淺析高鐵牽引供電網雷電防護系統設計

周海杰

淺析高鐵牽引供電網雷電防護系統設計

周海杰

（中國鐵道科學研究院，北京 100081；中國鐵路武漢局鐵路局集團有限公司武漢供電段，湖北 武漢 434400）

近年來，中國高速鐵路體系得到蓬勃發展，充分滿足了當前工業化發展需求、綜合交通運輸體系的建設需求，緩解了鐵路體系“瓶頸”制約矛盾，具有極為重要的現實意義。但在高速鐵路體系運營過程中，受氣候因素影響，高鐵牽引供電網系統偶遭受雷電流打擊，出現設備損壞、接觸網停電等故障問題，造成嚴重經濟損失。為有效解決此問題，規避雷擊風險，對高鐵牽引供電網雷電防護系統的設計工作進行了簡要分析，以供參考。

高速鐵路；牽引供電網；雷電防護系統；系統設計

1 高鐵牽引供電網耐雷性能分析

1.1 構建模型

1.1.1 絕緣閃絡模型

對絕緣子裝置重復開展放電試驗，檢測絕緣子裝置在承受不同等級標準雷電沖擊而產生的放電電壓，在測試結果基礎上構建絕緣閃絡模型，將其作為閉合控制量的壓控開關。

1.1.2 雷電通道模型

模擬不同雷雨氣候下形成的雷電流波形，由于雷電流增幅值以及雷電通道抗阻二者有著較為緊密的內在關聯，因此，在所構建的雷電通道模型中，可將大雷電流值設定為300，小雷電流值設定為800。

1.1.3 高架橋模型

為精確獲取設計參數、確保所構建雷電防護系統在實際應用過程中發揮出預期效果，需對高鐵牽引供電網所加設各處高架橋的箱梁以及橋墩結構進行等比模擬，在其基礎上搭設各類仿真電路。同時，根據相關施工規范標準，多數高架橋工程的鋼筋結構以及接地鋼筋處于捆綁狀態，因此在高鐵牽引供電網遭受雷電流打擊時，高架橋結構鋼筋將會發揮一定程度泄放雷電流作用。在高架橋模型建模過程中，應綜合考慮防雷接電體的泄流作用，將高架橋的箱梁內部所分布接地鋼筋視作為平行導體，采用導納頻率響應計算公式（或頻率響應計算公式）構建高架橋電路模型。隨后，采用矩量法對所構建的高架橋電路模型以及計算波形進行對照分析，在二者形態等同狀態下，即可判定所構建高架橋電路模型準確性。

1.2 雷擊風險評估

高鐵牽引供電網由接觸網、牽引變電所兩部分組成，不同部分遭受雷電流打擊問題的主要成因、途徑之間存在差異。因此，需精確評估高鐵牽引供電網不同構成部分的雷擊損害風險值，在其基礎上針對性開展牽引供電網雷電防護系統設計工作，才能在有效保證列車行駛安全、規避雷擊風險源的基礎上，有效利用雷電防護資源，確保供電網與設備在遭受雷電流打擊時不會頻繁出現故障、損毀問題。因此，以某區間高鐵牽引供電網為例，在所采集區間列車總數、列車發車間隔時間、各次列車在供電臂范圍內行駛時長、危險區域途徑時間、雷電事故所引起的停電時間、設備相對損失量等數據信息的基礎上，精確計算出高鐵牽引供電網的接觸網、牽引變電所兩部分的雷擊風險，具體如圖1所示。

圖1 牽引供電系統雷擊風險圖

2 高鐵牽引供電網雷電防護系統設計要點

2.1 選擇恰當雷電防護方法

常見牽引供電網的雷電防護方法為安裝避雷器裝置、架設避雷線，根據高鐵牽引供電系統的實際防雷需求、水平高度、防雷部分選擇適當的雷電防護方法即可。

其中，安裝避雷器方法指在絕緣子裝置的兩側優先加設串聯間隙避雷器裝置，在牽引供電系統運行過程中，系統大部分工作電壓將在避雷器串聯間隙處進行聚集，有效預防避雷器電阻片加快老化問題的出現。而在系統遭受雷電流打擊時，避雷器將避免系統與設備受到高瞬態過電壓的危害，限制其續流幅值。架設避雷線方法指將牽引供電系統中原有配置的PW線抬升至F線上部區域，從而發揮避雷線的引雷防護作用，避免雷電流擊穿系統所配置的一次設備、二次設備。

2.2 正饋線與雷擊承力索防護設計

在正饋線與承力索雷電防護設計層面上，應根據牽引供電系統的實際運行情況與配置結構，以常規的110 kV電力系統為設計模板，靈活采用提升保護線、加設回流線、配置適當種類避雷針裝置等設計措施，向正饋線與承力索提供必要雷電防護。例如配置鎧裝電纜的饋線，并在饋線上安裝避雷器，饋線、相連設備可承受更高的脈沖過電壓。從牽引供電網防雷保護系統實際運行角度來看，在中國哈大線中，采用了避雷針防雷措施。而在海南東環線中，則根據牽引供電網防雷需求，針對性采用提升回流線工作溫度的措施，使其具備避雷針防雷功能。

2.3 避雷線及雷擊保護線過電壓保護設計

升高保護線是一種常見的雷電防護措施，可為承力索以及正饋線提供雷電防護。但在采用升高保護線或加設避雷線措施后，將會改變接觸網以及正饋線的直擊雷防護形式，具體所轉變形式為感應雷防護與反擊雷防護。其中，感應雷防護指避雷線在遭受雷電流打擊時，接觸網以及正饋線將會產生感應雷防護。而反擊雷防護指支柱或避雷線遭受雷電流打擊，正饋線以及閃絡T線絕緣子將產生反擊雷防護。在接觸網與正饋線的雷電防護形式轉變為反擊雷防護時，需根據實際情況適當調節牽引供電系統的局部區域接地電阻，或對支柱獨立接地極與避雷器進行適當增強，從而向避雷線、雷擊保護線提供過電壓保護。

2.4 絕緣子防護設計

在牽引供電系統遭受雷電流打擊時，絕緣子裝置在過電壓作用下，極易出現閃絡現象，進而受閃絡工頻影響而導致裝置損毀，或遭受永久性損傷，不但產生了新的牽引供電系統風險源，同時，也造成了嚴重經濟損失，需更換全新的絕緣子裝置。針對這一問題，應選擇安裝避雷器/避雷針這一防雷保護措施，在水平絕緣子或懸式絕緣子裝置的兩端設置間隙避雷器。基于雷擊閃絡可對位置進行精確定位，同時發揮疏導工頻電弧的作用，因此應確保絕緣子裝置不會在閃絡工頻影響下出現嚴重損傷問題。但在采取這一雷電防護措施時，將會對牽引供電系統的線路抗雷性能造成降幅影響。在系統遭受雷電流打擊時，可能產生跳閘現象。

2.5 構建風險評估與自動預警系統

為及時發現、有效規避雷電風險，確保高鐵運營安全，需在高鐵牽引供電網雷電防護系統中構建配套的風險評估與自動預警系統，定期監測不同高鐵區段的氣候情況，及時發現與發送災害預警信息，評估所存在的雷擊風險系數、可能造成的損失。采取各項臨時性雷電防護措施，預防設備損毀、線路跳閘、供電網停電等問題出現，將損失程度與所造成負面影響控制在一定范圍內。同時，根據雷電參數和雷擊故障信息，對感應雷和直擊雷的防護措施進行確定、調整。風險評估與自動預警系統的具體結構如圖2所示。

圖2 牽引供電系統及預警系統示意圖

在高鐵體系運營過程中，氣象部門向牽引供電系統管理部門提供雷電預警服務，組合利用GPS、雷達、大氣電場、探空勘測等技術手段，提前預測各高鐵區段的雷電氣候出現概率、分布范圍，及時發送災害氣候預警預報信息。隨后，管理部門在所接收氣象預警信息基礎上，構建雷電災害風險評估模型，精細評估在雷電流打擊下，沿線牽引變電所以及接觸網的受影響程度，鎖定風險較高的區域及設備，針對性開展系統維護保養、臨災處理及故障恢復工作。

3 結語

綜上所述，牽引供電網作為高速鐵路體系中的重要構成部分，應構建完善的雷電防護體系，評估牽引供電系統各部分雷擊危險系數，采用上述措施改善牽引供電系統的雷電防護能力。這既是降低牽引供電網故障問題出現率的主要途徑，也是保證列車安全運行、持續提升高鐵運營水平的必由之路。

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U223.8

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.057

2095－6835（2020）08－0130－02

〔編輯：嚴麗琴〕