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        淺析高鐵牽引供電網(wǎng)雷電防護系統(tǒng)設(shè)計

        2018-10-21 01:47:32洪濤
        科學(xué)與信息化 2018年4期
        關(guān)鍵詞:雷電防護高架橋高速鐵路

        洪濤

        摘 要 我國的高速鐵路路段采用高架橋敷設(shè)的比例很大,這導(dǎo)致了牽引供電對地面的高度較大,雷擊率較高。本文通過建立高鐵牽引供電網(wǎng)的雷電過電壓計算模型,設(shè)計了高架橋牽引供電網(wǎng)雷電防護系統(tǒng),一定程度上解決了接觸網(wǎng)雷擊跳閘的概率高的情況。

        關(guān)鍵詞 高速鐵路;牽引供電網(wǎng);高架橋;雷電防護

        前言

        我國的高速鐵路采用高架橋敷設(shè)路段較多,這種情況下,牽引供電網(wǎng)和地面的高度甚至超過了110kV輸電線路,但絕緣水平較低,如果沒有有效的防雷措施,那么雷擊風(fēng)險極高。由于牽引供電網(wǎng)是高鐵的唯一動力來源,高鐵運行速度快,行車密集,若出現(xiàn)供電故障,會對運輸生產(chǎn)帶來極大的影響。

        我國高鐵由于起步較晚,對牽引供電網(wǎng)的雷電防護系統(tǒng)研究較為片面;歐洲高鐵雖然技術(shù)較成熟,但由于地處高緯度地區(qū),雷電活動少,且高架路段也較少,雷擊率較低。日本地處中緯度調(diào)取,牽引供電網(wǎng)雷電防護模式對我國高鐵系統(tǒng)有一定的參考意義,但日本雷電活動地區(qū)中國,且牽引供電網(wǎng)設(shè)計和我國有一定差異,其雷電防護系統(tǒng)不能簡單照搬。

        本文通過建立高鐵牽引供電網(wǎng)的雷電過電壓計算模型,設(shè)計了高架橋牽引供電網(wǎng)雷電防護系統(tǒng),一定程度上解決了接觸網(wǎng)雷擊跳閘的概率高的情況。

        1 基本參數(shù)

        高鐵牽引供電網(wǎng)架設(shè)于高架橋上,架橋跨距為32m,高度按10和16m,高架橋由橋墩和箱梁組成,而橋墩由樁基、承臺和墩身組成,與高鐵牽引供電網(wǎng)相關(guān)聯(lián)的主要是接地導(dǎo)體的分布和設(shè)計。根據(jù)“客運專線綜合接地技術(shù)實施辦法(暫行)”的規(guī)定:在高架橋的箱梁電纜槽內(nèi)需要放置兩條貫通地線,同時設(shè)置4根縱向接地鋼筋在箱梁上面板中,橋墩的墩身需要設(shè)置兩個鋼筋,鋼筋需要接地,并且在頂端引出端子。高鐵橋墩一般設(shè)計有8個樁基,其接地體頂部和承臺的水平接地體相連[1]。

        2 接觸網(wǎng)耐雷性能分析方法

        2.1 絕緣閃絡(luò)模型

        在模型中,使用絕緣子的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊50%放電電壓,使用該結(jié)果作為閉合控制量的壓控開關(guān)。在實際中,為了獲得該放電電壓,對絕緣子進行了放電試驗。

        2.2 雷電通道模型

        雷電流波形選用斜角波,由于雷電通道阻抗和雷電流幅值是相關(guān)的,所以在小雷電流時取800,大雷電流時取300。高鐵牽引供電網(wǎng)和支柱導(dǎo)線相平行,支柱采用了傳輸線的模型的相同的值。

        2.3 高架橋模型

        為了得到最真實的設(shè)計效果,本文對高架橋的橋墩和箱梁進行了等比例的模擬方法,并以此為技術(shù),搭建了各種情況下的仿真電路。根據(jù)“客運專線綜合接地技術(shù)實施辦法(暫行)”的規(guī)定,高鐵高架橋在接地部分包括了接地的鋼筋和貫通的地線。在施工中,因為高架橋的結(jié)構(gòu)鋼筋和接地鋼筋是捆綁在一起的,所以如果有雷電電流經(jīng)過的情況下,高架的結(jié)構(gòu)鋼筋起到泄放雷電流的作用。

        如果只考慮到防雷接地體對雷電流的泄流,那么箱梁里面貫通地線和縱向的接地的鋼筋則為平行導(dǎo)體。橋墩里面的鋼筋分布比較復(fù)雜,根據(jù)導(dǎo)納頻率響應(yīng)計算建立它的電路模型。如果認(rèn)為高架橋的結(jié)構(gòu)鋼筋也參與到雷電流的泄流,那么結(jié)構(gòu)將更加復(fù)雜,應(yīng)對采用頻率響應(yīng)提取等值電路來建模。

        在建立了高架橋的沖擊接地阻抗等值電路模型后,為驗證模型是否準(zhǔn)確可行,需要將矩量法直接計算得到的波形與之前建立的模型進行比較。通過實際的比較,發(fā)現(xiàn)兩種方法得到的波形形態(tài)比較一致,說明建立的模型準(zhǔn)確,可用于計算高鐵牽引供電網(wǎng)的過電電壓。

        2.4 雷擊跳閘率的計算方法

        計算雷擊跳閘率主要是通過對避雷裝置和導(dǎo)線、多個導(dǎo)線、整個線路相對于大地的雷電屏蔽性能進行分析,主要分析的方法有先導(dǎo)發(fā)展模型和電氣幾何模型兩種方式。高鐵牽引供電網(wǎng)架安裝在高架橋上,高架橋的寬度是小于電網(wǎng)的寬度的,整個橋體是在接觸網(wǎng)的屏蔽下的,大地和導(dǎo)線之間的雷電擊距采用IEEE導(dǎo)則推薦的公式計算[2]。

        3 接觸網(wǎng)耐雷性能

        3.1 直擊雷的耐雷水平

        采用直擊雷計算模型,對高鐵牽引供電網(wǎng)的防直擊雷能力進行計算,計算結(jié)果可以看到當(dāng)耐雷水平低于4kA時,可以對90%以上的雷電擊中導(dǎo)致絕緣閃絡(luò)。

        3.2 感應(yīng)雷的耐雷水平

        根據(jù)雷電感應(yīng)機制,高鐵牽引供電網(wǎng)承受的電壓和雷電電流的幅值,雷電的落雷點和高鐵牽引供電網(wǎng)的垂直距離,雷電落雷點和高鐵牽引供電網(wǎng)連線到絕緣子的距離有關(guān)。

        計算高鐵牽引供電網(wǎng)的感應(yīng)雷的耐雷水平時,將垂直距離設(shè)置為50~400米,和絕緣子的距離設(shè)置為50米,在不考慮此距離隨機變化的情況下,可以認(rèn)為其大于0米。

        在計算高鐵牽引供電網(wǎng)的感應(yīng)雷耐雷水平時發(fā)現(xiàn),只有很少數(shù)的,雷擊雷電流比較大,并且是雷擊的落雷點和線路的距離比較近的情況下,T線才會發(fā)生絕緣閃絡(luò)。所以高鐵牽引供電網(wǎng)的耐雷水平可以近似使用F線的耐雷水平來代替[3]。

        4 雷電的防護方法

        4.1 架設(shè)避雷線

        高鐵牽引供電網(wǎng)現(xiàn)有的PW線是架空的,如果將其抬升至F線以上,則可以兼作避雷線用,同時也不影響其原有功效,使用此方法成本也較低。

        4.2 安裝避雷器

        在絕緣子的兩端安裝避雷器是一種很好的線路防雷措施。避雷器有帶串聯(lián)間隙和無間隙,前者對比與無間隙的優(yōu)點在于:在正常運行時,系統(tǒng)的工作電壓絕大部分在后竄了間隙上,基本上不存在避雷器電阻片老化情況。

        4.3 雷電監(jiān)測與差異化防雷

        使用雷電監(jiān)測系統(tǒng),可以實現(xiàn)實時性、大面積、全自動的監(jiān)測雷電情況,隨著雷電監(jiān)測系統(tǒng)的不斷改進,目前我國已經(jīng)完全有能力開展高鐵沿線的雷電監(jiān)測能力。由于高鐵沿線電塔桿密集,高鐵沿線長而窄,因此在雷電監(jiān)測上有一定的技術(shù)難度。需要開發(fā)針對高鐵沿線的雷電監(jiān)測系統(tǒng),通過監(jiān)測系統(tǒng)實時觀測鐵路沿線的雷電活動,統(tǒng)計閃電密度,開展雷電預(yù)警。

        在雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,還可以對鐵路沿線進行雷電登記劃分;將雷電觀測數(shù)據(jù)結(jié)合雷擊故障信息、雷電流統(tǒng)計參數(shù),可以進一步開展精細(xì)化的感應(yīng)雷、直擊雷防護方式,開展差異化防雷。

        5 結(jié)束語

        (1)由于我國高鐵起步較晚,在供電系統(tǒng)的雷電防護方面仍存在較多問題,主要有雷電英氣的供電系統(tǒng)跳閘,避雷器爆炸引起的供電系統(tǒng)可靠性降低等。而且由于我國高鐵的特異性,國外的高鐵防雷技術(shù)無法直接引進。

        (2)由于高鐵牽引供電網(wǎng)對地高度較高,并且絕緣性低,因此提高高鐵牽引供電網(wǎng)的耐雷性十分重要。本文提出了太高PW線安裝位置這種成本的方式來提高防雷的效果。

        (3)提出了研發(fā)針對高鐵的雷電監(jiān)測系統(tǒng),開展高鐵沿線的雷電監(jiān)測和預(yù)警,將雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)和實際故障信息結(jié)合起來,開展精細(xì)化的雷擊防護,進行差異化防雷。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 鄭健.中國高速鐵路橋梁建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)[J].中國工程科學(xué), 2008,10(7):18-27.

        [2] 周利軍,高峰.高速鐵路牽引供電系統(tǒng)雷電防護體系[J].高電壓技術(shù),2013,39(2):399-406.

        [3] 邊凱,陳維江.高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)雷電防護[J].中國電機工程學(xué)報,2013,33(10):191-201.

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