高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)雷電防護(hù)策略分析

楊昱旻

（中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京供電段，江蘇南京 210011）

0 引言

在高鐵牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)線路中，設(shè)置雷電保護(hù)系統(tǒng)的首要目的是為行車人身安全提供最基本保護(hù)，現(xiàn)已成為高鐵牽引供電系統(tǒng)及接觸網(wǎng)線路工程設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。切實(shí)做好高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)的防雷電工作是高速鐵路事業(yè)健康與可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，經(jīng)過長期的技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，我國的高速鐵路科技一直處于國際領(lǐng)先地位，高速鐵路的技術(shù)應(yīng)用直接推進(jìn)了我國鐵路事業(yè)的發(fā)展。需注意的是，雷電防治工作一直是高速鐵路項(xiàng)目運(yùn)營過程中的重點(diǎn)問題，牽引供電接觸網(wǎng)的維護(hù)工作直接關(guān)系到高速鐵路的行車和人身安全，必須對(duì)牽引供電接觸網(wǎng)的雷電防治技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，保障高速鐵路事業(yè)的發(fā)展。

1 高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)的雷電防護(hù)中存在的不足分析

1.1 沖擊接地電阻的安全問題分析

與普通鐵路相比，高速鐵路具備較多的特點(diǎn)，其中，最主要的是高速鐵路的牽引電流相對(duì)較大，使得鋼軌的漏電阻也相對(duì)較大。以客運(yùn)高速鐵路來舉例說明，與鋼軌的電位相較而言，常速既有線路的相關(guān)要求較低，使得高速鐵路線路沿線的維修人員在正常作業(yè)中時(shí)常會(huì)發(fā)生觸電安全事故，鐵路線路的絕緣設(shè)施老化現(xiàn)象較為嚴(yán)重，在一定程度上對(duì)高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)產(chǎn)生影響[1]。當(dāng)前，我國的高鐵基本采取的是綜合接地的方法，以避免雷擊危害的產(chǎn)生，即在線路的局部位置打接地極，對(duì)接地電阻進(jìn)行高標(biāo)準(zhǔn)的要求。現(xiàn)階段的高速鐵路運(yùn)輸作業(yè)過程中，當(dāng)高速鐵路線路遭受雷電襲擊時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的電流，在有限區(qū)域內(nèi)進(jìn)行泄流作業(yè)，會(huì)使接地電阻超過正常值范圍，導(dǎo)致高速鐵路線路的絕緣子出現(xiàn)一定的閃絡(luò)現(xiàn)象。

1.2 對(duì)直擊雷布置的相關(guān)防護(hù)問題分析

高速鐵路中配置的牽引供電系統(tǒng)，在電壓等級(jí)上基本與35kV 等級(jí)的電力系統(tǒng)相當(dāng)，在針對(duì)防雷措施研究制定的過程中，可以借鑒35kV 電壓等級(jí)的輸電線路技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并與鐵路牽引供電接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合。若在高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)線路中未能全部配置防雷設(shè)備時(shí)，則應(yīng)對(duì)接觸網(wǎng)中的關(guān)鍵性部件加設(shè)防雷設(shè)備。高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中基本會(huì)建設(shè)高架橋來穿越特殊地貌，其接觸網(wǎng)的布置應(yīng)參考110kV 架空線布設(shè)標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)施，若未布置防雷設(shè)施，因其高度原因極易遭受直擊雷的襲擊。一般來說，在遭遇直擊雷時(shí)會(huì)從三個(gè)方面侵入，當(dāng)承力索遭受直擊雷襲擊時(shí)，雷電擊中時(shí)其腕臂絕緣子會(huì)產(chǎn)生一定的閃絡(luò)現(xiàn)象；正饋線遭受直擊雷襲擊時(shí)懸式絕緣子會(huì)產(chǎn)生閃絡(luò)現(xiàn)象；一旦發(fā)生反擊時(shí)，正饋線絕緣子和承力索絕緣子均會(huì)發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象[2]。

1.3 區(qū)域間不同標(biāo)準(zhǔn)的雷電防護(hù)差異問題分析

在不同的地區(qū)之間，對(duì)于雷電防護(hù)以及土壤的參數(shù)存在一定的差異性。在對(duì)高速鐵路項(xiàng)目的設(shè)計(jì)建設(shè)過程中，鐵路線路呈現(xiàn)出線路長、范圍廣且跨度較大的特點(diǎn)，在高速鐵路線路沿線，一般會(huì)存在較多的土壤參數(shù)信息，不同的土壤參數(shù)信息對(duì)于雷電所造成的危害強(qiáng)度也存在一定的差異性，因此，在針對(duì)雷電直擊進(jìn)行防護(hù)過程中應(yīng)有針對(duì)性地、因地制宜地進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。在實(shí)際操作過程中對(duì)部分區(qū)域差異性情況考慮不夠，使得雷電防護(hù)措施制定得不夠完善，防護(hù)雷電的功能性發(fā)揮得不夠充分。

2 高速鐵路的牽引供電接觸網(wǎng)雷電防護(hù)的相關(guān)要求及重要性分析

首先，高速鐵路中牽引供電接觸網(wǎng)布設(shè)的區(qū)域不同，周邊環(huán)境存在一定的差異，使得其積累電流的相關(guān)強(qiáng)度也存在高低區(qū)別。針對(duì)此類現(xiàn)象，應(yīng)在分析設(shè)計(jì)工作中不斷加強(qiáng)差異化技術(shù)策略分析，將針對(duì)雷擊防護(hù)以及跳閘次數(shù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行充分融合，在不同的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，利用數(shù)據(jù)信息制定出符合區(qū)域性質(zhì)的技術(shù)方案。其次，對(duì)牽引供電接觸網(wǎng)的雷電保護(hù)工作并不是一件單一性的工程，在對(duì)其進(jìn)行雷電防護(hù)時(shí)需要從全局進(jìn)行整體考慮，防護(hù)雷電策略應(yīng)做到全方位、全面性，規(guī)避在區(qū)域連接過程中的技術(shù)性錯(cuò)誤，給行車安全帶來一定的隱患。最后，針對(duì)整體性的雷電防護(hù)工作，不僅要考慮到地區(qū)間的差異，同時(shí)還要對(duì)其遭受雷擊的時(shí)間范圍進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，將分析出來的數(shù)據(jù)及時(shí)應(yīng)用到整體設(shè)計(jì)中，制定出最契合線路特點(diǎn)的雷電防護(hù)策略。牽引供電接觸網(wǎng)示意圖見圖1。

圖1 高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)示意圖

當(dāng)高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)被雷電擊中時(shí)，會(huì)直接切斷高速火車的供電，影響高速火車的正常運(yùn)營，同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生列車安全事故，嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接出現(xiàn)人員傷亡并造成較大的經(jīng)濟(jì)損失[3]。在以往的火車運(yùn)營發(fā)展歷程中，因遭受雷擊造成行車事故的現(xiàn)象不勝枚舉，例如甬臺(tái)溫特鐵路事故發(fā)生時(shí)僅7min，遭受雷擊的次數(shù)約百余次。由此可見，防雷策略的研究分析對(duì)于保障高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)有重要意義。

3 牽引供電接觸網(wǎng)的防雷體系概念和原則分析

高速鐵路中牽引供電設(shè)施主要包括變電設(shè)施、接觸網(wǎng)設(shè)施以及遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)施等。其中，變電設(shè)施主要由變電所、開閉所以及分區(qū)所三部分組成。牽引供電接觸網(wǎng)的主要作用在于保障不間斷行車供電，牽引供電能力只有在和高速鐵路運(yùn)輸能力相匹配時(shí)，才能滿足高速火車的密度、運(yùn)行速率以及重量方面的相關(guān)要求[4]。當(dāng)前，盡管我國的變電設(shè)施方面的防雷技術(shù)相對(duì)完善，在安裝防雷設(shè)備時(shí)，僅在較為關(guān)鍵的區(qū)域和部分安裝了避雷設(shè)施，例如在高速鐵路的火車隧道口和變電站出入口等地方。在修建高速鐵路軌道時(shí)，通常采用高架的方法通過河流或者谷地區(qū)域，由于高架中接觸網(wǎng)支柱結(jié)構(gòu)基本上和橋墩的鋼筋結(jié)構(gòu)相互連接，一般情況下，在接觸電阻處會(huì)存在一定的缺陷，容易發(fā)生絕緣閃絡(luò)現(xiàn)象。因此，搭建高速鐵路的防雷體系除了在關(guān)鍵區(qū)域和部件處增設(shè)避雷設(shè)施外，還需對(duì)高架橋以及其他可能遭受雷擊的區(qū)域增設(shè)避雷設(shè)施，以保障高速火車的運(yùn)營安全，為高速鐵路的正常運(yùn)行秩序提供基礎(chǔ)保障。

在防雷原則中，首先，需區(qū)別分析客運(yùn)以及客貨混合運(yùn)輸線路的供電方案，有針對(duì)性地制定各線路的防雷策略，確定各個(gè)線路的供電方案。其次，防雷策略的明確還需對(duì)區(qū)間和站場(chǎng)的差異化特點(diǎn)進(jìn)行綜合考量，將收集到的實(shí)際跳閘數(shù)據(jù)和雷區(qū)劃分相結(jié)合。最后，發(fā)揮避雷針以及避雷線的設(shè)備優(yōu)勢(shì)，在綜合考慮地質(zhì)條件差異、氣候差異的基礎(chǔ)上，確定科學(xué)合理的布設(shè)范圍和密度，發(fā)揮高速鐵路的經(jīng)濟(jì)效益，保障運(yùn)輸安全。

4 高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)的雷電防護(hù)策略分析

在對(duì)高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，接觸網(wǎng)常常會(huì)受到區(qū)域地形地質(zhì)、天氣等方面的影響，對(duì)線路區(qū)域進(jìn)行地域信息收集整理工作。為避免出現(xiàn)異常和損壞，應(yīng)對(duì)其電壓值及地面設(shè)計(jì)工作引起重視，確定接觸網(wǎng)的電磁感應(yīng)。為了規(guī)避雷電對(duì)于高速鐵路運(yùn)營產(chǎn)生的負(fù)面影響，杜絕安全隱患產(chǎn)生，在對(duì)高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)雷電防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵循相關(guān)原則和標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行，積極應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)手段規(guī)避安全事故的發(fā)生[5]。

4.1 對(duì)牽引供電接觸網(wǎng)進(jìn)行分析和計(jì)算

當(dāng)高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)布設(shè)環(huán)境中存在雷電日較多的區(qū)域時(shí)，可能遭受雷電襲擊的概率就會(huì)大幅度上升。一般情況下，每平方公里內(nèi)地面遭受雷擊的頻次是隨著年平均雷電日數(shù)量增加而增大的，因此，須對(duì)遭受雷擊的次數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，可以按照國際大電網(wǎng)會(huì)議推薦的算法進(jìn)行運(yùn)算分析。當(dāng)供電接觸網(wǎng)遭受雷擊時(shí)，雷電襲擊產(chǎn)生的雷電流就會(huì)流經(jīng)支柱接觸地面，流經(jīng)過程中支柱會(huì)產(chǎn)生沖擊過電壓，沖擊過電壓、支柱接地電阻、雷電增幅值、等值電感之間呈現(xiàn)出非線性的正比特點(diǎn)[6]。此外，由于遭受雷擊現(xiàn)象會(huì)使電磁場(chǎng)發(fā)生變化并形成與雷電流極相反的感應(yīng)電壓，該感應(yīng)電壓的幅值將隨著雷流的平均數(shù)值以及通過接觸網(wǎng)供電線路的高度增大而上升。此外，當(dāng)接觸網(wǎng)支柱的接地電阻大幅度上升時(shí)，雷電流幅值和絕緣子閃絡(luò)現(xiàn)象的可能性也相應(yīng)上升。

4.2 牽引供電接觸網(wǎng)的防雷措施分析

首先，應(yīng)加強(qiáng)線路中多雷雨區(qū)域以及相對(duì)開闊區(qū)域、高架橋等地段上的雷擊防御意識(shí)，在設(shè)置絕緣避雷針和避雷線等設(shè)備工作中，應(yīng)根據(jù)區(qū)域內(nèi)接觸網(wǎng)的所遭受通信設(shè)備的雷電強(qiáng)度和實(shí)際線路跳閘數(shù)等實(shí)際狀況，對(duì)所布設(shè)的防雷接地設(shè)備密度進(jìn)行確定，同時(shí)可與放電間隙適當(dāng)結(jié)合，對(duì)雷擊情況加以有效防范。

其次，必須在區(qū)間牽引電力接觸網(wǎng)線路的頂部布置避雷線，避雷線的布置數(shù)量必須根據(jù)雷電日數(shù)量來加以判斷，借助數(shù)據(jù)公式運(yùn)算得出避雷針和避雷線有效設(shè)防區(qū)域。

再次，對(duì)接觸網(wǎng)柱兩側(cè)的高壓帶電區(qū)域，主要通過在柱頂布線的方法對(duì)直擊雷現(xiàn)象加以防范，以降低直擊雷對(duì)高壓區(qū)域造成的放電量影響。

最后，通過架設(shè)的避雷線絕緣和避雷針單獨(dú)接地的方式，減少支柱直擊雷和反擊雷等對(duì)高壓部分放電量造成的負(fù)面影響。需要注意的是，在站場(chǎng)接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)周圍所設(shè)置的防雷接地裝置，如果可以與附近的建筑物防雷設(shè)備有效融合，將在一定程度上提高防范雷擊的功能，也可以在車站接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)中相對(duì)關(guān)鍵的部位單獨(dú)加設(shè)防雷設(shè)備，以取得更好的防雷作用，保障接觸網(wǎng)可靠性供電的正常運(yùn)轉(zhuǎn)[7]。

4.3 絕緣子破壞的保護(hù)性方法

當(dāng)高速鐵路中接觸網(wǎng)的絕緣子在遭受雷擊時(shí)，會(huì)因雷電電流產(chǎn)生一定的閃絡(luò)現(xiàn)象，絕緣子工頻閃絡(luò)不斷就會(huì)造成損壞，給鐵路運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失。因此，針對(duì)接觸網(wǎng)中的絕緣子進(jìn)行保護(hù)也是其中的主要方面，通常情況下，可把保護(hù)縫隙安裝在水平絕緣子和懸式絕緣體上，還可以在保護(hù)縫隙上安裝避雷針或定位雷擊閃絡(luò)，借此疏散工頻電弧從而達(dá)到防護(hù)絕緣子的作用。應(yīng)用該方式保護(hù)絕緣子，在發(fā)生雷擊時(shí)有較大概率會(huì)產(chǎn)生跳閘現(xiàn)象。

4.4 加強(qiáng)雷電監(jiān)測(cè)并實(shí)行差異化防雷作業(yè)

在高速鐵路中應(yīng)用的雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種在線形式的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)、全方位、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是當(dāng)前階段應(yīng)用極為有效的雷電監(jiān)測(cè)手段。需注意因地區(qū)區(qū)域性差異以及實(shí)際地質(zhì)情況的不同，雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的適用性和精確性還有待進(jìn)一步提升，在地區(qū)應(yīng)用中應(yīng)采取差異化、針對(duì)性的雷電防護(hù)措施，確定雷電參數(shù)并在直擊雷和感應(yīng)雷的防護(hù)上實(shí)現(xiàn)差異化應(yīng)用。

5 結(jié)語

高速鐵路快速發(fā)展的前提是能夠安全平穩(wěn)地運(yùn)行，當(dāng)前，高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)的雷電防護(hù)技術(shù)，需積極應(yīng)用較為先進(jìn)的技術(shù)手段，制定出適宜的防雷措施，不斷提升接觸網(wǎng)的抗雷擊能力，為高速鐵路的運(yùn)營提供基礎(chǔ)性保障。高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)的安全可靠性直接關(guān)系到高速鐵路的正常運(yùn)營。因此，在深入理解和掌握防雷體系概念及重要性的基礎(chǔ)之上，不斷增強(qiáng)相關(guān)部門和人員的防雷意識(shí)。針對(duì)當(dāng)前高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)防雷體系中存在的不足之處，應(yīng)從正饋線以及承力索防雷技術(shù)、避雷線過電壓、絕緣子保護(hù)等方面不斷研究和分析防雷技術(shù)要點(diǎn)，搭建雷電監(jiān)測(cè)差異化防護(hù)工作體系，以此提升高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)的防雷擊能力。