電氣化鐵路接觸網(wǎng)防雷研究

馬 健

（中國鐵建電氣化局集團第二工程有限公司，山西 太原 064000）

0 工程概況

該文以某高速鐵路建設項目作為研究案例，該鐵路是我國高速鐵路系統(tǒng)中的關鍵性組成部分，高速鐵路的行車速度設計為200km/h。建設沿線設計有6 個汽車客運站點，沿線總長度設計為292km，沿線設計有96 座橋梁，其中，橋梁的總長度設計為152km。該段高速鐵路的運營長度為199.633km，沿線管轄5 個工區(qū)，接觸網(wǎng)施工人員的數(shù)量為93 人。

1 接觸網(wǎng)防雷設計

1.1 避雷線架設高度的設計

結合我國電力系統(tǒng)既往運營狀況來看，在電力系統(tǒng)中設置避雷線能提高電力線路耐雷性能。由于電力線路的絕緣等級要求非常高，感應雷電壓雖然也有一定的可能會導致絕緣子出現(xiàn)閃絡現(xiàn)象，但是這種現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性非常小，設置避雷線的核心目的是防避雷擊。接觸網(wǎng)自身的絕緣能力不是很強大，一旦遇到接觸網(wǎng)遭雷擊，所有的絕緣子過電壓都會出現(xiàn)閃絡現(xiàn)象。因此，在接觸網(wǎng)中設置防雷裝置不但需要避雷線發(fā)揮出規(guī)避雷擊的作用，同時應兼顧防感應雷的實際效能。通常情況下，避雷線的安裝位置主要在支柱上側和承力索上側這2 個部位。

方式一：將避雷線安裝在支柱的上側。避雷線安裝的高度須保證其可以屏蔽承力索，基于此，考慮避雷線安裝的實際成本問題，在保證避雷效果的同時應兼顧經(jīng)濟性原則。

方式二：將避雷線安裝在承力索的上側。若安裝在此部位，則需要適當將避雷線做傾斜處理，同時承力索的保護角應滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

從避雷線的保護角度來說。漢宜高鐵建設工程項目中，承力索的均值為6867mm，將避雷線安裝在8300mm 部位，簡單來說是避雷線高于承力索1400mm，在該情況下，避雷線的保護角計算表達式如下。

tg=3000/（8300-6867），=64.47°可以發(fā)現(xiàn)，該計算值大幅度超過標準保護角度（200°～300°），這種結果必然會增大雷擊的可能性。如保護角控制在30°以內，避雷線與承力索之間的高度差距為5192mm，避雷線的實際安裝高度則是12059mm。如保護角控制在200°以內，避雷線的高度應高于承力索8242mm，實際安裝高度為15109mm。雖然保護角滿足規(guī)范要求，但是接觸網(wǎng)的支撐柱高度會超過常規(guī)性支柱的2 倍，這就意味著施工單位須承擔的成本大幅度增加，還會涉及設計圖紙變更。

根據(jù)該情況，通過加高支柱降低保護角不符合施工項目的經(jīng)濟性原則。當避雷線安裝在承力索的上側時，雷擊打在避雷線上時會產生高強度的電壓，假若電壓超過了承力索與避雷線之間的擊穿電壓，則會出現(xiàn)閃絡現(xiàn)象。根據(jù)我國現(xiàn)行管理規(guī)范要求來看，雷擊現(xiàn)象出現(xiàn)后，應該保證避雷線與導線的距離達標，如采用第二種施工方法，當避雷線受到雷擊，原材料會因為受到雷擊產生電壓，假若電壓值非常高，會導致閃絡現(xiàn)象出現(xiàn)。避雷線的跨中距離須滿足以下要求：

式中：為避雷線與導線之間的距離；為跨距。

假若取值為60m，那么承力索與避雷線之間的距離不得低于1720mm，二者之間的高度差異則不得低于1070mm。結合相關機構的調研結果來看，當避雷線與接觸網(wǎng)產生電磁耦合效應時，耦合系數(shù)與防治感應雷之間的關聯(lián)性為正比關聯(lián)性。假若將避雷線安裝在承力索上方，則可以提高耦合系數(shù)，在這種情況下，耦合系數(shù)主要與線索之間的距離存在關聯(lián)性，當避雷線與接觸網(wǎng)之間的距離越大，耦合系數(shù)則越小。在保護角一致的情況下，將避雷線安裝在承力索的上側時，其所對應的耦合系數(shù)明顯超過支柱上側的耦合系數(shù)。假若建設沿線的地面受到雷擊，接觸網(wǎng)、避雷線則會產生感應過電壓，絕緣子兩側的電位是相同的，當電壓差距減少以后可以規(guī)避閃絡現(xiàn)象。

根據(jù)滾球計算方法來說。根據(jù)計算基本原理進行分析，從圖1 中可以發(fā)現(xiàn)，當避雷線在高度、平面內時，可以按照以下表達式計算保護半徑：

圖1 滾球法計算避雷線保護范圍

式中：r為避雷線在h高度保護半徑（m）；為避雷線的按照高度（m）；h為滾球的半徑（m）；h為被保護物的高度（m）。

結合以上信息可以發(fā)現(xiàn)，假若想要計算出避雷線的高度，應確保承力索處于被保護狀態(tài)，由此才可以確定接觸網(wǎng)的其他線索仍處于被保護狀態(tài)。以常規(guī)性的中間柱對應的承力索來說，承力索的滾球半徑為=30m，利用h=5.33+1.66=6.9m，r=3.2m 可以計算出避雷線的安裝高度，確定為10m，支柱的高度按照9.5m 進行計算，在該情況下，施工人員只需要將避雷線安裝在支柱頂部以上50cm 處即可。

假若滾球緊貼在地表上或需要使用導線，當球體（、）只觸及到大地和被保護的導線（接觸線T、饋線F）時，經(jīng)過支柱中心線方向與球體的交點得到避雷線最低架設高度，當需要同時保護接觸線T、饋線F 時，計算中取2 個高度中較大值作為避雷線的最后架設高度，饋線F 和接觸線T均在避雷線的保護范圍內。

圖2 單線鐵路避雷線高度計算圖

以點部位作為避雷線安裝位置進行計算，可整理出公式（2）和公式（3）。

進一步可得到公式（4）。

因此，點位的避雷線高度如公式（5）所示。

式中：為接地引下線（m）；為F 線與地面之間的高度（m）；R為假設的滾球半徑（m）；為避雷器高度（m）；為避雷線最低高度（m）；為接觸線水平支架的長度；h為饋線F 線到地面的垂直高度；h為接觸線T 線到地面的垂直高度；為T 線與支柱之間的水平距離（m）；為T 線與地面之間的高度（m）；T 為保護接觸線。

如圖3 所示，首先利用滾球、、沿著被保護的導線滾動，確定避雷線的安裝高度的保護范圍。

圖3 復線鐵路避雷線高度計算圖

利用滾球在鐵軌上進行移動，觀察避雷線是否可以保護T 線。將滾球的半徑確定為30m，并帶入至表達式中進行計算，得出T 線處于保護范圍以內。通過進一步分析，發(fā)現(xiàn)在對鐵路進行防雷設計的過程中，不需要對T 線保護進行防雷設計。

避雷線的高度主要由滾球半徑的數(shù)值確定，根據(jù)我國現(xiàn)行的防雷管理規(guī)范要求，滾球半徑主要有以下3 種標準：30m、40m、60m。具體情況見表1。

表1 滾球半徑對應的避雷線高度（單位：m）

假如區(qū)域內的雷擊時間、雷暴時間比較短，則可以將滾球的半徑確定為60m，該標準下的施工成本比較低，且能夠滿足規(guī)范要求。

1.2 接觸網(wǎng)雷電過電壓仿真

國內外研究學者加大雷電流的研究力度，在研究的過程中構建出很多研究模型，其中使用比較頻繁的研究模型是雙指數(shù)函數(shù)研究模型。該文選擇使用雙指數(shù)函數(shù)研究模型對問題進行進一步調研。結合大數(shù)據(jù)技術所收集的數(shù)據(jù)進行分析，目前全世界范圍內的電流波形基本相同，尚未表現(xiàn)出較大的差異，通常情況下，波頭的長度大概為2.6m，波長為50m，在實際模擬的過程中，仍然選擇使用該數(shù)值進行計算。

結合我國電氣化鐵路接觸網(wǎng)的實際情況，假如天氣狀況比較惡劣，那么出現(xiàn)雷擊接觸網(wǎng)的可能性非常大。當接觸線與承力索用吊繩連接時，在采用模擬試驗的過程中可以將接觸線與承力索看作一個整體，將2 條線看作一條線，不對其進行區(qū)分處理，通過試驗總結出以下觀點。1）在出現(xiàn)雷擊現(xiàn)行之前或雷擊接觸線之后，接觸線的電壓值并未發(fā)生比較大的波動，始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。2）在出現(xiàn)雷擊現(xiàn)行的瞬間，正饋線與接觸線會形成較大的過電壓，該部分電壓甚至可以高達數(shù)百千伏，具備較大的破壞性。

結合實際情況來說，正饋線往往安裝在農田一側的支柱上，直接與承力索安裝在一起，接觸線與正饋線的安裝高度應該是相同的。通過調研，總結出以下觀點。1）當正饋線出現(xiàn)雷擊現(xiàn)象時，接觸線的過電壓與有效值明顯低于正饋線的數(shù)值。2）接觸線的過電壓數(shù)值大概為34V，正饋線的過電壓約為53V。3）雷擊現(xiàn)象產生的過電壓對應鋼軌電壓造成的影響非常大。

2 接觸網(wǎng)防雷具體實施方案

2.1 增設架空避雷線

當前，我國的鐵路接觸網(wǎng)防雷設計是根據(jù)滾球法、保護角來計算出接閃器的安裝位置，結合實際情況來說，使用這2 種方法確定出來的接閃器位置可能會與實際情況產生較大的差異。現(xiàn)行規(guī)范明確提出，不鼓勵采用保護角法來確定接閃器的位置，建議利用滾球法確定接閃器的位置。

根據(jù)高鐵運營的具體狀況來看，地線安裝位置及保護范圍應根據(jù)滾球法確定。滾球半徑為=30m，利用滾球半徑計算出地線的保護范圍為22.5m。

采用滾球法進行計算，通常將避雷線安裝在中間柱的位置，假如承力索、正饋線全部處于保護范圍中，只需要將地線設置在導線肩架上側即可，通過計算得出地線肩架上側的距離為70cm。

針對錨段節(jié)點部位尤其是絕緣錨段節(jié)點部位，為了保證該部位擁有足夠的縫隙，需要適當提升承力索，當承力索高度提高，地線也隨之提高，經(jīng)過計算得出地線肩架柱頂以上距離為1.3m。

為保證施工人員安裝作業(yè)的便利性，該文將地線肩架的安裝高度確定為1.3m。

為保證雷電流穿過地線時不會對弱電設備造成影響，需要對地線做絕緣處理，將絕緣子安裝在地線表面，以達到隔離弱電設備的目的。

地線的下側錨固點與線段保持相同。隧道外側的地線應該安裝在隧道口。

架空地線接地措施如下。1）接地裝置的安裝間距設計為200m，所有的接地裝置須單獨做接地處理。2）路基區(qū)段，避雷線的接地至少外沿出路基20m，將接電線與獨立接地極進行連接，接地極的阻值控制在10Ω 以下。3）橋梁區(qū)段，假如該路段的環(huán)境比較理想，可以適當提高墩臺的高度，在施工條件運行的情況下安裝獨立接地極。假若施工條件不允許，可以采取就近安裝的原則。將磚基礎、墩臺的接地鋼筋作為接地極進行使用。4）為了保證地下引線與第界限連接足夠牢固，應結合現(xiàn)場的實際情況合理選擇引線材料，引線優(yōu)先選擇使用銅芯電纜，該材料具備良好的絕緣性。

結合電力系統(tǒng)的管理要求來看，架空避雷線往往選擇使用鍍鋅鋼絞線，該原材料的性能比較強大，可以滿足電力系統(tǒng)的管理要求。設置避雷線的核心目的是保證高速鐵路的接觸網(wǎng)不會受到雷擊影響，同時需要兼顧擴大導線的橫截面積，提升導線的抗拉伸強度，因此在實際選擇避雷線原材料時，首選鍍鋅鋼絞線比較合適。進一步來看，結合防雷管理要求及設計要求，使用鍍鋅鋼絞線作為避雷線時，保證避雷線的橫截面不得低于50mm。此外，為有效提高避雷線的張拉力，該文建議選擇使用5mm 的鍍鋅鋼絞線。

2.2 適當增加避雷器

以下關鍵部位必須要安裝避雷器：1）區(qū)間車站的戰(zhàn)場區(qū)域、區(qū)間分段區(qū)域的絕緣錨段節(jié)點部位；2）長度超過2km的隧道以及隧道兩側的進出口部位；3）供電線路的長度小于其沖擊特性長度時,電纜線路應在兩端分別裝設避雷器；4）基接觸網(wǎng)的各個網(wǎng)點、控制開關等關鍵性構建及路段。

2.3 該方案取得的效果

2005 年，漢宜高速運營單位對防雷設置進行改造施工，改造的核心內容為“一所兩臂”，上行接觸網(wǎng)、下行接觸網(wǎng)的避雷線改造工程，沿線總長度為82.902km，總計52 個避雷線錨段。避雷線安裝的實際效果如下。通過對沿線變電所的雷擊跳閘次數(shù)進行分析，2012 年總計出現(xiàn)2 次雷擊跳閘事件；2013 年總計出現(xiàn)2 次雷擊跳閘事件；2014 年總計出現(xiàn)1 次雷擊跳閘事件；2015 年時總計出現(xiàn)1 次雷擊跳閘事件。發(fā)生雷擊跳閘事件的部位位于施工單位以內，但是當時尚未竣工。通過2015 年改造以后沿線出現(xiàn)雷擊跳閘事件的發(fā)生率為0%，改造取得了良好的效果，同時論證了上文的研究結果。

3 結語

綜上所述，高速鐵路接觸網(wǎng)防雷設計的質量在很大程度上影響高速列車運行過程中的安全性與穩(wěn)定性。在實際設計過程中，必須結合鐵路沿線的雷電發(fā)生規(guī)律、特點、環(huán)境、地形等多個影響因素展開設計，面對不同的影響因素采取不同的應對措施，不僅需要保證避雷線線路設計的合理性，同時應該保證避雷線架設高度的合理性，在必須達到要求的情況下可以增設其他設備作為補充，保障高速列車安全、順利通行。