孫少江

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高速鐵路接觸網(wǎng)防雷技術(shù)

孫少江

通過對武廣高鐵、廣深港等鐵路防雷接地技術(shù)改造前后接觸網(wǎng)雷擊跳閘的統(tǒng)計分析，對比了不同防雷方式的防雷效果，總結(jié)了高速鐵路接觸網(wǎng)防雷接地的經(jīng)驗教訓，提出了幾點提高強雷區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)耐雷水平的建議。

防雷；避雷線；避雷器；接地電阻

0 引言

沿海地區(qū)由于受到特殊地理位置和氣候條件的影響，處于高、強雷地區(qū)的高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)遭遇雷擊比較頻繁，雷擊問題是干擾高速鐵路接觸網(wǎng)安全運行而需要研究的重要課題之一。

接觸網(wǎng)作為牽引供電系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)之一，其露天無備份特性決定了接觸網(wǎng)必須具備相應的雷擊過電壓防護措施[1]，以確保電力機車取流安全。我國電氣化鐵路分布廣，地理位置差異大，氣候環(huán)境復雜，根據(jù)不同鐵路等級、不同地區(qū)雷暴狀況及不同地理位置防雷需求，因地制宜地采取針對性雷擊過電壓保護措施是保障電氣化鐵路運輸安全的重要研究課題[2]。

分析供電運營部門提供的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)雷擊事故比較頻繁的是沿海地區(qū)及高架橋上的線路，而我國高鐵又大多建在高架橋上，沿海地區(qū)則是雷暴活動頻繁的地區(qū)，雷擊對當?shù)馗咚勹F路供電安全構(gòu)成嚴重威脅。因此，研究有效的接觸網(wǎng)防雷擊措施以避免雷擊事件造成損失具有重要意義。

本文以處于全國強雷區(qū)的3條高速鐵路接觸網(wǎng)采用的防雷技術(shù)措施為例進行研究，對比分析不同防雷改造項目所采用的防雷技術(shù)，總結(jié)高速鐵路強雷區(qū)接觸網(wǎng)防雷經(jīng)驗和改進措施。

1 高速鐵路接觸網(wǎng)雷害情況

武廣高鐵南段、廣深港高鐵均位于廣東省境內(nèi)的強雷區(qū)，海南東環(huán)鐵路位于海南省，年平均雷電日約120 d，最高可達149 d，雷擊頻率和強度居全國之首。武廣高鐵南段、廣深港高鐵、海南東環(huán)鐵路運營初期接觸網(wǎng)雷擊跳閘情況如表1所示。數(shù)據(jù)表明，雷擊是造成接觸網(wǎng)跳閘的主要因素之一，采取高速鐵路接觸網(wǎng)防雷技術(shù)措施是降低跳閘率，提高牽引供電穩(wěn)定性的必要手段。

表1 高速鐵路接觸網(wǎng)雷擊跳閘情況統(tǒng)計表

2 高速鐵路接觸網(wǎng)防雷接地主要技術(shù)措施

目前高速鐵路接觸網(wǎng)采取的主要防雷技術(shù)措施為架設避雷線、增設避雷器、增強接觸網(wǎng)絕緣強度、降低接觸網(wǎng)接地電阻等。

2.1 架設避雷線

避雷線防雷是在雷電先導階段，避雷線頂部聚積電荷后于發(fā)展先導和避雷線頂端之間的通道中建立強電場，避雷線迎面先導的產(chǎn)生和發(fā)展進一步加強了該通道中的電場強度，最后引導雷電選定并擊中避雷線，使被保護物遭受直擊雷的概率大幅降低。當接觸網(wǎng)附近地面遭受雷擊時，雷電流致使導線產(chǎn)生很強的感應過電壓，而避雷線與接觸網(wǎng)導線之間的耦合作用可減小絕緣子承受的感應電壓。因此，避雷線不僅可以有效降低接觸網(wǎng)遭受直擊雷的概率，還可以降低因感應過電壓而導致絕緣子擊穿閃絡的概率[3]。

采用避雷線防雷，首先需要確定避雷線保護范圍和保護角，以確定避雷線安裝高度。避雷線保護角選取隨線路電壓等級增加而減小，保護角越小，其防直擊雷效果越好，選取角度一般不大于45°。保護范圍計算通常通過折線法及滾球法2種算法。

（1）折線法。采用單根避雷線時，高度為x水平面上避雷線兩側(cè)保護范圍寬度的計算式為

式中，x為避雷線保護半徑，m；為避雷線高度，m；為高度影響系數(shù)，當避雷線高度不大于30 m時，= 1。

采用雙根等高避雷線時，維持保護角不變，雙線外側(cè)保護范圍與單線外側(cè)保護范圍一致，線間保護范圍由避雷線及保護范圍上部邊緣最低點的圓弧確定，最低點計算式為

0=-(/ 4) （2）

式中，為雙根避雷線間距，m。

（2）滾球法。單根避雷線在被保護物高度平面上的保護半徑計算式為

式中，r為滾球半徑，取值45 m。

采用雙根避雷線時，考慮到接觸網(wǎng)避雷線高度小于最小的一類防雷建筑滾球半徑，且避雷線間距的一半必然小于單根避雷線在地面的保護半徑，故距兩避雷線連線中點距離為處的最大保護高度x的計算式為

即距兩避雷線連線中點距離為，且高度為x時的設備可得到保護。

2.2 增設避雷器

避雷器防雷是利用其沖擊放電電壓低于接觸網(wǎng)絕緣（空氣間隙和絕緣子）及電力機車車頂保護裝置（保護間隙和車頂避雷器）的沖擊放電電壓，使雷擊時接觸網(wǎng)上的避雷器先于上述保護裝置放電，避免上述保護裝置動作引起變電所斷路器跳閘，從而降低接觸網(wǎng)雷擊跳閘率，提高線路的耐雷水平。但接觸網(wǎng)避雷器也有其自身的保護距離，以常用的MOA避雷器為例，雷擊線路時其保護距離的計算式為[4]

≤1 560（5）

式中，為接觸網(wǎng)波阻抗，Ω；為接觸網(wǎng)耐雷水平，kA；J為機車保護間隙放電電壓。

當雷擊大地產(chǎn)生感應雷時，感應雷過電壓大小由下式確定：

=1（6）

式中，為常數(shù)，國外研究通常取值38.8；1為修正系數(shù)，國內(nèi)研究通常直接取值1= 25；為雷電流幅值，kA；為接觸網(wǎng)高度，m；為雷擊點至接觸網(wǎng)垂直距離，m。

此時，避雷器感應雷保護范圍為[5]

式中，m為接觸網(wǎng)額定電壓，即25 kV；50%為線路絕緣子雷電沖擊放電電壓。

此外，當雷擊接觸網(wǎng)線路時，避雷器動作后吸收雷電能量，吸收能量的計算式為

=ò()()d（8）

式中，()、()分別為避雷器的雷電放電電流及作用在其上的電壓；為雷電流在避雷器上作用的時間。

當避雷器吸收該部分能量后，絕緣子及桿塔等受到的總沖擊電壓為避雷器殘壓，提升了設備的絕緣保護性能，提高了線路防雷水平[6]。

2.3 加強接觸網(wǎng)絕緣

高速鐵路接觸網(wǎng)大多架設在高架橋上，處于空曠區(qū)且距離地面較遠，加大了接觸網(wǎng)支柱落雷的機會。當雷擊接觸網(wǎng)支柱時，將在支柱上產(chǎn)生沖擊電壓。分析表明，70%直擊雷將導致絕緣子沖擊閃絡，需采用增加絕緣子串片數(shù)、使用大爬距絕緣子、加大空氣間隙等方法加強接觸網(wǎng)絕緣。

根據(jù)西南交通大學和中鐵二院工程集團有限責任公司關于海南西環(huán)鐵路接觸網(wǎng)防雷仿真計算研究顯示，懸式絕緣子與棒式絕緣子相比，棒式絕緣子的使用較大地提高了接觸網(wǎng)耐雷水平。當支柱接地電阻為5 Ω時，棒式絕緣子對應的支柱耐雷水平與懸式絕緣子對應的支柱耐雷水平相比，提高約4.57%。如圖1所示。

2.4 降低接觸網(wǎng)支柱接地電阻

若雷電直擊接觸網(wǎng)支柱，且接地電阻較大，則接觸網(wǎng)支柱頂部將產(chǎn)生高電位，絕緣子串可能發(fā)生閃絡，導致接觸網(wǎng)接地短路故障。因此，降低接觸網(wǎng)支柱接地電阻可降低雷擊時的電位上限，間接提高接觸網(wǎng)防雷水平，防止發(fā)生反擊現(xiàn)象。

仿真計算顯示，隨接地電阻降低，支柱耐雷水平提高，接地電阻在10W時比60W時支柱的耐雷水平提高了43.5 kA，提高了4倍。

3 強雷區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)防雷改造

3.1 廣深港高鐵接觸網(wǎng)防雷改造

3.1.1 設置避雷線

廣深港高速鐵路重要設備安裝處及雷害多發(fā)區(qū)段（如變電所電纜上網(wǎng)處及空曠的高架橋區(qū)段）采用升高PW線兼作避雷線（保護角取值為45°）方式作為防雷措施，其安裝方案如圖2所示。

圖2 廣深港高鐵重要區(qū)段PW線安裝圖

3.1.2 設置避雷器

全線隧道外區(qū)段設備安裝處、每個錨段關節(jié)、站場兩端及長大橋、隧道兩端均加裝避雷器。

3.2 武廣高鐵接觸網(wǎng)防雷改造

3.2.1 架設獨立避雷線

避雷線的保護效果很大程度取決于避雷線的安裝高度，根據(jù)滾球法計算分析，一般中間柱處，只要避雷線位于柱頂附加導線肩架之上即可將正饋線、承力索納入保護范圍之內(nèi)，此時避雷線肩架柱頂以上部分為0.7 m。在錨段關節(jié)處，尤其是絕緣錨段關節(jié)處，由于承力索抬高，避雷線也需要相應抬高，此時避雷線肩架柱頂以上部分為1.3 m。為便于零件制造安裝，武廣高鐵避雷線肩架柱頂以上統(tǒng)一按照1.3 m進行設計。

由于武廣高鐵PW線采用非絕緣安裝，而PW線通過吸上線、H形鋼柱等與綜合接地系統(tǒng)相連，為使避雷線與綜合接地系統(tǒng)及弱電設備相對隔離，避雷線采用如圖3所示的絕緣安裝形式。

3.2.2 武廣高鐵南段接觸網(wǎng)防雷補強改造

武廣高鐵南段處于廣東省內(nèi)強雷區(qū)，需進行特殊防雷補強改造，改造方案為：老唐屋變電所213、214供電臂、新花都變電所213、214供電臂、廣州南變電所211、212供電臂采用絕緣安裝形式增設獨立架空地線，每隔200 m進行單獨接地；在老唐屋變電所211、212供電臂絕緣關節(jié)兩側(cè)轉(zhuǎn)換柱、中心錨結(jié)柱附近及中心錨結(jié)與錨段關節(jié)間增設避雷器，間距為300～400 m，上網(wǎng)點增設帶間隙避雷器，原隧道口未設置避雷器處增設避雷器，避雷器接地采用單獨接地。

圖3 武廣高鐵避雷線絕緣安裝示意圖

3.3 海南東環(huán)鐵路接觸網(wǎng)防雷工程

3.3.1 接觸網(wǎng)防雷設計方案

結(jié)合東環(huán)鐵路氣象條件及相關計算分析，東環(huán)鐵路在滿足《建筑物防雷設計規(guī)范》（GB50057- 1994的2000年修訂版）雷電防護需求條件下即可滿足該線雷電防護。因此，東環(huán)鐵路采用將回流線直接安裝在支柱頂部兼作避雷線的方法進行接觸網(wǎng)防雷保護，該方案在滿足接觸網(wǎng)防雷要求的同時，減少了單獨架設避雷線的費用，其安裝示意圖見圖4。

圖4 海南東環(huán)鐵路防雷保護范圍及支柱高度示意圖

3.3.2 設置避雷器

在錨段關節(jié)式電分相處、絕緣錨段關節(jié)處、供電線上網(wǎng)處、分區(qū)所、開閉所引入線處、長度 2 000 m及以上的隧道口或連續(xù)的隧道群兩端、電纜接頭處等重點位置設置氧化鋅避雷器。

4 強雷區(qū)接觸網(wǎng)防雷工程成效對比

以武廣高鐵為例，其在2013年防雷改造過程中，老唐屋牽引變電所211、212供電臂采取增加氧化鋅避雷器的方式進行了防雷加強；老唐屋牽引變電所213、214供電臂以及花都—廣州南區(qū)間采取增設架空地線（避雷線）的防雷改造措施。改造前后各區(qū)段近幾年跳閘數(shù)據(jù)對比分析見表2。

表2 防雷改造前后接觸網(wǎng)雷擊跳閘統(tǒng)計表

對比分析2013年與2014年、2015年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采取防雷改造措施后，雷擊跳閘次數(shù)明顯減少。

分析表2統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，采用加裝避雷線防雷的區(qū)段在2014年、2015年均未發(fā)生跳閘，與2013年同期相比下降100%，達到了預期的防雷效果，有效地降低了因雷擊而導致的跳閘次數(shù)，減少了對列車運行的干擾。

采用加裝避雷器防雷的區(qū)段，2014年、2015年各發(fā)生2次跳閘，其中距離最近避雷器僅50 m，與2013年同期未加裝避雷器時相比跳閘次數(shù)減少1次，下降33.3%。從防雷效果分析，采用加裝避雷線方式優(yōu)于采用加裝避雷器方式。

此外，根據(jù)廣州鐵路集團公司管內(nèi)2011—2013年高速鐵路接觸網(wǎng)雷擊情況統(tǒng)計分析，海南東環(huán)鐵路雷擊跳閘占總跳閘次數(shù)比武廣高鐵、廣深港高鐵低70%；每百公里雷擊跳閘次數(shù)海南東環(huán)是武廣高鐵的4%。因此，采用避雷線進行接觸網(wǎng)防雷改造取得了非常好的效果。

5 強雷區(qū)接觸網(wǎng)防雷改進措施建議

（1）根據(jù)武廣高鐵、海南東環(huán)鐵路、廣深港高速鐵路防雷工程實際效果分析可知，當線路處于強雷區(qū)時，架設避雷線作為主要防雷措施，可極大提高線路耐雷水平。另外，既有運營線路也可考慮升高PW線、回流線兼作避雷線的方式加強防雷，既可兼顧防雷效果，又具有較好的經(jīng)濟性。

（2）根據(jù)西南交通大學和中鐵二院工程集團有限責任公司海南東環(huán)鐵路接觸網(wǎng)防雷仿真計算研究表明：選用避雷器對設備耐雷水平的提升作用非常顯著，但避雷器的保護范圍非常小，只有在每2個檔距間裝設一組避雷器，其防雷效果才等同于安裝避雷線的防雷效果，此外增設避雷器可能降低接觸網(wǎng)運行可靠性，因此不建議采用避雷器作為強雷區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)主要的防雷措施。但各地可根據(jù)雷電活動情況、典型地理環(huán)境特征及設備集中程度適當增設避雷器，且相關研究結(jié)果也顯示，通過安裝避雷器與降低接地電阻配合使用的方式，可有效提高線路耐雷水平，具體數(shù)據(jù)可參見表3。

表3 安裝避雷器后不同接地電阻接觸網(wǎng)耐雷水平表

（3）除采取避雷線、避雷器等吸收直擊雷方式加強防雷外，強雷區(qū)段可通過采用優(yōu)化設計絕緣子間隙形狀、適當調(diào)整間隙距離的方法，利用絕緣子間隙疏導雷電流，達到防絕緣閃絡、提高沖擊放電電壓水平的目的，間接提高線路耐雷水平。

（4）除單獨采用上述防雷措施外，根據(jù)雷電特性及強雷區(qū)其他現(xiàn)場實際經(jīng)驗，也可采取其他防雷措施，如采用雙重絕緣、減小接觸網(wǎng)支柱接地電阻、提高AF線絕緣強度等組合方式，取得更為理想的防雷效果。

6 結(jié)語

綜上所述，為解決沿海高速鐵路處于高、強雷地理氣象環(huán)境下，遭受雷擊造成接觸網(wǎng)跳閘頻繁的問題，采用架設避雷線及降低接地電阻措施進行接觸網(wǎng)防雷保護，效果最佳，方案切實可行，經(jīng)濟及社會效益可觀，建議在沿海高速鐵路中進行推廣應用。同時，建議在沿海高普速及內(nèi)陸高、強雷地區(qū)電氣化鐵路中將其作為既有線改造、新線建設的接觸網(wǎng)防雷保護標準進行實施。

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On the basis of analyzing the statistics of overhead contact system tripping caused by the lightning stroke before and after reconstruction of lightning protection earthing technologies for Wuhan-Guangzhou railways and Guangzhou-Shenzhen railways, the paper illustrates the comparison of the lightning protection effects under different lightning protection modes, summarizes the experiences and lessons to be learnt, and puts forward proposals for lightning resistance level of the overhead contact system for high speed railways at strong thunderstorm regions.

Lightning protection; lightning wire; lightning arrestor; earthing resistance

U226.8+3

B

1007-936X(2017)03-0043-06

2017-01-20

孫少江.廣州鐵路集團廣州供電段，工程師，電話：020-61358823。