高速铁路接触网防雷措施分析

2022-04-29张晓武

运输经理世界 2022年18期

张晓武

（中铁第五勘察设计院集团有限公司郑州分院，河南郑州 450001）

0 引言

接触网是牵引供电系统的重要组成部分。因为接触网一般都会直接裸露在大自然中，不但老化及受损概率较大，甚至还很容易受到雷击。高速铁路接触网如果受到雷击，侵入波过电压就会通过接触网直接进入牵引变电所，造成电力设备损伤。因此面对此类情形，应对高速铁路接触网的防雷设计予以高度重视，并采取相应的防雷保护措施，更好地避免高速铁路接触网雷击事故发生，维护高速铁路运营的安全与稳定性。

1 国内外高速铁路防雷设计现状分析

1.1 国外高速铁路防雷设计现状

以日本为例，日本在高速铁路防雷设计过程中，结合高速铁路线路的重要程度以及被雷击频率，将防雷等级设定为3 级，并针对不同的防雷等级设计不同的防雷措施。

其中在A 级区全线接触网架设了架空避雷线，与此同时，还将避雷器分别设置于接触网线路隔离开关、架空式地线终端和牵引变电站出口等地方，并通过避雷装置来强化对相应地方的防护能力；在B 级区，日本则对部分重要地点沿接触网线架设了架空避雷线，其对避雷器位置的设定也与A 级区基本一致；在C 级区，则通常只在相关的电缆结构、接触网线路隔离开关以及变电站出口等地方设有避雷器位置，未架设架空避雷线。再以德国为例，在高速铁路防雷设计中，德国更多的是借助避雷器来规避雷电冲击过电压。在设计过程中，由于避雷器对过电压的保护能力有限，通常仅在雷电频发的地区设置避雷器，对接触网避雷装置的应用并不常见。

1.2 国内高速铁路防雷设计现状

我国的高速铁路接触网防雷设计通常会结合雷电日的数量分为4 个等级：以年为单位，雷日大于60d为强雷区，40～60d 为较高雷区，20～40d 为较多雷区，20d 以下为较低雷区。所采取的防雷措施，大多是架设架空避雷线和设置避雷器等。除此以外，还采取了必要的接地保护措施，更好地保证了防雷效果。针对不同级别的区域，可以选择不同的防雷设计方法，并由此来保证高速铁路接触网的防雷有效性。在防雷设计过程中，既要保证高速铁路接触网线路防雷措施的实效性，又要综合考虑方法与措施的经济效益，并最终选择最佳方法。

2 高速铁路接触网防雷措施经济性分析

高速铁路接触网的防雷措施不仅要保障防雷效果，同时还要充分考虑经济性。不同的防雷措施，经济性也不相同，具体表现在以下方面。

2.1 设置避雷器

线路避雷器的应用十分广泛，尤其在电力系统输电线路保护中的应用效果十分显著。而这种方式也可以直接用于高速铁路接触网防雷之中，可以将避雷器直接安装在接触网上，使其对接触网起到有效地保护作用。安装在接触网上的避雷器应确保其重量较轻，并且体积较小，这样才能降低支柱的机械负荷。另外，还需要应用结构更加紧凑的避雷器，这样才能为避雷器的更换以及安装施工等提供便利。在接触网上设置避雷器，应注重增大避雷器的保护距离，这样可以降低避雷器设置的密度，节约高速铁路接触网防雷保护成本。由于避雷器安装施工环境条件复杂，通常都会涉及山区等位置，不仅安装施工难度大，而且避雷器的维护、更换等工作也会面临巨大的挑战，因此要保障所选用的避雷器的质量和性能，尤其是对避雷器的机械强度和密封性能的要求更高。理论上来讲，在所有支柱上安装避雷器的防雷效果最佳，但是这种方式的经济成本过高。因此，应选择在风口以及山顶等位置的支柱上安装避雷器，既能起到有效的防雷保护作用，也能降低防雷保护成本，更具经济性。另外，针对那些安全风险高的支柱也需要设置避雷器，以免因闪络问题造成严重损失和危害。

2.2 架设避雷线

借助避雷线可以起到屏蔽作用，在很大程度上降低直击雷的风险。在接触网与避雷线之间的耦合作用下，可以大幅度削弱雷电压幅值，避免绝缘子击穿闪络现象的发生。目前，我国针对避雷线的架设方式主要有三种。针对无加强线的区段，通常在支柱顶部设置架空地线肩架，高度控制在1m，新增1 根架空地线。这种方式不仅结构简单，而且成本相对较低，同时也能起到有效的保护作用。但是这种方式也存在一定弊端和不足，如会导致支柱承重增加。针对有加强线的区段，因为加强线的位置最高，因此落雷的概率更大。针对这种情况，应将加强线与T 线之间的电连接去除。

与此同时，还要在每个加强线固定点位置将加强线内支柱绝缘子短接，并且将电气连接线设置在接地螺栓间，起到泄流通路的作用。除了以上两种避雷线架设方式之外，还可以采用抬高PW 线的方式，通过抬高PW 线，可以使其兼作避雷线。具体而言，需要将PW 线抬高至F 线以上，这样一来，既不会影响PW线的初始作用，也能为其新增避雷功能，这种方式的经济性较高，值得推广应用。

2.3 并联间隙

并联间隙是指在接触网绝缘子上加装并联间隙。在发生雷击时，放电间隙之间的空气首先击穿，电弧不从绝缘子表面经过，避免对绝缘子表面造成烧蚀，起到保护绝缘子的重要作用，同时也能避免影响线路的安全性。

并联间隙造价低廉，因此成本较低，即使安装的密度大，也不会造成更大的经济压力。可以结合防雷保护的需求，适当增加安装密度，甚至可以在每个支柱上都安装并联间隙。由此可见，这种方式的经济性较高，并且作用也十分显著。但是安装并联间隙也存在一定的不足，由于放电间隙击穿电压远远小于绝缘子电压，会影响到接触网的绝缘水平，导致雷击跳闸频率提高。因此安装并联间隙的方式并不适合重要线路。在安装并联间隙时，需要结合实际需求，将并联间隙的负面影响降到最低，充分发挥其防雷保护的作用。

3 高速铁路接触网的防雷措施优化

3.1 优化接触网安装形式

目前，中国高速铁路的供电系统方案大多是AT供电系统，而且还会在PW 线路的上部设置AF 线路。在这种设置形式下，计算接触网的直接落雷闪络概率，必须利用先导发展模式和电气集合模式。在具体的推算步骤中，采用绝缘子——U50% 为闪络判据。与此同时，也要根据雷暴日进行推算。接触网的雷击闪络次数的影响因素较多，但最主要的影响因素是接触网线路的暴露宽度和地闪密度。因此在计算过程中，地闪密度以及线路的暴露宽度是重要的参数之一。在计算过程中，要得到线路百公里年闪络次数，将线路的长度设定为100km 即可。按雷暴日为20d和40d 两种情况计算，具体的计算如公式（1）所

式（1）中：P 表示雷电流幅值概率分布函数；D 表示导线暴露宽度函数；I表示线路的具体耐雷水平；I表示300kA；N表示地闪密度。结合该公式，引入相关参数，便可准确计算出线路雷击闪络次数，其中包括T 线的闪络次数以及AF 线的闪络次数。以10m 高桥梁为例：如果雷暴日为20d，则T 线的百公里年闪络次数为0.41 次，而AF 线的百公里年闪络次数为14.7次；如果雷暴日为40d，则T 线的百公里年闪络次数为1.01 次，而AF 线的百公里年闪络次数为36.19 次。再以15m 高桥梁为例：如果雷暴日为20d，则T 线的百公里年闪络次数为0.41 次，而AF 线的百公里年闪络次数为16.82 次；如果雷暴日为40d，则T 线的百公里年闪络次数为1.01 次，而AF 线的百公里年闪络次数为41.43 次。在实际的安装过程中，采取提高PW 线安装位置的方式，可以使其兼作避雷线。鉴于上文分析，这种方式具有较高的经济价值，还能显著降低线路百公里年闪络次数。在PW 线高于AF 线1.5m 的情况下，保护角α为10时，以10m 高桥梁为例：如果雷暴日为20d，则T 线的百公里年闪络次数为0 次，而AF 线的百公里年闪络次数为0.0005 次；如果雷暴日为40d，则T 线的百公里年闪络次数为0 次，而AF 线的百公里年闪络次数为0.0013 次。再以15m 高桥梁为例：如果雷暴日为20d，则T 线的百公里年闪络次数为0 次，而AF 线的百公里年闪络次数为0.0036 次；如果雷暴日为40d，则T 线的百公里年闪络次数为0 次，而AF 线的百公里年闪络次数为0.0089 次。结合计算结果不难看出，采用调高PW 线安装位置的方式，线路百公里年闪络次数明显降低，并且T 线的闪络次数为0，即完全规避了闪络问题。由此可见，这种方式的效果十分显著，可以对接触网进行有效的防雷保护。

3.2 应用合成绝缘子

在遭受雷击之后，会导致绝缘子烧蚀，进而使接触网难以自动重合闸，影响供电的稳定性。因此，在高速铁路接触网防雷设计过程中，应注重规避绝缘子烧蚀现象的发生，可以借助避雷器以及避雷线来达到这一目的，避免工频电弧以及线路闪络，对绝缘子起到有效的保护作用，降低绝缘子烧蚀现象的发生。除此之外，还可以采取疏导工频电弧的方式对绝缘子进行保护。这两种方式的效果均十分显著，而为了更好地规避绝缘子的烧蚀现象，还应注重提升绝缘子的抗烧蚀能力，这便需要注重对合成绝缘子的应用。目前，合成绝缘子的抗烧蚀能力最强。在发生烧蚀时，硅橡胶材料受热会直接分解成气体。在分解过程中，一方面会吸收一定的热量，降低烧蚀效果；另一方面生成的气体会起到吹弧作用，在气体的作用下，使电弧远离绝缘子，减少对绝缘子的烧蚀。除此之外，合成硅橡胶绝缘子的优势还体现在，受到烧蚀不会立刻炸裂，可以为线路绝缘的恢复创造更多的有利条件，更好地保障线路安全和稳定。相较于瓷绝缘子，合成绝缘子在受到烧蚀后，伞群不会直接脱落，绝缘子依然能够发挥绝缘的作用。瓷绝缘子则不同，在烧蚀之后，伞群会直接脱落，丧失绝缘性能，导致线路的合闸条件丧失，接触网重合闸失败。但是我们也应充分地认识到，虽然合成绝缘子在抗烧蚀方面优势显著，但是并不能完全规避烧蚀带来的负面影响。在烧蚀作用的影响下，材料发生相应的变化。比如，材料中容易分解的成分，在高温的作用下挥发殆尽，同时还会在绝缘子的表面形成氢氧化铝，导致合成绝缘子的抗污性降低。除此之外，烧蚀部分的质量和性能也会受到较大的影响，在后续的使用过程中，容易发生脱落或者破裂等问题，给高速铁路运行安全带来不利影响。合成绝缘子虽然具备一定的优势，但是在受到烧蚀之后，会导致自身的质量和性能下降，因此在后续应用过程中发生破裂等问题的概率增加，容易给线路运行造成不利影响。为避免出现类似的问题，需要根据合成绝缘子的烧蚀情况，定期进行更换，避免发生故障。

3.3 防雷接地设计

接触网支柱通常都为钢材料，钢材料属于导电材料，因此在受到雷击时，即使柱上没有设置避雷器和避雷线，支柱自身也可以作为导体，将电流导入地下。在防雷接地设计过程中，可以构建综合接地系统，使所有的支柱都与地线相连，能够起到更好的防雷保护作用。

在设计过程中，要注重把控防雷接地装置与其他设备在贯通地线的接入点间距。通常情况下，间距应控制在15m 以上，这样才能确保防雷保护效果。除此之外，为了提升设计的经济性，在接地设计过程中，还要组成完善的防雷接地系统，充分借助铁路工程自身以及相关的供电系统。采用综合贯通地线，能够有效提升防雷设计的科学性与有效性。综合贯通地线作为高速铁路沿线所有设备的共同接地体，可以起到更好的防雷保护作用。因此，这种方式的应用比较广泛，是提升高速铁路接触网防雷水平的重要手段。