淺析高鐵牽引供電網雷電防護系統設計

洪濤

摘 要 我國的高速鐵路路段采用高架橋敷設的比例很大，這導致了牽引供電對地面的高度較大，雷擊率較高。本文通過建立高鐵牽引供電網的雷電過電壓計算模型，設計了高架橋牽引供電網雷電防護系統，一定程度上解決了接觸網雷擊跳閘的概率高的情況。

關鍵詞 高速鐵路；牽引供電網；高架橋；雷電防護

前言

我國的高速鐵路采用高架橋敷設路段較多，這種情況下，牽引供電網和地面的高度甚至超過了110kV輸電線路，但絕緣水平較低，如果沒有有效的防雷措施，那么雷擊風險極高。由于牽引供電網是高鐵的唯一動力來源，高鐵運行速度快，行車密集，若出現供電故障，會對運輸生產帶來極大的影響。

我國高鐵由于起步較晚，對牽引供電網的雷電防護系統研究較為片面；歐洲高鐵雖然技術較成熟，但由于地處高緯度地區，雷電活動少，且高架路段也較少，雷擊率較低。日本地處中緯度調取，牽引供電網雷電防護模式對我國高鐵系統有一定的參考意義，但日本雷電活動地區中國，且牽引供電網設計和我國有一定差異，其雷電防護系統不能簡單照搬。

本文通過建立高鐵牽引供電網的雷電過電壓計算模型，設計了高架橋牽引供電網雷電防護系統，一定程度上解決了接觸網雷擊跳閘的概率高的情況。

1 基本參數

高鐵牽引供電網架設于高架橋上，架橋跨距為32m，高度按10和16m，高架橋由橋墩和箱梁組成，而橋墩由樁基、承臺和墩身組成，與高鐵牽引供電網相關聯的主要是接地導體的分布和設計。根據“客運專線綜合接地技術實施辦法（暫行）”的規定：在高架橋的箱梁電纜槽內需要放置兩條貫通地線，同時設置4根縱向接地鋼筋在箱梁上面板中，橋墩的墩身需要設置兩個鋼筋，鋼筋需要接地，并且在頂端引出端子。高鐵橋墩一般設計有8個樁基，其接地體頂部和承臺的水平接地體相連[1]。

2 接觸網耐雷性能分析方法

2.1 絕緣閃絡模型

在模型中，使用絕緣子的標準雷電沖擊50%放電電壓，使用該結果作為閉合控制量的壓控開關。在實際中，為了獲得該放電電壓，對絕緣子進行了放電試驗。

2.2 雷電通道模型

雷電流波形選用斜角波，由于雷電通道阻抗和雷電流幅值是相關的，所以在小雷電流時取800，大雷電流時取300。高鐵牽引供電網和支柱導線相平行，支柱采用了傳輸線的模型的相同的值。

2.3 高架橋模型

為了得到最真實的設計效果，本文對高架橋的橋墩和箱梁進行了等比例的模擬方法，并以此為技術，搭建了各種情況下的仿真電路。根據“客運專線綜合接地技術實施辦法（暫行）”的規定，高鐵高架橋在接地部分包括了接地的鋼筋和貫通的地線。在施工中，因為高架橋的結構鋼筋和接地鋼筋是捆綁在一起的，所以如果有雷電電流經過的情況下，高架的結構鋼筋起到泄放雷電流的作用。

如果只考慮到防雷接地體對雷電流的泄流，那么箱梁里面貫通地線和縱向的接地的鋼筋則為平行導體。橋墩里面的鋼筋分布比較復雜，根據導納頻率響應計算建立它的電路模型。如果認為高架橋的結構鋼筋也參與到雷電流的泄流，那么結構將更加復雜，應對采用頻率響應提取等值電路來建模。

在建立了高架橋的沖擊接地阻抗等值電路模型后，為驗證模型是否準確可行，需要將矩量法直接計算得到的波形與之前建立的模型進行比較。通過實際的比較，發現兩種方法得到的波形形態比較一致，說明建立的模型準確，可用于計算高鐵牽引供電網的過電電壓。

2.4 雷擊跳閘率的計算方法

計算雷擊跳閘率主要是通過對避雷裝置和導線、多個導線、整個線路相對于大地的雷電屏蔽性能進行分析，主要分析的方法有先導發展模型和電氣幾何模型兩種方式。高鐵牽引供電網架安裝在高架橋上，高架橋的寬度是小于電網的寬度的，整個橋體是在接觸網的屏蔽下的，大地和導線之間的雷電擊距采用IEEE導則推薦的公式計算[2]。

3 接觸網耐雷性能

3.1 直擊雷的耐雷水平

采用直擊雷計算模型，對高鐵牽引供電網的防直擊雷能力進行計算，計算結果可以看到當耐雷水平低于4kA時，可以對90%以上的雷電擊中導致絕緣閃絡。

3.2 感應雷的耐雷水平

根據雷電感應機制，高鐵牽引供電網承受的電壓和雷電電流的幅值，雷電的落雷點和高鐵牽引供電網的垂直距離，雷電落雷點和高鐵牽引供電網連線到絕緣子的距離有關。

計算高鐵牽引供電網的感應雷的耐雷水平時，將垂直距離設置為50～400米，和絕緣子的距離設置為50米，在不考慮此距離隨機變化的情況下，可以認為其大于0米。

在計算高鐵牽引供電網的感應雷耐雷水平時發現，只有很少數的，雷擊雷電流比較大，并且是雷擊的落雷點和線路的距離比較近的情況下，T線才會發生絕緣閃絡。所以高鐵牽引供電網的耐雷水平可以近似使用F線的耐雷水平來代替[3]。

4 雷電的防護方法

4.1 架設避雷線

高鐵牽引供電網現有的PW線是架空的，如果將其抬升至F線以上，則可以兼作避雷線用，同時也不影響其原有功效，使用此方法成本也較低。

4.2 安裝避雷器

在絕緣子的兩端安裝避雷器是一種很好的線路防雷措施。避雷器有帶串聯間隙和無間隙，前者對比與無間隙的優點在于：在正常運行時，系統的工作電壓絕大部分在后竄了間隙上，基本上不存在避雷器電阻片老化情況。

4.3 雷電監測與差異化防雷

使用雷電監測系統，可以實現實時性、大面積、全自動的監測雷電情況，隨著雷電監測系統的不斷改進，目前我國已經完全有能力開展高鐵沿線的雷電監測能力。由于高鐵沿線電塔桿密集，高鐵沿線長而窄，因此在雷電監測上有一定的技術難度。需要開發針對高鐵沿線的雷電監測系統，通過監測系統實時觀測鐵路沿線的雷電活動，統計閃電密度，開展雷電預警。

在雷電監測數據的基礎上，還可以對鐵路沿線進行雷電登記劃分；將雷電觀測數據結合雷擊故障信息、雷電流統計參數，可以進一步開展精細化的感應雷、直擊雷防護方式，開展差異化防雷。

5 結束語

（1）由于我國高鐵起步較晚，在供電系統的雷電防護方面仍存在較多問題，主要有雷電英氣的供電系統跳閘，避雷器爆炸引起的供電系統可靠性降低等。而且由于我國高鐵的特異性，國外的高鐵防雷技術無法直接引進。

（2）由于高鐵牽引供電網對地高度較高，并且絕緣性低，因此提高高鐵牽引供電網的耐雷性十分重要。本文提出了太高PW線安裝位置這種成本的方式來提高防雷的效果。

（3）提出了研發針對高鐵的雷電監測系統，開展高鐵沿線的雷電監測和預警，將雷電監測數據和實際故障信息結合起來，開展精細化的雷擊防護，進行差異化防雷。

參考文獻

[1] 鄭健.中國高速鐵路橋梁建設關鍵技術[J].中國工程科學， 2008，10（7）：18-27.

[2] 周利軍，高峰.高速鐵路牽引供電系統雷電防護體系[J].高電壓技術，2013，39（2）：399-406.

[3] 邊凱，陳維江.高速鐵路牽引供電接觸網雷電防護[J].中國電機工程學報，2013，33（10）：191-201.