高速鐵路牽引供電接觸網雷電防護研究

孫藝洋

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

高速鐵路的運行，牽引供電接觸網起到了關鍵作用，但因接觸網長時間在外部環境中暴露，所以很容易發生老化和損傷，而且還會受到自然災害的影響。例如，牽引供電接觸網遭遇雷擊，侵入波過電壓經過接觸網直接進入牽引變電所，損害相關設備。所以，高速鐵路牽引供電接觸網需要做好雷電防護，通過切實可行的防雷電方法，預防雷電可能造成危害，還可以保護高速鐵路運行的穩定性。然而，結合目前高速鐵路牽引供電接觸網在雷電防護方面的實施情況發現，很多地區并未在雷電防護方面提出多元化且針對性的策略，導致接觸網很容易受雷擊影響，不僅會造成設備故障，還會埋下安全隱患，威脅高速鐵路的安全與穩定運行。鑒于此，本文對高速鐵路牽引供電接觸網的雷電防護工作展開分析，介紹防雷的重要性，闡述雷電防護現狀，提出接觸網雷電防護有效方法，對高速鐵路的正常運行提供保護。

1 高速鐵路牽引供電接觸網雷電防護意義

高速鐵路的牽引供電設備有接觸網、牽引變電所、遠動裝置等，其中牽引供電設備所尤其重要，可以在不間斷行車情況下，確保供電質量。換言之，當高速鐵路的牽引供電能力、線路輸送能力達成高度匹配，方可從列車速度、密度、重量等方面滿足基本要求。盡管變電所的直擊雷防護系統已經十分完善，戶外受到雷擊且造成設備損害的概率不高，但是，雷擊防雷系統在運行中形成雷電放電、電磁脈沖，或者雷電過壓經過金屬管道與電纜時，同樣會形成電磁干擾，對系統運行造成影響。基于此，高速鐵路的高架橋兩端部位尤其需要放置避雷裝置，這是加強高架橋段牽引供電接觸網耐雷性能的有效方法。

一旦高速鐵路牽引供電系統受到雷擊，將會中斷列車的供電，容易造成嚴重安全事故。比如，發生于2009年D5673 次動車事故的發生，便是因為雷電導致動力接觸網發生斷裂，從而使列車車廂斷電；再如2011 年京滬高速鐵路通車之后，當G151 次高速列車行駛到曲阜東至滕州東至棗莊這一路段，便受到雷雨天氣影響，下行線接觸網發生故障，致使火車斷電終止行駛。基于此，高速鐵路牽引供電接觸網雷電防護工作至關重要。

2 高速鐵路牽引供電接觸網雷電防護現狀

2.1 接觸網遭受雷擊形式的計算

按照當前接觸網受到雷擊已有的研究成果，發現若接觸網所在地的年平均雷電日多，其受到雷擊頻度相應較大，即每平方公里一年所受到的雷擊次數和年平均雷電日數之間為正比例關系。按照國際大電網會議提出的計算方式，將承力索距離軌面平均高度設定為7m，接觸網側面限界3m，由此可得出計算公式如下：（1）單線接觸網受到雷擊次數的公式為N-0.122×Td×1.3；（2）復線接觸網受到雷擊次數的公式為N=0.244×Td×1.3。上述兩個公式中的Td 是年平均雷電日數。

一旦接觸網受到雷擊，當時便會有過電壓形成，雷擊接觸到網支柱，此時，雷電流沿著支柱入地，并且在支柱上方形成沖擊過電壓。由此可以確定，過電壓值、支柱沖擊接地電阻、雷電流幅值、支柱之間息息相關，但卻屬于非線性正比。此外，雷電通道形成了電磁場變化后，還會產生感應電壓，其與雷電流極性相反，感應電壓值、雷電流平均值、接觸網導線高度之間為正比例關系。沖擊過電壓、感應過電壓相加后，疊加值也與接觸網支柱接地電阻存在聯系，一般是接地電阻高，疊加值也會增加。當接觸網支柱接地電阻增加后，導致閃絡的雷電流幅值、絕緣子閃絡概率也會受其影響而增加。當雷擊接觸網支柱，此時產生的雷電流沿著支柱入地，計算沖擊電壓的公式為U1=R·I+L（dI/dt）。公式中R為支柱沖擊接地電阻，為10Ω，I 是支柱等值電感。

接觸網受到雷擊是形成過電壓的基本條件，若過電壓值已經達到接觸網要求的絕緣子沖擊放電電壓，便會有絕緣子閃絡形成，雷電流入地后便會逐漸降低過電壓。綜上，計算接觸網的過程相對繁瑣，但通過計算可以為總結牽引供電接觸網雷電防護措施提供參考，從而保證高速鐵路運行安全。

2.2 高速鐵路防雷設計現狀

目前，我國在接觸網防雷設計方面獲得了比較顯著的成效，通常電氣化鐵道接觸網防雷設計是以《鐵路防雷、電磁兼容及接地工程技術暫行規定》（鐵建設[2007]39號）和《鐵路電力牽引供電設計規范》（TB 10009--2005）等規定為依據，按照一年中發生雷電日的具體數量，將其劃分為少雷區（年平均雷電日不超過20 天）、多雷區（年平均雷電日20 ～40 天）、高雷區（年平均雷電日40 ～60 天）、強雷區（年平均雷電日超過60 天）。

3 高速鐵路牽引供電接觸網雷電防護策略

為了規避雷電對高速鐵路的干擾，保證高速鐵路的安全，牽引供電接觸網雷電防護務必受到重視。目前，我國牽引供電接觸網雷電防護在實踐中雖然已經獲得了比較成熟的經驗，但是在技術層面依然有很大的進步空間。所以，下面主要圍繞高速鐵路牽引供電接觸網雷電防護提出建議，規避高速鐵路運行中的安全事故。

3.1 結合所在區域實際制定應急方案

如果高速鐵路處于多雷電區以及重點防護區，那么很容易受到外界環境因素的干擾，提高遭遇雷擊的發生率，還會因此導致供電系統故障。一旦發生此類故障，而且沒有及時制定處理方案，將會導致嚴重的后果，特別是對于高速鐵路，很容易對其平穩運行造成影響。所以，當面臨因雷擊而引發的突發性故障時，務必要有應急方案馬上處理，只有如此，才能夠維持高速鐵路穩定運行。建議針對多雷電區和重點區域制定雷擊處理的應急方案，而且應加強方案的針對性，與所在區域的實際情況相符，在預案設計中綜合考慮所有可能性，以便及時應對突發性事件。

制定應急預案時，需要對高速鐵路的施工條件加以重視，盡可能地減少大型機械設備數量，優先采用更換、替換等形式，完成完整維修、臨時性維修。尤其需要注意的是，一旦遇到惡劣天氣，很有可能對維修人員的人身安全造成威脅，所以設計階段應對維修人員的安全加以防護。為了保證雷擊相關事故可以妥善得到解決，后續的維修保養流程不能過于煩瑣，加強設備鋪設網絡結構合理性，可以在有限空間內將設備安裝在合適的位置，為設備維修與替換創造便利條件，使所有設備維修、更換時的問題可以及時得到解決。若是在安裝防雷擊設備時應用絕緣架，應保證單相接地，此方法可以預防直接雷、反擊雷對牽引供電接觸網高壓環節造成的威脅，以免發生放電事故，最大程度降低因雷擊造成的損耗，并且有效降低線路跳閘等不良事故的發生率。

3.2 規范安裝接觸網

現階段，高速鐵路供電主要采用的是AT（電力牽引AT 供電方式，auto transformer supply system of electric traction），并在PW 線路（偽線）中設置 AF線路（正饋線）。采用此安裝方式，如果需要計算接觸網線路直接落雷閃絡概率，通常會選擇構建電氣幾何模型、先導發展模型，同時計算還需滿足如下條件：（1）自然雷90%呈現負極性，所以直擊雷過電壓同樣是負極性。計算時應用絕緣子U50%是閃絡判據；（2）如果將計算條件設定為雷暴日20d、40d，那么，U50 代表的是絕緣子50%雷電沖擊放電電壓。根據表1 數據便可得知，接觸網絕緣子正負極性標準雷電沖擊50%放電電壓，而且通過數據分析，雷擊閃絡的實際次數、線路暴露寬度、地閃密度之間關系非常緊密。線路引雷面積可按“線路總暴露寬度×線路長度”進行計算，年雷擊閃絡次數按“線路引雷面積×地閃密度”的公式計算，如果線路長度是100km，按照上述公式便可得到線路百公里年閃絡次數。

表1 接觸網絕緣子正負極性標準雷電沖擊50%放電電壓

3.3 采用合成絕緣子進行雷電防護

如果線路遭受雷電直擊，必然會使絕緣子發生燒蝕，接觸網因此不能自動重合閘，對高速鐵路供電造成影響。所以，制定牽引供電接觸網的防雷方案，需要規避絕緣子燒蝕狀況，建議安裝避雷線、避雷器等裝置，起到防范工頻電弧、線路閃絡等事故的作用，還可以采用疏導工頻電弧對絕緣子加以保護。上述方法在應用中效果均比較明顯，要想獲得更為理想的絕緣子燒蝕預防效果，還需要不斷提高絕緣子質量，優化絕緣子本身的抗燒蝕性。基于當下的狀況，合成絕緣子技術的成熟度已經很高，抗燒蝕性能在操作中也可以獲得比較理想的效果。合成絕緣子的材料包括硅橡膠，如果燒蝕現象不是非常嚴重，硅橡膠在受熱后，將會分解成為氣體，其間便會吸收一部分熱量，減輕燒蝕嚴重性。另外，合成絕緣子在燒蝕狀況下，一般不會快速炸裂，這便可以為恢復線路絕緣爭取時間，使高速鐵路的運行更加可靠。合成絕緣子與瓷絕緣子對比，前者燒蝕之后傘群一般不會快速脫落，可以很好地保證絕緣效果，但瓷絕緣子傘群在同樣的情況下將很快脫落，失去絕緣功能，致使線路不能合閘，還會因此誘發接觸網故障。盡管合成絕緣子在應用中有諸多優勢，但是很難完全避免燒蝕導致的消極影響。受到燒蝕作用的影響，還會改變合成絕緣子材料結構，導致其分解成分揮發，在表面有氫氧化鋁形成，這是降低合成絕緣子抗污性的重要原因。對于被燒蝕的部位，其質量和性能必然會受到直接影響，還有可能發生脫落和破裂等現象，給高速鐵路運行埋下隱患。所以，高速鐵路牽引供電接觸網在安裝合成絕緣子的基礎上，還必須定期對其進行檢查，確保合成絕緣子的性能與質量始終在最佳狀態。

3.4 優化接觸網防雷接地設計方案

接觸網支柱以鋼材料為主，鋼材料本身具有導電性，如果遭遇雷擊，在沒有安裝避雷器和避雷線等防雷擊設備的情況下，支柱被賦予了導體屬性，依然可以使電流導入至地下。那么高速防雷接地系統在設計階段，建議選擇綜合接地系統，支柱和地線連接，有利于進一步優化雷電防護的實際效果。注意設計環節的重點在于控制貫通地線接入點防雷接地裝置和其余設備之間的距離，建議將間距控制在15m 左右，可以保證雷電防護的實際效果。對于防雷接地系統成本的控制，建議設計過程中對防雷接地系統綜合性能加以關注，其間需要融合高速鐵路工程特征、供電系統，應用綜合貫通地線。換言之，高速鐵路設備均可作為共同接地體，使防雷系統性能不斷優化，以此來增強雷電防護性能，而且該方法的性價比也比較高。

4 結語

綜上所述，高速鐵路牽引供電接觸網雷電防護至關重要，也是接觸網安全管理非常重要的一部分。結合當前牽引供電接觸網雷電防護的實施經驗，建議結合高速鐵路所在區域的實際情況，制定有的放矢的防雷擊策略。一方面，可以保證雷電防護的實施效果；另一方面，也能夠切實加強牽引供電接觸網的安全性，為高速鐵路的穩定運行夯實基礎，這也是今后高速鐵路牽引供電接觸網制定安全防護策略需要參考的重要內容。