許毅濤

0 引言

京滬高鐵自2011年6月30日開通運(yùn)行后，牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行基本穩(wěn)定，但也出現(xiàn)了一些不盡人意的地方，特別是進(jìn)入雷雨季節(jié)以來，跳閘頻繁，雖然絕大部分重合成功，并未對運(yùn)輸造成影響，但是雷擊引起的絕緣設(shè)備閃絡(luò)燒傷，是接觸網(wǎng)安全運(yùn)行的隱患。

1 京滬高鐵上海段接觸網(wǎng)雷擊跳閘分析

為便于說明問題，筆者選取滬寧城際南京西分區(qū)所至黃渡分區(qū)所約281正線公里的線路，與京滬高鐵滬寧段南京南牽引變電所（以下簡稱牽引所）至黃渡分區(qū)所約 283正線公里的線路進(jìn)行比較分析。2條線路基本平行，而且兩者大部分線路都采用高架方式，時間為2011年7月1日—8月31日（表1）。

表1 跳閘數(shù)據(jù)比較表（2011年7月1日—8月31日）

對表1數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）京滬高鐵接觸網(wǎng)非雷雨天氣運(yùn)行比較可靠。2條線路長度接近，2個月里，京滬高鐵滬寧段的非雷雨天氣跳閘只有2次，而滬寧城際有7次，說明京滬高鐵滬寧段的接觸網(wǎng)在非雷雨天氣還是比較可靠的。

（2）京滬高鐵接觸網(wǎng)的防雷措施有待改進(jìn)。滬寧城際共跳閘 73次，雷雨天氣跳閘 66次，占90.4%。京滬高鐵滬寧段共跳閘189次，雷雨天氣跳閘187次，占98.9%。雷雨天氣跳閘所占百分比，京滬高鐵滬寧段偏高；雷雨天氣跳閘絕對值，京滬高鐵滬寧段是滬寧城際的2.83倍。以上數(shù)據(jù)表明，京滬高鐵接觸網(wǎng)防雷措施還有待改進(jìn)。

（3）京滬高鐵接觸網(wǎng)加強(qiáng)線被雷擊次數(shù)最多。滬寧城際雷雨天氣跳閘T線36次，F(xiàn)線30次，兩者之比 1.2∶1；京滬高鐵滬寧段雷雨天氣跳閘 T線135次，F(xiàn)線48次，兩者之比2.8∶1。從整個京滬高鐵上海局管段雷雨天氣跳閘統(tǒng)計看，跳閘總計254次，T線186次，F(xiàn)線60次，T-F間8次。以上數(shù)據(jù)表明，京滬高鐵T線被雷擊的次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于F線。

京滬高鐵滬寧段雷雨天氣跳閘T線135次，通過測距裝置確定在牽引所—AT所之間為104次，之外為18次，測距失敗13次。整個京滬高鐵上海局管段雷雨天氣跳閘T線186次，落在牽引所—AT所之間的 145次。這些都說明京滬高鐵的牽引所—AT所間T線遭雷擊跳閘特別嚴(yán)重。

分析其中原因不難發(fā)現(xiàn)：為增強(qiáng) T線導(dǎo)流能力，京滬高鐵在牽引所—AT所間加設(shè)了加強(qiáng)線，該線沒有任何避雷措施，且一般架設(shè)在支柱最高處，因而導(dǎo)致雷擊跳閘次數(shù)特別多。在上述期間雷雨跳閘后的巡視發(fā)現(xiàn)，加強(qiáng)線絕緣子有雷擊痕跡的26處，腕臂有雷擊痕跡的6處，F(xiàn)線絕緣子有雷擊痕跡的2處。由此可以得出結(jié)論：架在支柱最頂端的加強(qiáng)線導(dǎo)致雷擊跳閘次數(shù)增加。圖1是京滬高鐵支柱線索布置圖。

圖1 京滬高鐵支柱線索布置圖

2 京滬高鐵接觸網(wǎng)3種防雷方案分析

目前對如何減少京滬高鐵接觸網(wǎng)雷害，主要有3種意見：安裝放電間隙、改架避雷線、增設(shè)線路避雷器。下面對3種方案進(jìn)行分析說明。

（1）安裝放電間隙。為了保護(hù)絕緣子，有人提出在絕緣子上安裝放電間隙。圖2為絕緣子安裝間隙后的沖擊閃絡(luò)試驗例圖。

圖2 保護(hù)間隙的沖擊閃絡(luò)試驗例圖

加裝放電間隙的優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)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(jīng)過，因此絕緣子裙片不會因電弧高溫炸裂，從而有效保護(hù)了接觸網(wǎng)絕緣子。而且放電間隙結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，可以在每個支柱上安裝。

但安裝間隙后會帶來以下不利影響：一是放電間隙不能避免雷擊跳閘。當(dāng)放電間隙被雷電擊穿后，間隙間形成電弧，雖然雷電持續(xù)時間很短，但接觸網(wǎng)的工頻電壓始終存在，繼續(xù)沿電弧形成的放電通道放電，引起斷路器跳閘。二是安裝放電間隙會導(dǎo)致雷擊跳閘率升高。放電間隙擊穿電壓比絕緣子要小得多，導(dǎo)致接觸網(wǎng)整體絕緣水平下降，雷擊跳閘率也會相應(yīng)提高。目前還沒有接觸網(wǎng)安裝放電間隙后雷擊跳閘率的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從地方供電部門對110，220 kV線路的統(tǒng)計來看，安裝放電間隙后，220 kV線路的雷擊跳閘率增加了6.5%，110 kV線路的雷擊跳閘率增加了10.9%[4]。

（2）改架避雷線。避雷線架設(shè)簡單，防護(hù)效果也好，每公里造價20000元左右，建議新建的客運(yùn)專線線路把PW線架設(shè)在支柱最頂端，兼作避雷線，可以有效防雷。但京滬高鐵為增加線路導(dǎo)流能力，在牽引所—AT所間接觸網(wǎng)支柱最上端架設(shè)了加強(qiáng)線，已經(jīng)沒有位置再架設(shè)避雷線。有人提出撤銷加強(qiáng)線用避雷線代替的方案，筆者認(rèn)為不合適，理由如下：

a.架設(shè)避雷線需要把支柱加高，造成新的不穩(wěn)定因素。京滬高鐵絕大多數(shù)平腕臂加上橫絕緣子的長度都在3000 mm以上；而支柱外側(cè)的AF肩架固定在最頂端，長度一般為1200 mm?！惰F路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》[1]提出：“避雷線的架設(shè)高度可根據(jù)保護(hù)范圍計算確定。保護(hù)角可取 0°～45°?！卑醋畲蟊Ｗo(hù)角 45°計算，支柱頂端續(xù)接架設(shè)的避雷線能保護(hù)接觸線和正饋線的最小高度為2100 mm，詳見圖3。續(xù)接支架與支柱連接，上端還要架設(shè)避雷線，不僅工程量大，還成為運(yùn)行的不穩(wěn)定因素。

b.撤銷加強(qiáng)線后，會導(dǎo)致牽引所—AT所間 T線電流超過允許載流量。

圖3 避雷線支架安裝圖

根據(jù)《京滬高鐵電化設(shè)計方案》給出的牽引網(wǎng)各類導(dǎo)線的載流量（表2）數(shù)值，京滬高鐵截面為150 mm2的接觸線和截面為120 mm2的承力索載流量之和在1000 A左右，增加加強(qiáng)線后，整體載流量能達(dá)到1700 A以上。京滬高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間，一列380大編組車時速350 km行駛時牽引所實際電流達(dá)到650 A左右。按一條供電臂25 km、列車速度350 km/h、追蹤間隔3 min計算，一條供電臂內(nèi)會有2趟車，電流將達(dá)到1300 A左右。目前京滬高鐵運(yùn)行時速不超過310 km，如果撤銷加強(qiáng)線，接觸網(wǎng)將失去提速到350 km/h的能力。

表2 牽引網(wǎng)各類導(dǎo)線的載流量[3]一覽表

（3）增設(shè)線路避雷器。京滬高鐵線路避雷器采用的是無間隙金屬氧化物避雷器，單組造價約3000元。避雷器閥值為42 kV，而接觸網(wǎng)絕緣子的雷電沖擊耐受電壓在270 kV以上，避雷器閥值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于絕緣子的雷電沖擊耐受電壓。當(dāng)接觸網(wǎng)遭受雷擊時，避雷器先于絕緣子進(jìn)行放電泄流，從而保護(hù)絕緣子不會因電弧高溫炸裂。

無間隙金屬氧化物避雷器在泄除雷電流后可以有效切除工頻續(xù)流。避雷器本體動作時間為納秒級，可以忽略不計。這樣避雷器啟動、泄流、切除工頻續(xù)流的整個過程也就不超過雷電波長存在的時間，即20～100 μs。已知京滬高鐵牽引所內(nèi)饋線保護(hù)整定時限最短為60 ms，即60000 μs（2012年新增的速斷保護(hù)），遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于避雷器雷電泄流時間，所以避雷器動作后不會引起牽引所內(nèi)斷路器跳閘，也就不會產(chǎn)生雷擊跳閘率的問題。

根據(jù)實測結(jié)果，雷電沖擊波的波頭時間一般為1～5 μs，多為 2.5～2.6 μs；波長為 20～100 μs，多數(shù)為 50 μs。線路防雷計算中一般取波頭時間2.6 μs，雷電傳播速度為300000 km/s，波頭時間內(nèi)雷電流傳輸距離為

計算表明，2個避雷器間隔1500 m左右就可以在雷電波頭形成時間內(nèi)有效避雷。

目前京滬高鐵接觸網(wǎng)只在供電線上網(wǎng)點(diǎn)、分相兩端、隧道兩端安裝了線路避雷器，數(shù)量太少，防雷效果不佳?？紤]到雷擊概率及維護(hù)成本，避雷器并不需要每隔1500 m安裝1組，只要能夠大幅度降低雷擊跳閘率，適當(dāng)拉開距離也是可以的。筆者建議增設(shè)方案如下：

京滬高鐵上海局管內(nèi)共48條供電臂，以王洼分區(qū)所為界，王洼以北至徐州東牽引所分相（局界）共22條供電臂，每條供電臂的加強(qiáng)段（牽引所至AT所間）增設(shè)3組避雷器（F線1組，T線2組），在AT所至分區(qū)所間增設(shè)2組避雷器（F線、T線各1組），共110組避雷器；王洼以南至虹橋牽引所共26條供電臂，每條供電臂的加強(qiáng)段（牽引所至AT所間）增設(shè)4組避雷器（F線1組，T線3組），在AT所至分區(qū)所間增設(shè)2組避雷器（F線、T線各1組），共156組避雷器。這樣，上海局管內(nèi)共增設(shè)避雷器266組，就基本可以解決問題。

避雷器設(shè)置地點(diǎn)的選擇并不需要按里程平均分布，除按照設(shè)計要求已經(jīng)安裝的，還應(yīng)重點(diǎn)選擇以下地點(diǎn)：雷擊多發(fā)地點(diǎn)，可以參考2011年雷雨天氣跳閘的故標(biāo)點(diǎn)；接觸網(wǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于周圍建筑物的地點(diǎn)；地形空曠平坦的地點(diǎn)；需要避雷保護(hù)的特殊地點(diǎn)。選擇安裝點(diǎn)時要注意適當(dāng)拉開距離，2組避雷器之間的距離最好不要小于2 km。

3 京滬高鐵接觸網(wǎng)防雷方案比較和結(jié)論

從以上分析可以看出，安裝放電間隙雖然能保護(hù)絕緣子，但雷擊跳閘率卻會升高，不利于接觸網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行；架設(shè)避雷線雖然防雷效果好，但撤除加強(qiáng)線會降低京滬高鐵接觸網(wǎng)的導(dǎo)流能力，失去進(jìn)一步提速的可能；增設(shè)線路避雷器不僅可以保護(hù)接觸網(wǎng)絕緣設(shè)備，降低雷擊跳閘率，還不需對接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大的改動。綜上所述，筆者建議采用增設(shè)避雷器方案。

有人提出避雷器造價較高，經(jīng)濟(jì)性不合理。目前市場上接觸網(wǎng)線路避雷器約3000元/組，帶防爆脫離器的約5000元/組，即使按照1500 m/組進(jìn)行全線安裝（T線、F線各1組），折合每公里造價才6700元，而避雷線造價20000元/km，裝設(shè)避雷器的價格遠(yuǎn)低于避雷線。

有人提出避雷器不好檢測維護(hù)，擔(dān)心質(zhì)量問題導(dǎo)致故障跳閘。避雷器屬于電力行業(yè)成熟產(chǎn)品，目前國內(nèi)外很多廠家都在生產(chǎn)免維護(hù)型避雷器，使用壽命一般在10年以上。只要選擇質(zhì)量穩(wěn)定、成熟規(guī)范的廠家，避雷器質(zhì)量就不應(yīng)該成為問題。

有人提出避雷器不能防直擊雷，直擊雷擊中避雷器后容易形成死接地，不利于供電設(shè)備可靠運(yùn)行。目前國內(nèi)已生產(chǎn)出帶脫離器的避雷器，當(dāng)避雷器遭受直擊雷炸裂時，脫離器會因電流發(fā)熱引爆，使避雷器殘體有效脫離主導(dǎo)電回路。這種形式的避雷器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地方和鐵路。

對避雷器防直擊雷的問題，筆者曾經(jīng)有過設(shè)想：在避雷器首末端并聯(lián)一組放電間隙，通過計算調(diào)整好間隙距離。當(dāng)感應(yīng)雷或雷電沖擊電流不大時由避雷器直接泄流，牽引所內(nèi)斷路器不動作；當(dāng)直擊雷或雷電壓較高時通過放電間隙泄流，由牽引所內(nèi)斷路器跳閘熄弧。并聯(lián)放電間隙的避雷器造價要低于帶脫離器的避雷器，而且還可以避免人工安裝脫離器帶來的脫離器失效隱患。筆者了解到已有避雷器廠家正在開發(fā)該種新產(chǎn)品，希望能夠早日投入應(yīng)用。

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[2]張一塵.高電壓技術(shù)[M].北京：中國電力出版社.

[3]中鐵電氣化勘測設(shè)計研究院. 北京至上海高速鐵路電氣化設(shè)計方案.

[4]羅真海，陳勉，陳維江，等. 110kV、220kV架空輸電線路復(fù)合絕緣子并聯(lián)間隙防雷保護(hù)研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2002，（10）.

[5]范海江，羅健.鐵路客運(yùn)專線接觸網(wǎng)防雷研究[J].鐵道工程學(xué)報，2008，（8）.