淺析高速鐵路牽引網(wǎng)雷電防護

楊昱鑫 安芃芃

【摘 ?要】隨著鐵路運營速度的不斷增加，其安全影響因素也逐漸增多，本文通過對現(xiàn)有高速鐵路的雷電防護方式進行對比，分析了牽引網(wǎng)易受雷擊的主要部位，總結(jié)了影響雷擊跳閘率的相關(guān)因素，提出了幾點增加牽引網(wǎng)雷擊耐受能力的方法。

【關(guān)鍵詞】高速鐵路;雷電防護;雷擊跳閘率

Abstract：With the increasing speed of railway operation，its safety influencing factors are gradually increasing.This paper compares the lightning protection methods of existing high-speed railways，analyzes the main parts of the traction network susceptible to lightning strikes，and summarizes the relevant factors that affect the lightning strike rate.Several methods have been proposed to increase the lightning strike resistance of the traction net.

Key words：High-speed railway;Lightning protection;Lightning strike rate

1.引言

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們的生活節(jié)奏也越來越快，相應(yīng)的對于出行速度的要求也越來越高，為滿足人們的需求，鐵路已經(jīng)經(jīng)過了多次提速，但同時其安全性也受到了越來越多因素的影響，比如雷電活動。“7.23甬溫線特別重大交通事故”造成了大量的經(jīng)濟損失和人員傷亡;大西高鐵太原管段自聯(lián)調(diào)聯(lián)試、試運行至2014年7月1日正式運行以來，在雷雨天氣確定為雷擊的跳閘故障有10件;顯然，如何對于運行中的高速鐵路雷電進行防護已成為目前研究的一個重點問題[1-3]。

2.現(xiàn)有的防雷措施分析

我國在電氣化鐵路牽引網(wǎng)防雷設(shè)計時，主要依靠TB10009-2005《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》5.3.1條規(guī)定[4]：

（1）由于吸流變壓器比接觸網(wǎng)絕緣子造價高很多，應(yīng)該對其進行重點防護。

（2）高雷區(qū)以及強雷區(qū)，應(yīng)該在下列位置進行雷電防護。

①列車在進出站時需經(jīng)過分相和站場，而在這里所允許的檢修時間極短，且分相和站場端部的絕緣錨段關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此，需針對這些部位加強防護。②在隧道內(nèi)，常伴有空氣流通不暢、濕度大、絕緣子積污嚴(yán)重、維修不便等惡劣環(huán)境，因此需對長度在2000m以上的隧道兩端裝設(shè)避雷裝置。③較長的供電線。④正饋線與接觸網(wǎng)的接線處。

（3）在強雷區(qū)應(yīng)架設(shè)獨立的避雷線。

根據(jù)推薦性標(biāo)準(zhǔn)來看，對于牽引網(wǎng)的防雷設(shè)計較為籠統(tǒng)，只是針對一些重要部位或者重點區(qū)域做了要求，但是，牽引網(wǎng)遍布全國，所經(jīng)地形地貌、氣候環(huán)境千差萬別，采取針對性的防雷措施才具有效果。下面對于目前的防雷方式進行分析。

2.1架設(shè)專用避雷線

避雷線防雷是在雷電先導(dǎo)的發(fā)展階段，避雷線頂部匯集電荷后在發(fā)展先導(dǎo)和避雷線頂端之間的電磁通道中建立強電場，避雷線迎面先導(dǎo)的產(chǎn)生和發(fā)展進一步加強了該通道中的電場強度，最后引導(dǎo)雷電鎖定并擊中避雷線，使被保護物避免遭受直擊雷。當(dāng)接觸網(wǎng)附近地面遭受雷擊時，雷電流致使導(dǎo)線產(chǎn)生很強的感應(yīng)過電壓，而避雷線與接觸網(wǎng)導(dǎo)線之間的耦合作用可減小絕緣子承受的感應(yīng)電壓[5]。因此，避雷線不僅可以有效降低接觸網(wǎng)遭受直擊雷的概率，還可以降低因感應(yīng)過電壓而導(dǎo)致絕緣子擊穿閃絡(luò)的概率。但是牽引網(wǎng)屬于極為狹長的區(qū)域，要想完全保護，就要沿線架設(shè)避雷線。這無疑大大增加了高速鐵路建設(shè)的成本。

2.2增設(shè)避雷器

避雷器防雷是利用其沖擊放電電壓低于接觸網(wǎng)絕緣（空氣間隙和絕緣子）及電力機車車頂保護裝置（保護間隙和車頂避雷器）的沖擊放電電壓，當(dāng)雷擊接觸網(wǎng)時，避雷器會先于上述保護裝置放電，避免上述保護裝置動作引起變電所斷路器跳閘，從而降低接觸網(wǎng)雷擊跳閘率，提高線路的耐雷水平[6]。但接觸網(wǎng)避雷器也有其自身的保護距離，我們不可能在每根牽引網(wǎng)支柱上都安裝避雷器。

2.3抬高PW（保護線）線

將PW線抬升至相應(yīng)高度后再進行架設(shè)，將PW線兼作為避雷線，使接觸網(wǎng)和正饋線處于PW線的保護范圍內(nèi)，同時使得PW線良好接地。這樣利用了既有PW線，工程量最小，投資最省，但是施工的范圍增大，且PW線位于正饋線線肩架下方，為滿足相應(yīng)的防雷效果，需將PW線改遷至正饋線線肩架上方，實施難度大;另外由于PW線為非絕緣安裝，通過鋼支柱和吸上線與綜合地線連接，當(dāng)雷電流較大時，可能導(dǎo)致綜合地線的電位升高，引發(fā)地線上的設(shè)備故障。

2.4增加接觸網(wǎng)絕緣

高速鐵路的支柱高于其他部位，根據(jù)EGM模型可以發(fā)現(xiàn)，其支柱是易受雷擊的部位，當(dāng)雷擊牽引網(wǎng)支柱時，將在支柱上產(chǎn)生沖擊過電壓。分析表明，70%直擊雷將導(dǎo)致絕緣子沖擊閃絡(luò)，此時可以采用增加絕緣子串片數(shù)、使用大爬距絕緣子、加大空氣間隙等方法加強接觸網(wǎng)絕緣。研究表明，棒式絕緣子比懸式絕緣子具有較好的累點耐受能力。

2.5降低接地電阻

若雷電直擊接觸網(wǎng)支柱，且接地電阻較大，則接觸網(wǎng)支柱頂部將產(chǎn)生高電位，絕緣子串可能發(fā)生閃絡(luò)，導(dǎo)致接觸網(wǎng)接地短路故障。因此，降低接觸網(wǎng)支柱接地電阻可降低雷擊時的電位上限，間接提高接觸網(wǎng)防雷水平，防止發(fā)生反擊現(xiàn)象。

3.結(jié)論

通過對目前的多個牽引網(wǎng)雷電防護方法分析可知，我們應(yīng)該采用差異化防雷措施，對于不同的地域、地形、地貌、氣候建立多場域耦合模型，并結(jié)合相應(yīng)的評估手段，采取針對性的防雷措施。

參考文獻：

[1]楊昱鑫.計及工頻電壓的接觸網(wǎng)耐雷水平研究，電瓷避雷器，2015，（03），79-83.

[2]楊昱鑫.西部干旱沙漠地區(qū)接觸網(wǎng)防雷仿真研究，電瓷避雷器，2016，（05），48-53

[3]于增.接觸網(wǎng)防雷技術(shù)研究[J].鐵道工程學(xué)報，2002，（1）：9-14.

[4]中華人民共和國鐵道部，TB1009-2005，鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范[S]：1958-1962.

[5]蘇宇榮.杭深線接觸網(wǎng)防雷系統(tǒng)現(xiàn)狀分析及對策，電氣化鐵道，2017，28（04），30-33.

[6]楊昱鑫.牽引網(wǎng)避雷器安裝位置仿真研究，蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2018，18（02），15-19.

[7]肖志剛.大西高鐵接觸網(wǎng)防雷優(yōu)化措施研究，電氣化鐵道，2015，（05），10-13.

基金項目

西北地區(qū)高架路段高速鐵路雷電防護研究（KJ2018-11）

（作者單位：1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院;2.甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 公路橋梁系）