王 林

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

引言

高速鐵路接觸網(wǎng)是一種特殊的架空輸電線路，設(shè)置于軌道上方，為高鐵動車組提供電能。在高鐵建設(shè)初期，接觸網(wǎng)防雷主要采用在重點區(qū)段設(shè)置無間隙金屬氧化鋅避雷器的防雷措施。由于忌憚避雷線的引雷作用，并且缺乏對耐雷水平及雷擊跳閘率的有效計算方法，接觸網(wǎng)未架設(shè)獨立避雷線。由于我國高速鐵路50%以上的路段架設(shè)于高架橋上，接觸網(wǎng)架設(shè)高度與電力系統(tǒng)110 kV/220 kV電力線路相當(dāng)，引雷效果明顯，雷擊跳閘問題十分突出。

2012—2016年，原中國鐵路總公司借鑒電力系統(tǒng)高壓輸電線路和日本等國接觸網(wǎng)雷電防護經(jīng)驗，開展鐵路雷電防護科學(xué)研究，結(jié)合京滬高鐵全線、京廣高鐵清遠—廣州南區(qū)段、哈大高鐵四平東供電臂區(qū)段架設(shè)避雷線工程效果，明確提出了“以架設(shè)避雷線為主，重點位置設(shè)置避雷器”的接觸網(wǎng)雷電防護技術(shù)路線，并在TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》、TB 10009—2016《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》予以明確[1]。

2013—2019年，原中國鐵路總公司及更名后的國鐵集團聯(lián)合中國電力科學(xué)研究院、北京電力經(jīng)濟研究院、各大鐵路設(shè)計院組織編制了TB/T 3551—2019《高速鐵路牽引供電系統(tǒng)雷電防護技術(shù)導(dǎo)則》，明確了高鐵接觸網(wǎng)雷電防護的原則、實施措施、雷擊跳閘率限值、計算方法、工程實施建議，并在TB 10180—2016《鐵路防雷及接地工程技術(shù)規(guī)范》中明確要求根據(jù)各區(qū)段雷擊跳閘率綜合評估計算及分段評估的方法開展接觸網(wǎng)防雷設(shè)計[1]。

電力系統(tǒng)輸電線路手冊和規(guī)范的防雷措施相對完善，2003版《電力工程高壓送電線路設(shè)計手冊》詳細論述了采用經(jīng)驗法(規(guī)程法)進行線路雷擊跳閘率等防雷保護計算，采取架設(shè)地線、降低桿塔接地電阻、架設(shè)耦合地線、裝設(shè)自動重合閘、加強絕緣等線路綜合防雷措施；2019版《電力工程設(shè)計手冊-架空輸電線路設(shè)計》在保留經(jīng)驗法防雷保護計算基礎(chǔ)上，在輸電線路繞擊率計算中拓展了電氣幾何模型法，增加了采用行波法計算雷擊桿塔時的塔頂過電壓的方法以及GB/T50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設(shè)計規(guī)范》推薦的雷擊桿塔時導(dǎo)線上感應(yīng)過電壓的計算方法，在保留相關(guān)綜合防雷措施前提下，增加了特殊地段安裝線路避雷器提高耐雷水平和安裝并聯(lián)間隙保護絕緣子的防雷措施。

高速鐵路接觸網(wǎng)雷電防護一直是研究的熱點，相關(guān)文獻主要采用“電氣幾何模型法”[2-6]“規(guī)程法”[7-8]“分形理論”[9-11]“滾球法”[12-13]4種分析方法。電氣幾何模型是主流分析方法，規(guī)程法是經(jīng)典分析方法，分形理論是近年來的新興方法，滾球法是基于建筑物防雷體系衍生出的方法。

1 研究思路及計算模型

高速鐵路接觸網(wǎng)防雷設(shè)計主要遵循《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》[14]、《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》[15]、《鐵路防雷及接地工程技術(shù)規(guī)范》[16]和《高速鐵路牽引供電系統(tǒng)雷電防護技術(shù)導(dǎo)則》[17]；架空輸電線路防雷設(shè)計主要遵循《66 kV及以下架空電力線路設(shè)計規(guī)范》[18]、《110～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》[19]、《交流電氣裝置的過電壓和絕緣配合設(shè)計規(guī)范》[20]。

對比分析鐵路牽引供電與電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的差異性，并采用《高速鐵路牽引供電系統(tǒng)雷電防護技術(shù)導(dǎo)則》相同的高速鐵路接觸網(wǎng)布置形式，選取相同的絕緣子，架空地線采用柱頂2 m或2.5 m安裝方式，接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示，利用經(jīng)驗法進行相關(guān)計算和評估，并提出合理化建議。

圖1 典型高鐵線路接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)尺寸(單位：mm)

為簡化計算，忽略PW線對AF線的耦合影響，計算結(jié)果偏嚴(yán)格。由于導(dǎo)線高度對計算結(jié)果影響較大，計算過程中計及AF線和GW線弛度對導(dǎo)線平均高度的影響。在雷電過電壓工況，氣溫采用15 ℃、風(fēng)速取10 m/s，AF線選用JL/LB20A-300/50的鋁包鋼芯鋁絞線(拉力取12 kN)，架空地線選用JLB20A-50的鋁包鋼絞線(拉力取5 kN)，AF線和架空地下的弛度計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 接觸網(wǎng)附加導(dǎo)線弛度與跨距關(guān)系

從圖2可以看出，由于接觸網(wǎng)跨距小于一般架空輸電線路的檔距，AF線和架空地線的弛度均在0.2～0.4 m，由于架空地線所選線材強度大，同樣跨距下其弛度小于AF線。

2 架設(shè)架空地線的防雷效果

2.1 接觸網(wǎng)落雷次數(shù)

假設(shè)雷暴日為40 d的中雷區(qū)，分別利用GB/T50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設(shè)計規(guī)范》附錄D公式計算軌面高度分別為0，5，10，15，20 m的接觸網(wǎng)落雷次數(shù)，計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 接觸網(wǎng)落雷次數(shù)與架空地線架設(shè)高度關(guān)系

從圖3可以看出，同為中雷區(qū)軌面高度20 m的高架橋區(qū)段，接觸網(wǎng)落雷次數(shù)約為軌面高度為0 m路基區(qū)段的2倍。架設(shè)2～2.5 m架空地線會增加接觸網(wǎng)落雷次數(shù)，但增加幅度很小。

2.2 上下行接觸網(wǎng)架空地線對T線的防護效果

(1)規(guī)范差異

鐵總運[2016]237號《高速鐵路牽引供電系統(tǒng)雷電防護技術(shù)導(dǎo)則》條文說明中規(guī)定：“架空地線雷線對地高度較AF線高度高2～2.5 m時，此時對AF線保護角介于40.7°～34.5°之間，雷電無法繞擊T線?！痹摋l款是基于電氣幾何模型的研究結(jié)論，上下行接觸網(wǎng)T 線的引雷寬度被上下行架空地線完全屏蔽。后續(xù)重點研究架空地線對AF線的防護效果。

相關(guān)架空輸電線設(shè)計規(guī)范對雙地線的間距要求如表1所示。

表1中規(guī)范要求：“桿塔上兩根地線間的距離不應(yīng)超過導(dǎo)線與地線間垂直距離的5倍”，接觸網(wǎng)上下行架空地線的距離為11.3 m，當(dāng)架空地線雷線對地高度較AF線高2 m時，不能實現(xiàn)對上下行接觸網(wǎng)T 線的完全保護。建議在鐵路工程設(shè)計中參照嚴(yán)苛要求執(zhí)行，確保架空地線對上下行接觸網(wǎng)T線的防護效果。

表1 雙地線間距離比較

2.3 架空地線對AF線的耦合系數(shù)

利用經(jīng)驗法相關(guān)公式以及典型高鐵線路接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)中各導(dǎo)線之間的相對距離，計算架空地線對

AF線的耦合系數(shù)，計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 架空地線對AF線的耦合系數(shù)

從圖4可以看出，高架橋區(qū)段架空地線對AF線的耦合系數(shù)遠大于路基區(qū)段的耦合系數(shù)。架空地線高出2.5 m后，計算上下行架空地線對上/下行AF線的耦合系數(shù)，大于架空地線高出2 m時的計算結(jié)果。

2.4 AF線和66 kV架空線路建弧率對比

選用《高速鐵路牽引供電系統(tǒng)雷電防護技術(shù)導(dǎo)則》附錄B中AF線瓷絕緣子和復(fù)合絕緣子，利用GB/T50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設(shè)計規(guī)范》附錄D建弧率的計算方法進行計算，計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 AF線和66 kV架空線路建弧率對比

從圖5可以看出，接觸網(wǎng)AF線和66 kV架空線路建弧率相近，從一定程度反映在雷電運行下，接觸網(wǎng)的絕緣水平與66 kV架空輸電線路絕緣水平相近，架設(shè)避雷線的設(shè)計要求可參考66 kV架空輸電線路開展設(shè)計。

2.5 架設(shè)地線工況對比

鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與架空輸電線設(shè)計規(guī)范對架設(shè)地線的工況要求，如表2所示。

表2 各標(biāo)準(zhǔn)架設(shè)地線的工況比較

各規(guī)范對比可以看出，TB10009—2016《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》和TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》接觸網(wǎng)全線架設(shè)地線的要求參考GB50061—2010《66 kV及以下架空電力線路設(shè)計規(guī)范》對66 kV架空電力線路的設(shè)計要求，與接觸網(wǎng)的絕緣水平是相匹配的。TB/T3551—2019《高速鐵路牽引供電系統(tǒng)雷電防護技術(shù)導(dǎo)則》對架設(shè)地線要求更為嚴(yán)格，規(guī)范40雷暴日的計算結(jié)果最小值為18.5次/(100 km·a)，遠高于單行別大于4次/(100 km·a)的要求。同時，TB/T3551—2019《高速鐵路牽引供電系統(tǒng)雷電防護技術(shù)導(dǎo)則》參考了GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設(shè)計規(guī)范》對變電站進線段雷電防護架設(shè)避雷線的要求。

2.6 接觸網(wǎng)繞擊率

鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與架空輸電線設(shè)計規(guī)范對保護角的要求如表3所示。

表3 各標(biāo)準(zhǔn)保護角比較

從各規(guī)范對比可以看出，架空輸電線設(shè)計規(guī)范較鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對保護角更為嚴(yán)格，這也是現(xiàn)行兩行業(yè)規(guī)范的重大差異。

利用經(jīng)驗法很容易計算出，接觸網(wǎng)繞擊AF線工況，接觸網(wǎng)的耐雷水平為4.1 kA，大于4.1 kA的負極性雷電流出現(xiàn)概率為89.83%，減少繞擊率是降低接觸網(wǎng)雷擊跳閘率的重要手段。

利用經(jīng)驗法相關(guān)公式及典型高鐵線路接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)中各導(dǎo)線之間的相對距離，計算接觸網(wǎng)繞擊AF線的概率，結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 不同軌面高度接觸網(wǎng)繞擊率(架空地線2～2.5 m)

從圖6、圖7可以看出。

圖7 減小保護角對接觸網(wǎng)繞擊率的影響(軌面高度20 m時)

(1)高架橋區(qū)段接觸網(wǎng)發(fā)生繞擊的概率遠大于路基地段。架空地線高于AF線2.5 m安裝方式較架空地線高于AF線2 m的安裝方式，可降低約50%的繞擊率。

(2)減小保護角對降低接觸網(wǎng)繞擊率影響顯著，保護角調(diào)整為0，可將繞擊率降低至萬分之一～萬分之四，保護角設(shè)定為25°與TB/T3551—2019 《高速鐵路牽引供電系統(tǒng)雷電防護技術(shù)導(dǎo)則》架空地線高出AF線2 m方案相比可降低約70%的繞擊率。

因此，建議在工程設(shè)計中，在確保接觸網(wǎng)上下行地線間的距離不應(yīng)大于AF線與地線垂直距離5倍的條件下，架空地線對邊AF線的保護角按20°～30°設(shè)計。

2.7 桿塔分流系數(shù)與沖擊接地電阻的關(guān)系

鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與架空輸電線設(shè)計規(guī)范對桿塔接地電阻的要求，如表4所示。

表4 各標(biāo)準(zhǔn)接地電阻比較

從各規(guī)范對比可以看出，架空輸電線設(shè)計規(guī)范對工頻接地電阻的要求較鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)更為寬松，保證雷電流有效散流的前提下，采取局部提高線路絕緣水平和設(shè)置線路避雷器的措施提高線路耐雷水平，在山區(qū)高土壤電阻率的普速鐵路更容易實施。

利用經(jīng)驗法計算不同接地電阻的接觸網(wǎng)支柱分流系數(shù)，計算結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看出，降低接觸網(wǎng)支柱的沖擊接地電阻可以提高架空地線對雷電流的分流系數(shù)，降低桿塔絕緣上的感應(yīng)電壓，有助于提高接觸網(wǎng)的耐雷水平。

圖8 桿塔分流系數(shù)與沖擊接地電阻的關(guān)系

2.8 接觸網(wǎng)的耐雷水平

鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與架空輸電線設(shè)計規(guī)范對線路耐雷水平的要求，如表5所示。

表5 各標(biāo)準(zhǔn)耐雷水平比較

從各規(guī)范對比可以看出，僅GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設(shè)計規(guī)范》給出了各電壓等級雷擊桿塔時的耐雷水平。

利用經(jīng)驗法計算雷擊接觸網(wǎng)附近大地時，接觸網(wǎng)耐雷水平，計算結(jié)果如圖9、圖10所示。

從圖9、圖10可以看出，接觸網(wǎng)不設(shè)置架空地線時感應(yīng)雷耐雷水平大于132.5 kA，設(shè)置2 m架空地線后感應(yīng)雷耐雷水平大于176.8 kA，雷擊接觸網(wǎng)附近大地時感應(yīng)過電壓一般不會引起接觸網(wǎng)跳閘。

圖9 接觸網(wǎng)感應(yīng)雷耐雷水平

圖10 接觸網(wǎng)超過絕緣子擊穿電壓的概率

當(dāng)接觸網(wǎng)跨距55 m、沖擊接地電阻10 Ω時，利用經(jīng)驗法計算雷擊桿塔時的耐雷水平，計算結(jié)果如圖11所示。

圖11 雷擊接觸網(wǎng)柱頂?shù)哪屠姿?/p>

從圖11可以看出，隨著接觸網(wǎng)軌面高度的升高，接觸網(wǎng)耐雷水平從24.14～16.02 kA呈現(xiàn)下降趨勢。架空地線高于AF線2 m的安裝方式接觸網(wǎng)耐雷水平提高至46.98～31.33 kA，架空地線高于AF線2.5 m安裝方式，得益于雙地線對耦合系數(shù)的影響，接觸網(wǎng)耐雷水平提高至48.36～33.21 kA。

與GB50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設(shè)計規(guī)范》雷擊塔頂時的反擊耐雷水平對比，接觸網(wǎng)按TB/T3551—2019《高速鐵路牽引供電系統(tǒng)雷電防護技術(shù)導(dǎo)則》設(shè)置架空地線后，其耐雷水平與66 kV架空輸電線路耐雷水平相當(dāng)。

2.9 接觸網(wǎng)的雷擊跳閘率

利用接觸網(wǎng)落雷次數(shù)、繞擊率、建弧率、擊桿率經(jīng)驗公式，計算雷暴日T=40 d時，接觸網(wǎng)的雷擊跳閘率，計算結(jié)果如圖12所示。

圖12 典型高鐵接觸網(wǎng)雷擊跳閘率T=40 d

從圖12可以看出，在多雷山區(qū)，軌面高度高于15 m時，接觸網(wǎng)百公里的年雷擊跳閘次數(shù)大于4次，不滿足TB/T3551—2019《高速鐵路牽引供電系統(tǒng)雷電防護技術(shù)導(dǎo)則》需進一步采取加強措施。

將架空地線的保護角調(diào)整至25°，其他所有參數(shù)不變(忽略耦合系數(shù)變化)，重新計算T=120 d時接觸網(wǎng)的雷擊跳閘率，計算結(jié)果如圖13所示。

圖13 改善保護角后高鐵接觸網(wǎng)雷擊跳閘率T=120 d

從圖13可以看出，即使在T=120 d的強雷區(qū)，軌面高度為20 m，接觸網(wǎng)百公里的年雷擊跳閘次數(shù)均可以滿足TB/T3551—2019《高速鐵路牽引供電系統(tǒng)雷電防護技術(shù)導(dǎo)則》的要求。

3 結(jié)論

高速鐵路接觸網(wǎng)與架空輸電線路防雷規(guī)范在多個方面存在差異。架空輸電線路防雷規(guī)范中重視架空地線保護角、高土壤電阻率的山區(qū)不盲目降低桿塔接地電阻的理念值得借鑒。

接觸網(wǎng)絕緣水平、全線設(shè)置架空地線后的耐雷水平與66 kV架空輸電線路相當(dāng)，建議接觸網(wǎng)保護角、支柱接地電阻等關(guān)鍵指標(biāo)可參照執(zhí)行。

復(fù)線架空地線的架設(shè)高度，應(yīng)滿足兩根地線間的距離不應(yīng)超過地線與AF線間垂直距離的5倍，以確保架空地線上下行正線接觸網(wǎng)T線的防護效果。