關(guān)于高速鐵路的牽引供電接觸網(wǎng)雷電防護(hù)方法分析

曾凱

（南寧鐵路局供電處 廣西南寧市 530000）

關(guān)于高速鐵路的牽引供電接觸網(wǎng)雷電防護(hù)方法分析

曾凱

（南寧鐵路局供電處 廣西南寧市 530000）

高速鐵路接觸網(wǎng)是沿著高速鐵路線(xiàn)路上空架設(shè)的列車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)，為機(jī)車(chē)輸送電力，高速鐵路列車(chē)運(yùn)行的電力來(lái)源就是通過(guò)牽引供電接觸網(wǎng)進(jìn)行輸送。高鐵已經(jīng)成為我國(guó)普遍的交通出行工具，因此在快速便捷的同時(shí)，也要保證其安全性和可靠性。高鐵牽引供電系統(tǒng)的雷電防護(hù)缺陷包括直擊雷防護(hù)、沖擊接地電阻和不同地區(qū)對(duì)雷電防護(hù)要求的差異，為避免雷擊對(duì)高鐵線(xiàn)路帶來(lái)的負(fù)面影響，研究高鐵接觸網(wǎng)防雷要點(diǎn)是非常有必要的。

高速鐵路；牽引供電接觸網(wǎng)；雷電防護(hù)

前言

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和交通運(yùn)輸?shù)臅r(shí)效性、便捷性、安全性息息相關(guān)，據(jù)研究，當(dāng)交通運(yùn)輸行業(yè)較為發(fā)達(dá)時(shí)，經(jīng)濟(jì)的增速就會(huì)更快。自武廣高鐵開(kāi)通以來(lái)，我國(guó)高鐵的發(fā)展越來(lái)越迅猛，到目前為止，我國(guó)高鐵的運(yùn)營(yíng)里程已經(jīng)達(dá)到1.8萬(wàn)km，快速鐵路網(wǎng)絡(luò)總里程已經(jīng)超過(guò)了4萬(wàn)km。就規(guī)模而言，我國(guó)高鐵事業(yè)的發(fā)展舉世矚目，但對(duì)于安全性應(yīng)予以同樣的甚至更高的重視，尤其是牽引供電接觸網(wǎng)防雷設(shè)計(jì)方面。雷擊對(duì)高速鐵路接觸網(wǎng)的威脅非常大，會(huì)嚴(yán)重影響高鐵的正常運(yùn)行，因此必須重視接觸網(wǎng)的防雷問(wèn)題，保障高鐵系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 廣西高速鐵路的發(fā)展

目前，廣西境內(nèi)的大多數(shù)城市都已經(jīng)開(kāi)通高鐵線(xiàn)路，主要包括廣西沿海線(xiàn)、南廣線(xiàn)、貴廣線(xiàn)、南昆線(xiàn)（南寧-白色段）等。自2013年至今，廣西高鐵里程已經(jīng)增至1800多km，境內(nèi)里程就超過(guò)了1700km，廣西高鐵里程已經(jīng)位居全國(guó)前列。從2013年12月開(kāi)始，廣西相繼開(kāi)通了南寧-桂林、南寧-柳州、南寧-北海、南寧-防城港、南寧-欽州、南寧-梧州等高鐵線(xiàn)路，高鐵開(kāi)通后，廣西桂林、柳州、南寧、梧州、欽州、北海、防城港等城市之間實(shí)現(xiàn)了高鐵高速銜接，形成了從南寧到北部灣城市的1h交通圈以及南寧到廣西境內(nèi)各主要城市的2h交通圈，極大地改善了廣西民眾的出行質(zhì)量。

2 高速鐵路牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)

2.1 基本概念

我國(guó)對(duì)高鐵的運(yùn)行安全有著明確的要求，根據(jù)頒布的規(guī)定，對(duì)高鐵牽引供電接系統(tǒng)觸網(wǎng)的雷電防護(hù)提出了具體要求劃分：年均雷電日在20d（不含）以下的地區(qū)為少雷區(qū)；年均雷電日在20d（含）以上40d（不含）以下的地區(qū)為多雷區(qū)；年均雷電日在40d（含）以上60d（含）以下的地區(qū)為高雷區(qū)；年均雷電日在60d（不含）以上地區(qū)為強(qiáng)雷區(qū)[1]。不同地區(qū)雷電產(chǎn)生的頻率有所不同，因此雷擊程度也不相同，這樣就需要在建設(shè)牽引供電接觸網(wǎng)時(shí)采取有針對(duì)性的防護(hù)措施。

2.2 分析計(jì)算

一般來(lái)說(shuō)，年平均雷電日較多的地區(qū)，牽引供電接觸網(wǎng)收到雷擊的概率也會(huì)相對(duì)較高，因此兩者關(guān)系成正比。高鐵線(xiàn)路的接觸網(wǎng)承力索通常在離地面7m的高度，側(cè)面的限界通常為3m。單線(xiàn)接觸網(wǎng)遭遇雷擊的次數(shù)有一個(gè)計(jì)算公式：N=年均雷電日×0.122×1.3；復(fù)線(xiàn)接觸網(wǎng)遭遇雷擊的次數(shù)也有一個(gè)計(jì)算公式：N=年均雷電日×0.244×1.3.當(dāng)遭到雷擊時(shí)，影響接觸網(wǎng)損傷程度的因素主要包括導(dǎo)線(xiàn)的高度、雷電的電流和電壓、接地電阻等。對(duì)多種會(huì)造成接觸網(wǎng)損傷的因素進(jìn)行綜合考慮，設(shè)計(jì)出具有防雷效果的接觸網(wǎng)，將顯著加強(qiáng)接觸網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

3 高速鐵路牽引供電系統(tǒng)雷電防護(hù)缺陷

3.1 直擊雷防護(hù)

高速鐵路的牽引供電系統(tǒng)一般使用相當(dāng)于電力系統(tǒng)35kV的電壓等級(jí)，因此在進(jìn)行高鐵牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)防雷設(shè)計(jì)時(shí)，主要參照電網(wǎng)輸電系統(tǒng)的35kV中壓輸電網(wǎng)絡(luò)防雷設(shè)計(jì)方案或常規(guī)鐵路牽引供電系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)。在高鐵的牽引供電系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)中，沒(méi)有架設(shè)避雷線(xiàn)，需要對(duì)關(guān)鍵部位的設(shè)備加裝避雷器。由于高鐵的速度特性，橋梁是高鐵線(xiàn)路的主要結(jié)構(gòu)，高架橋的接觸網(wǎng)對(duì)地高度已經(jīng)相當(dāng)于110kV的架空線(xiàn)路了，并且沒(méi)有避雷保護(hù)措施，很容易遭到雷擊。

3.2 沖擊接地電阻

高鐵和常規(guī)鐵路有很多不同點(diǎn)，比如在牽引電流方面，高鐵就明顯大于常規(guī)鐵路，高鐵鋼軌泄露的電阻也大于常規(guī)鐵路。以客車(chē)為例，和鋼軌電位比起來(lái)，常規(guī)鐵路對(duì)線(xiàn)路的要求相對(duì)較低，因此高鐵維護(hù)工作人員在工作過(guò)程中就比較容易發(fā)生觸電事故。因此，現(xiàn)代高速鐵路主要采用綜合接地的接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)方式，在某些地段要打接地極，并且對(duì)接地電阻的要求較嚴(yán)格[2]。但實(shí)際上，當(dāng)遭遇雷擊時(shí)，由于雷電沖擊較強(qiáng)，接地電阻會(huì)超過(guò)正常值，從而導(dǎo)致絕緣子發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象。

3.3 地區(qū)雷電防護(hù)要求差異

不同地區(qū)，雷擊的頻率和強(qiáng)度都不相同，土壤參數(shù)也存在差異。在建設(shè)高鐵的過(guò)程中，由于其地域跨度很大，線(xiàn)路也較長(zhǎng)，因此在高鐵的整個(gè)沿線(xiàn)地帶通常會(huì)有多種雷擊和土壤參數(shù)，不同的參數(shù)產(chǎn)生雷擊的危害也不相同。因此接觸網(wǎng)的防雷設(shè)施就必須作出針對(duì)性的設(shè)計(jì)。但在實(shí)際工程中卻沒(méi)有將這一因素考慮進(jìn)去，使得雷電的防護(hù)措施不夠完善，無(wú)法完全發(fā)揮防雷擊作用。

4 高速鐵路牽引供電系統(tǒng)雷電防護(hù)要點(diǎn)

4.1 接觸網(wǎng)的安裝

目前高鐵廣泛采用AT供電方式（自耦變壓器供電方式）接觸網(wǎng)供電方式，其AF線(xiàn)和PW線(xiàn)安裝位置如圖1所示。

圖1 AF線(xiàn)和PW線(xiàn)安裝位置示意圖

PW線(xiàn)安裝于AF線(xiàn)的下方，在這種安裝方式下，采用電氣幾何模型及先導(dǎo)發(fā)展模型計(jì)算接觸網(wǎng)直接落雷閃絡(luò)概率，條件為：自然產(chǎn)生的雷電絕大部分是負(fù)極性，直擊雷的過(guò)電壓是負(fù)極性，采用絕緣子U50％為計(jì)算過(guò)程中的閃絡(luò)判據(jù)；假設(shè)雷暴日為20d和40d，根據(jù)這兩種情況進(jìn)行計(jì)算。接觸網(wǎng)絕緣子的正負(fù)極性標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊50％放電電壓如表1所示。

表1 接觸網(wǎng)絕緣子雷擊50％放電電壓表

線(xiàn)路總暴露寬度×線(xiàn)路長(zhǎng)度=線(xiàn)路引雷面積，線(xiàn)路引雷面積×地閃密度=年雷擊閃絡(luò)次數(shù)。當(dāng)線(xiàn)路長(zhǎng)度為100km時(shí)，就可以計(jì)算這一區(qū)域內(nèi)的年閃絡(luò)次數(shù)。

4.2 雷電防護(hù)建議

（1）高鐵經(jīng)過(guò)的一些區(qū)域，年平均雷電日數(shù)量非常大，屬于多雷電地區(qū)并且這些地區(qū)中很多都具有地勢(shì)開(kāi)闊的特點(diǎn)，自然環(huán)境缺乏防雷能力，高架橋就容易成為雷擊目標(biāo)。因此上述區(qū)域的防雷擊保護(hù)措施應(yīng)引起特別重視。

（2）因接觸網(wǎng)所在區(qū)域不同，因此遭遇雷擊的強(qiáng)度有明顯區(qū)別，并且防雷電措施應(yīng)同跳閘統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)合。在架設(shè)避雷線(xiàn)和避雷針時(shí)，應(yīng)根據(jù)雷擊的程度適當(dāng)增加架設(shè)的密度，還要注意直擊雷防護(hù)措施。

（3）在同一區(qū)域內(nèi)，接觸網(wǎng)的防雷設(shè)計(jì)可以采用在頂部安裝避雷線(xiàn)的方式，而在年均雷擊日數(shù)較多的區(qū)域，最好安裝避雷針以加強(qiáng)其防雷能力。

（4）避雷針和避雷線(xiàn)自身的避雷范圍都有限，因此應(yīng)采取多種避雷設(shè)備聯(lián)合使用的方式以加大避雷的范圍。通過(guò)計(jì)算，對(duì)整體避雷的范圍能夠大致確定，這樣就能有效防護(hù)可能存在避雷漏洞的地區(qū)。

（5）可以在接觸網(wǎng)支柱的頂部安裝防雷設(shè)備，它可以對(duì)支柱的兩側(cè)高壓帶電部分同時(shí)進(jìn)行保護(hù)，雷電保護(hù)的范圍更大，能夠有效降低直擊雷給接觸網(wǎng)的高壓部分造成雷擊傷害。

（6）接觸網(wǎng)在架設(shè)避雷線(xiàn)或避雷針時(shí)，如果可以采用絕緣的方式，使其單獨(dú)接地，就能夠既降低直擊雷的危害，也降低反擊雷的危害，有效避免因雷擊而造成的接觸網(wǎng)高壓部分出現(xiàn)損壞，確保高鐵正常運(yùn)行。

（7）在接觸網(wǎng)頂端架設(shè)避雷線(xiàn)或避雷針時(shí)，避雷設(shè)備應(yīng)保持與信號(hào)設(shè)備至少15m的距離。應(yīng)在架設(shè)接觸網(wǎng)避雷線(xiàn)之外，再加裝絕緣裝置，并且在鄰近的支柱頂端單獨(dú)架設(shè)避雷針并接地。

（8）站場(chǎng)接觸網(wǎng)的防雷體系建設(shè)如果能夠同周邊建筑的防雷設(shè)備融合，就能在極大增強(qiáng)高鐵防雷擊能力的同時(shí)，減少成本消耗。在站場(chǎng)關(guān)鍵路段單獨(dú)架設(shè)避雷針還能達(dá)到更好的避雷效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

高速鐵路不僅要具有速度優(yōu)勢(shì)，更重要的是安全、穩(wěn)定、可靠。自然災(zāi)害中，對(duì)高鐵運(yùn)行影響最明顯的就是雷電，因此，加強(qiáng)高鐵牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)的防雷措施極其有必要。隨著我國(guó)科技實(shí)力和對(duì)高鐵重視程度的發(fā)展和深入，更先進(jìn)、更可靠的避雷措施一定會(huì)更可靠地保障高鐵的安全運(yùn)行。

[1]汪德耀.高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)雷電防護(hù)探討[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2016（9）：104～105.

[2]孫天梁，曹建兵，祁玉棟，等.高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)雷電防護(hù)[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2015（18）：3653～3654.

U417

A

1004-7344（2016）36-0059-02

2016-12-15