高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)雷電防護(hù)策略分析

徐平，鄧夢(mèng)

（中鐵武漢電氣化局集團(tuán)上海電氣有限公司，上海 201700）

1 引言

中國(guó)的鐵路運(yùn)輸工業(yè)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著重要作用。到2020 年年底，中國(guó)高速鐵路的運(yùn)行里程達(dá)到3.9×104km。因高速鐵路牽引供電系統(tǒng)無備用設(shè)備，如果牽引供電系統(tǒng)在雷電下跳閘，會(huì)直接影響高速鐵路的運(yùn)行。為了保證牽引供電的穩(wěn)定性，必須對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行有效的防雷保護(hù)，避免雷擊對(duì)牽引供電系統(tǒng)造成的斷電等不利影響。

2 雷擊的危害性

2.1 危害特點(diǎn)

雷雨天氣導(dǎo)致高鐵被雷擊中的影響因素構(gòu)成復(fù)雜，地質(zhì)條件、地形問題和周圍的環(huán)境均可誘發(fā)雷擊。不同的環(huán)境條件也會(huì)形成不同的雷電頻率和強(qiáng)度，這跟特殊的自然環(huán)境有關(guān)，供電線路會(huì)因?yàn)殚W電發(fā)生跳閘斷電，影響列車運(yùn)行。其主要表現(xiàn)形式如下：

1）相關(guān)的線路受到雷擊影響產(chǎn)生反應(yīng)，也被稱為過電壓；

2）線路周圍的地面受到雷擊，這種情況也被稱為感應(yīng)雷過電壓，通常是因?yàn)殡姶鸥袘?yīng)而發(fā)生。線路被雷擊時(shí)，如果雷擊直接擊中供電線路，絕緣設(shè)施可抵消部分危害，但因受到雷擊過電壓的影響，絕緣效果會(huì)隨之下降。

2.2 危害產(chǎn)生原因

2.2.1 接觸網(wǎng)的安裝結(jié)構(gòu)

保護(hù)線、正饋線存在高度差異，正饋線在保護(hù)線上，二者保護(hù)裝置未到位，防雷能力過低，正饋線和接觸網(wǎng)線未被有效隔離，極易導(dǎo)致被雷擊中。線路的寬度和密度控制不當(dāng)，易增加閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)。保護(hù)線的安裝高度過低或未設(shè)置避雷線，都易引起雷擊。

2.2.2 建設(shè)工程的復(fù)雜環(huán)境

根據(jù)以往運(yùn)行情況來看，在高速鐵路運(yùn)行的區(qū)域內(nèi)每年均有大量的雷擊事件發(fā)生，受雷擊的頻繁與高鐵所在區(qū)域每年雷電的天數(shù)具有相關(guān)性，二者為正相關(guān)關(guān)系。高鐵沿途環(huán)境復(fù)雜，大多數(shù)為高架橋梁及空曠處所，尤其在雷電高發(fā)區(qū)段，接觸網(wǎng)易遭受雷電襲擊。相關(guān)研究顯示，每年每平方千米雷擊的數(shù)量與每年平均雨天的數(shù)量成正比。

2.2.3 高發(fā)位置

通常情況下，最容易受到雷擊影響的位置有3 種：承力索、正饋線和保護(hù)線。前2 種是帶各種形式絕緣子的絕緣安裝，保護(hù)線一般為非絕緣安裝（無絕緣子）。正饋線和承力索被直擊雷擊中后，絕緣子的承受力會(huì)持續(xù)降低，因此，大多數(shù)直擊雷可引起閃絡(luò)現(xiàn)象。在正常情況下，當(dāng)正饋線比承力索高時(shí)，正饋線會(huì)形成一個(gè)保護(hù)角，遭受雷擊時(shí)正饋線很容易被擊中。正饋線被雷擊中后，若正饋線絕緣子被擊穿，會(huì)在一定程度上增加鋼柱上的電位，而承力索與鋼柱之間的電位差將超過標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷，從而導(dǎo)致承力索絕緣子發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象。

2.3 影響因素分析

2.3.1 直擊雷引起的危害

在正常情況下，直擊雷主要對(duì)以下地點(diǎn)具有較強(qiáng)危險(xiǎn)性：

1）承力索，被雷擊中后，絕緣子發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象；

2）正饋線，雷擊引起懸式絕緣體發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象；

3）保護(hù)線，直擊雷命中了保護(hù)線引入綜合接地系統(tǒng)。

2.3.2 地區(qū)雷電差異大

由于我國(guó)幅員遼闊，南北之間的地理環(huán)境差別大，不同地區(qū)的土壤、雷電情況也不盡相同。因高速鐵路的建設(shè)橫跨度大，在整體鐵路運(yùn)行的過程中土壤地質(zhì)方面均有不同，會(huì)形成多種雷電參數(shù)，雷電所造成的影響存在差異，所以工程建設(shè)人員要根據(jù)實(shí)際的情況設(shè)計(jì)雷電的防護(hù)措施。在高速鐵路的實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員沒有充分考慮這些差異，導(dǎo)致雷電防御措施存在許多漏洞，因此，未能達(dá)到預(yù)期的防雷效果[1]。

2.3.3 電阻問題

高速鐵路是鐵路運(yùn)輸?shù)闹匾问剑c普通鐵路運(yùn)輸相比具有顯著優(yōu)勢(shì)。但長(zhǎng)期運(yùn)行的線路絕緣老化率相對(duì)較高，高速鐵路運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員在日常工作中更容易發(fā)生觸電的情況，對(duì)高速鐵路牽引系統(tǒng)的日常運(yùn)行產(chǎn)生了重大影響。在這種情況下，運(yùn)營(yíng)維護(hù)對(duì)接地電阻的要求不斷提高，所以現(xiàn)代高速鐵路普遍采用了綜合接地系統(tǒng)，以保證鐵路運(yùn)營(yíng)的人身和設(shè)備安全[2]。

3 防雷優(yōu)化策略

3.1 合理計(jì)算防雷參數(shù)

3.1.1 接觸網(wǎng)受雷擊次數(shù)

接觸網(wǎng)雷擊次數(shù)計(jì)算N：根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算理論，承力索與軌道表面之間的垂直距離為6.9 m，接觸網(wǎng)的側(cè)面距離3.1 m，得到N=0.122×Td×1.3，其中，Td為年平均雷電日數(shù)；然后復(fù)線接觸網(wǎng)受到雷擊次數(shù)將是N=0.244×Td×1.3[3]。

3.1.2 防雷接地電阻

式（1）～式（3）中，Sa1為空氣中距離，m；Sel為地中距離，m；Ri為獨(dú)立接閃桿、架空接閃線或網(wǎng)支柱處接地裝置的沖擊接地電阻，Ω；hc為承力索高度，m。

以常見的接觸網(wǎng)防雷為例，承力索的高度一般為6.9 m 左右，接地裝置的沖擊接地電阻要求為Ri≤10 Ω，在實(shí)踐中一般均能做到1～10 Ω。現(xiàn)取臨界值Ri=1 Ω、Ri=6 Ω、Ri=10 Ω。

接觸網(wǎng)取高度為6.9m，Ri=3 Ω、Ri=6 Ω、Ri=10 Ω，則：

根據(jù)公式分析可以得出，其他條件不變的情況下，產(chǎn)生雷擊后，空氣中放電距離分別與接地電阻及接觸網(wǎng)高度成正比。因此，在設(shè)計(jì)施工過程中，合理降低接地電阻或接觸網(wǎng)高度可以對(duì)雷擊防護(hù)起到直接的影響。

3.1.3 避雷線防護(hù)范圍計(jì)算

根據(jù)復(fù)線鐵路并行時(shí)架設(shè)接觸網(wǎng)避雷線后的保護(hù)范圍如圖1 所示，圖1 中S 為左側(cè)支柱柱頂標(biāo)高，S′為右側(cè)支柱柱頂位置；C 為左側(cè)承力索標(biāo)高，C′右側(cè)承力索標(biāo)高；E 為承力索在避雷中線位置，F(xiàn) 為支柱柱頂在避雷中線位置；BD 界面為左側(cè)支柱的大地補(bǔ)雷面，B′D′界面為右側(cè)支柱的大地補(bǔ)雷面。根據(jù)避雷線復(fù)線防護(hù)范圍計(jì)算公式[4]：

圖1 復(fù)線鐵路并行時(shí)架設(shè)接觸網(wǎng)避雷線后的保護(hù)范圍示意圖

式中，I 為雷電流幅值，kA；rs、rc、rg分別為雷電對(duì)避雷線、承力索和大地的擊距；a 為側(cè)面限界；l 為兩股道間距；d 為A 點(diǎn)到軌面的垂直距離；hs為避雷線距離軌面高度。

以連鎮(zhèn)高速鐵路為例，連鎮(zhèn)接觸網(wǎng)的參數(shù)：接觸線高度5.3 m，承力索高度6.9 m，側(cè)面限界3.1 m；一般柱頂高度距軌面高度7.2 m。結(jié)合保護(hù)能力與經(jīng)濟(jì)性，按雷擊電流幅值1 kV計(jì)算，避雷線安裝高度為8.2 m，選取避雷線安裝柱頂肩架高度為1 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)情況，連鎮(zhèn)鐵路接觸網(wǎng)架設(shè)避雷線區(qū)段對(duì)雷擊的防護(hù)效果顯著。

3.2 合理選擇安裝方式

在為接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)避雷防護(hù)時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

1）對(duì)于區(qū)間接觸網(wǎng)，在接觸網(wǎng)的頂部安裝單獨(dú)的避雷線，有效降低雷電擊中接觸網(wǎng)概率。

2）降低電阻可以有效地降低閃絡(luò)發(fā)生的可能性。即使受到雷擊的影響，牽引供電接觸網(wǎng)防雷措施也會(huì)大大降低對(duì)設(shè)備的影響，所以在防雷保護(hù)時(shí)應(yīng)采取有效的降阻措施。

3）在接觸網(wǎng)支柱上架設(shè)避雷設(shè)備。避雷器和其他設(shè)施都須在距離接地柱15 m 以上的地方放置。在特殊部位可以安裝獨(dú)立的避雷器，設(shè)置獨(dú)立的接地電極或接地系統(tǒng)，降低被雷擊中的概率，提高安全性能。

4）接觸網(wǎng)雷電防護(hù)的設(shè)計(jì)人員須查閱接觸網(wǎng)所在區(qū)域的雷暴情況。根據(jù)雷擊強(qiáng)度和閃絡(luò)次數(shù)統(tǒng)計(jì)雷電防御措施的可靠性，再加上經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的比較分析，進(jìn)行綜合考慮，不斷提高雷電防御措施的可行性，完善相關(guān)技術(shù)。

3.3 采取差異化技術(shù)

在制定接觸網(wǎng)防雷措施時(shí)，可以使用差異化技術(shù)：

1）客運(yùn)專線或客貨專線應(yīng)制定針對(duì)性措施，根據(jù)實(shí)際條件線路和速度來選擇符合情況的措施；

2）雷區(qū)的數(shù)據(jù)分析不能僅僅只依靠日常的雷電數(shù)量進(jìn)行總結(jié)，還要根據(jù)閃絡(luò)情況進(jìn)行分析，確保雷電防護(hù)能夠適應(yīng)該地區(qū)的實(shí)際運(yùn)行情況。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，高速鐵路牽引供電系統(tǒng)受雷電的影響較大，技術(shù)局限性較明顯。為提升高鐵運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性，應(yīng)加強(qiáng)防雷措施，提高防雷水平，及時(shí)更新技術(shù)并加強(qiáng)工程技術(shù)把關(guān)，保證高鐵安全運(yùn)行，改善高鐵防雷效果，為高速列車穩(wěn)定運(yùn)行提供良好的保障。