。沖擊過電壓、感應(yīng)過電壓相加后，疊加值也與接觸網(wǎng)支柱接地電阻存在聯(lián)系，一般是接地電阻高，疊加值也會增加。當(dāng)接觸網(wǎng)支柱接地電阻增加后，導(dǎo)致閃絡(luò)的雷電流幅值、絕緣子閃絡(luò)概率也會受其影響而增加。當(dāng)雷擊接觸網(wǎng)支柱，此時產(chǎn)生的雷電流沿著支柱入地，計算沖擊電壓的公式為U1=R·I+L（dI/dt）。公式中R為支柱沖擊接地電阻，為10Ω，I 是支柱等值電感。

接觸網(wǎng)受到雷擊是形成過電壓的基本條件，若過電壓值已經(jīng)達(dá)到接觸網(wǎng)要求的絕緣子沖擊放電電壓，便會有絕緣子閃絡(luò)形成，雷電流入地后便會逐漸降低過電壓。綜上，計算接觸網(wǎng)的過程相對繁瑣，但通過計算可以為總結(jié)牽引供電接觸網(wǎng)雷電防護(hù)措施提供參考，從而保證高速鐵路運(yùn)行安全。

2.2 高速鐵路防雷設(shè)計現(xiàn)狀

目前，我國在接觸網(wǎng)防雷設(shè)計方面獲得了比較顯著的成效，通常電氣化鐵道接觸網(wǎng)防雷設(shè)計是以《鐵路防雷、電磁兼容及接地工程技術(shù)暫行規(guī)定》（鐵建設(shè)[2007]39號）和《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》（TB 10009--2005）等規(guī)定為依據(jù)，按照一年中發(fā)生雷電日的具體數(shù)量，將其劃分為少雷區(qū)（年平均雷電日不超過20 天）、多雷區(qū)（年平均雷電日20 ～40 天）、高雷區(qū)（年平均雷電日40 ～60 天）、強(qiáng)雷區(qū)（年平均雷電日超過60 天）。

3 高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)雷電防護(hù)策略

為了規(guī)避雷電對高速鐵路的干擾，保證高速鐵路的安全，牽引供電接觸網(wǎng)雷電防護(hù)務(wù)必受到重視。目前，我國牽引供電接觸網(wǎng)雷電防護(hù)在實踐中雖然已經(jīng)獲得了比較成熟的經(jīng)驗，但是在技術(shù)層面依然有很大的進(jìn)步空間。所以，下面主要圍繞高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)雷電防護(hù)提出建議，規(guī)避高速鐵路運(yùn)行中的安全事故。

3.1 結(jié)合所在區(qū)域?qū)嶋H制定應(yīng)急方案

如果高速鐵路處于多雷電區(qū)以及重點防護(hù)區(qū)，那么很容易受到外界環(huán)境因素的干擾，提高遭遇雷擊的發(fā)生率，還會因此導(dǎo)致供電系統(tǒng)故障。一旦發(fā)生此類故障，而且沒有及時制定處理方案，將會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，特別是對于高速鐵路，很容易對其平穩(wěn)運(yùn)行造成影響。所以，當(dāng)面臨因雷擊而引發(fā)的突發(fā)性故障時，務(wù)必要有應(yīng)急方案馬上處理，只有如此，才能夠維持高速鐵路穩(wěn)定運(yùn)行。建議針對多雷電區(qū)和重點區(qū)域制定雷擊處理的應(yīng)急方案，而且應(yīng)加強(qiáng)方案的針對性，與所在區(qū)域的實際情況相符，在預(yù)案設(shè)計中綜合考慮所有可能性，以便及時應(yīng)對突發(fā)性事件。

制定應(yīng)急預(yù)案時，需要對高速鐵路的施工條件加以重視，盡可能地減少大型機(jī)械設(shè)備數(shù)量，優(yōu)先采用更換、替換等形式，完成完整維修、臨時性維修。尤其需要注意的是，一旦遇到惡劣天氣，很有可能對維修人員的人身安全造成威脅，所以設(shè)計階段應(yīng)對維修人員的安全加以防護(hù)。為了保證雷擊相關(guān)事故可以妥善得到解決，后續(xù)的維修保養(yǎng)流程不能過于煩瑣，加強(qiáng)設(shè)備鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)合理性，可以在有限空間內(nèi)將設(shè)備安裝在合適的位置，為設(shè)備維修與替換創(chuàng)造便利條件，使所有設(shè)備維修、更換時的問題可以及時得到解決。若是在安裝防雷擊設(shè)備時應(yīng)用絕緣架，應(yīng)保證單相接地，此方法可以預(yù)防直接雷、反擊雷對牽引供電接觸網(wǎng)高壓環(huán)節(jié)造成的威脅，以免發(fā)生放電事故，最大程度降低因雷擊造成的損耗，并且有效降低線路跳閘等不良事故的發(fā)生率。

3.2 規(guī)范安裝接觸網(wǎng)

現(xiàn)階段，高速鐵路供電主要采用的是AT（電力牽引AT 供電方式，auto transformer supply system of electric traction），并在PW 線路（偽線）中設(shè)置 AF線路（正饋線）。采用此安裝方式，如果需要計算接觸網(wǎng)線路直接落雷閃絡(luò)概率，通常會選擇構(gòu)建電氣幾何模型、先導(dǎo)發(fā)展模型，同時計算還需滿足如下條件：（1）自然雷90%呈現(xiàn)負(fù)極性，所以直擊雷過電壓同樣是負(fù)極性。計算時應(yīng)用絕緣子U50%是閃絡(luò)判據(jù)；（2）如果將計算條件設(shè)定為雷暴日20d、40d，那么，U50 代表的是絕緣子50%雷電沖擊放電電壓。根據(jù)表1 數(shù)據(jù)便可得知，接觸網(wǎng)絕緣子正負(fù)極性標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊50%放電電壓，而且通過數(shù)據(jù)分析，雷擊閃絡(luò)的實際次數(shù)、線路暴露寬度、地閃密度之間關(guān)系非常緊密。線路引雷面積可按“線路總暴露寬度×線路長度”進(jìn)行計算，年雷擊閃絡(luò)次數(shù)按“線路引雷面積×地閃密度”的公式計算，如果線路長度是100km，按照上述公式便可得到線路百公里年閃絡(luò)次數(shù)。

表1 接觸網(wǎng)絕緣子正負(fù)極性標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊50%放電電壓

3.3 采用合成絕緣子進(jìn)行雷電防護(hù)

如果線路遭受雷電直擊，必然會使絕緣子發(fā)生燒蝕，接觸網(wǎng)因此不能自動重合閘，對高速鐵路供電造成影響。所以，制定牽引供電接觸網(wǎng)的防雷方案，需要規(guī)避絕緣子燒蝕狀況，建議安裝避雷線、避雷器等裝置，起到防范工頻電弧、線路閃絡(luò)等事故的作用，還可以采用疏導(dǎo)工頻電弧對絕緣子加以保護(hù)。上述方法在應(yīng)用中效果均比較明顯，要想獲得更為理想的絕緣子燒蝕預(yù)防效果，還需要不斷提高絕緣子質(zhì)量，優(yōu)化絕緣子本身的抗燒蝕性?；诋?dāng)下的狀況，合成絕緣子技術(shù)的成熟度已經(jīng)很高，抗燒蝕性能在操作中也可以獲得比較理想的效果。合成絕緣子的材料包括硅橡膠，如果燒蝕現(xiàn)象不是非常嚴(yán)重，硅橡膠在受熱后，將會分解成為氣體，其間便會吸收一部分熱量，減輕燒蝕嚴(yán)重性。另外，合成絕緣子在燒蝕狀況下，一般不會快速炸裂，這便可以為恢復(fù)線路絕緣爭取時間，使高速鐵路的運(yùn)行更加可靠。合成絕緣子與瓷絕緣子對比，前者燒蝕之后傘群一般不會快速脫落，可以很好地保證絕緣效果，但瓷絕緣子傘群在同樣的情況下將很快脫落，失去絕緣功能，致使線路不能合閘，還會因此誘發(fā)接觸網(wǎng)故障。盡管合成絕緣子在應(yīng)用中有諸多優(yōu)勢，但是很難完全避免燒蝕導(dǎo)致的消極影響。受到燒蝕作用的影響，還會改變合成絕緣子材料結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其分解成分揮發(fā)，在表面有氫氧化鋁形成，這是降低合成絕緣子抗污性的重要原因。對于被燒蝕的部位，其質(zhì)量和性能必然會受到直接影響，還有可能發(fā)生脫落和破裂等現(xiàn)象，給高速鐵路運(yùn)行埋下隱患。所以，高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)在安裝合成絕緣子的基礎(chǔ)上，還必須定期對其進(jìn)行檢查，確保合成絕緣子的性能與質(zhì)量始終在最佳狀態(tài)。

3.4 優(yōu)化接觸網(wǎng)防雷接地設(shè)計方案

接觸網(wǎng)支柱以鋼材料為主，鋼材料本身具有導(dǎo)電性，如果遭遇雷擊，在沒有安裝避雷器和避雷線等防雷擊設(shè)備的情況下，支柱被賦予了導(dǎo)體屬性，依然可以使電流導(dǎo)入至地下。那么高速防雷接地系統(tǒng)在設(shè)計階段，建議選擇綜合接地系統(tǒng)，支柱和地線連接，有利于進(jìn)一步優(yōu)化雷電防護(hù)的實際效果。注意設(shè)計環(huán)節(jié)的重點在于控制貫通地線接入點防雷接地裝置和其余設(shè)備之間的距離，建議將間距控制在15m 左右，可以保證雷電防護(hù)的實際效果。對于防雷接地系統(tǒng)成本的控制，建議設(shè)計過程中對防雷接地系統(tǒng)綜合性能加以關(guān)注，其間需要融合高速鐵路工程特征、供電系統(tǒng)，應(yīng)用綜合貫通地線。換言之，高速鐵路設(shè)備均可作為共同接地體，使防雷系統(tǒng)性能不斷優(yōu)化，以此來增強(qiáng)雷電防護(hù)性能，而且該方法的性價比也比較高。

4 結(jié)語

綜上所述，高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)雷電防護(hù)至關(guān)重要，也是接觸網(wǎng)安全管理非常重要的一部分。結(jié)合當(dāng)前牽引供電接觸網(wǎng)雷電防護(hù)的實施經(jīng)驗，建議結(jié)合高速鐵路所在區(qū)域的實際情況，制定有的放矢的防雷擊策略。一方面，可以保證雷電防護(hù)的實施效果；另一方面，也能夠切實加強(qiáng)牽引供電接觸網(wǎng)的安全性，為高速鐵路的穩(wěn)定運(yùn)行夯實基礎(chǔ)，這也是今后高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)制定安全防護(hù)策略需要參考的重要內(nèi)容。