周海杰

淺析高鐵牽引供電網(wǎng)雷電防護系統(tǒng)設計

周海杰

（中國鐵道科學研究院，北京 100081；中國鐵路武漢局鐵路局集團有限公司武漢供電段，湖北 武漢 434400）

近年來，中國高速鐵路體系得到蓬勃發(fā)展，充分滿足了當前工業(yè)化發(fā)展需求、綜合交通運輸體系的建設需求，緩解了鐵路體系“瓶頸”制約矛盾，具有極為重要的現(xiàn)實意義。但在高速鐵路體系運營過程中，受氣候因素影響，高鐵牽引供電網(wǎng)系統(tǒng)偶遭受雷電流打擊，出現(xiàn)設備損壞、接觸網(wǎng)停電等故障問題，造成嚴重經(jīng)濟損失。為有效解決此問題，規(guī)避雷擊風險，對高鐵牽引供電網(wǎng)雷電防護系統(tǒng)的設計工作進行了簡要分析，以供參考。

高速鐵路；牽引供電網(wǎng)；雷電防護系統(tǒng)；系統(tǒng)設計

1 高鐵牽引供電網(wǎng)耐雷性能分析

1.1 構建模型

1.1.1 絕緣閃絡模型

對絕緣子裝置重復開展放電試驗，檢測絕緣子裝置在承受不同等級標準雷電沖擊而產(chǎn)生的放電電壓，在測試結果基礎上構建絕緣閃絡模型，將其作為閉合控制量的壓控開關。

1.1.2 雷電通道模型

模擬不同雷雨氣候下形成的雷電流波形，由于雷電流增幅值以及雷電通道抗阻二者有著較為緊密的內(nèi)在關聯(lián)，因此，在所構建的雷電通道模型中，可將大雷電流值設定為300，小雷電流值設定為800。

1.1.3 高架橋模型

為精確獲取設計參數(shù)、確保所構建雷電防護系統(tǒng)在實際應用過程中發(fā)揮出預期效果，需對高鐵牽引供電網(wǎng)所加設各處高架橋的箱梁以及橋墩結構進行等比模擬，在其基礎上搭設各類仿真電路。同時，根據(jù)相關施工規(guī)范標準，多數(shù)高架橋工程的鋼筋結構以及接地鋼筋處于捆綁狀態(tài)，因此在高鐵牽引供電網(wǎng)遭受雷電流打擊時，高架橋結構鋼筋將會發(fā)揮一定程度泄放雷電流作用。在高架橋模型建模過程中，應綜合考慮防雷接電體的泄流作用，將高架橋的箱梁內(nèi)部所分布接地鋼筋視作為平行導體，采用導納頻率響應計算公式（或頻率響應計算公式）構建高架橋電路模型。隨后，采用矩量法對所構建的高架橋電路模型以及計算波形進行對照分析，在二者形態(tài)等同狀態(tài)下，即可判定所構建高架橋電路模型準確性。

1.2 雷擊風險評估

高鐵牽引供電網(wǎng)由接觸網(wǎng)、牽引變電所兩部分組成，不同部分遭受雷電流打擊問題的主要成因、途徑之間存在差異。因此，需精確評估高鐵牽引供電網(wǎng)不同構成部分的雷擊損害風險值，在其基礎上針對性開展牽引供電網(wǎng)雷電防護系統(tǒng)設計工作，才能在有效保證列車行駛安全、規(guī)避雷擊風險源的基礎上，有效利用雷電防護資源，確保供電網(wǎng)與設備在遭受雷電流打擊時不會頻繁出現(xiàn)故障、損毀問題。因此，以某區(qū)間高鐵牽引供電網(wǎng)為例，在所采集區(qū)間列車總數(shù)、列車發(fā)車間隔時間、各次列車在供電臂范圍內(nèi)行駛時長、危險區(qū)域途徑時間、雷電事故所引起的停電時間、設備相對損失量等數(shù)據(jù)信息的基礎上，精確計算出高鐵牽引供電網(wǎng)的接觸網(wǎng)、牽引變電所兩部分的雷擊風險，具體如圖1所示。

圖1 牽引供電系統(tǒng)雷擊風險圖

2 高鐵牽引供電網(wǎng)雷電防護系統(tǒng)設計要點

2.1 選擇恰當雷電防護方法

常見牽引供電網(wǎng)的雷電防護方法為安裝避雷器裝置、架設避雷線，根據(jù)高鐵牽引供電系統(tǒng)的實際防雷需求、水平高度、防雷部分選擇適當?shù)睦纂姺雷o方法即可。

其中，安裝避雷器方法指在絕緣子裝置的兩側優(yōu)先加設串聯(lián)間隙避雷器裝置，在牽引供電系統(tǒng)運行過程中，系統(tǒng)大部分工作電壓將在避雷器串聯(lián)間隙處進行聚集，有效預防避雷器電阻片加快老化問題的出現(xiàn)。而在系統(tǒng)遭受雷電流打擊時，避雷器將避免系統(tǒng)與設備受到高瞬態(tài)過電壓的危害，限制其續(xù)流幅值。架設避雷線方法指將牽引供電系統(tǒng)中原有配置的PW線抬升至F線上部區(qū)域，從而發(fā)揮避雷線的引雷防護作用，避免雷電流擊穿系統(tǒng)所配置的一次設備、二次設備。

2.2 正饋線與雷擊承力索防護設計

在正饋線與承力索雷電防護設計層面上，應根據(jù)牽引供電系統(tǒng)的實際運行情況與配置結構，以常規(guī)的110 kV電力系統(tǒng)為設計模板，靈活采用提升保護線、加設回流線、配置適當種類避雷針裝置等設計措施，向正饋線與承力索提供必要雷電防護。例如配置鎧裝電纜的饋線，并在饋線上安裝避雷器，饋線、相連設備可承受更高的脈沖過電壓。從牽引供電網(wǎng)防雷保護系統(tǒng)實際運行角度來看，在中國哈大線中，采用了避雷針防雷措施。而在海南東環(huán)線中，則根據(jù)牽引供電網(wǎng)防雷需求，針對性采用提升回流線工作溫度的措施，使其具備避雷針防雷功能。

2.3 避雷線及雷擊保護線過電壓保護設計

升高保護線是一種常見的雷電防護措施，可為承力索以及正饋線提供雷電防護。但在采用升高保護線或加設避雷線措施后，將會改變接觸網(wǎng)以及正饋線的直擊雷防護形式，具體所轉變形式為感應雷防護與反擊雷防護。其中，感應雷防護指避雷線在遭受雷電流打擊時，接觸網(wǎng)以及正饋線將會產(chǎn)生感應雷防護。而反擊雷防護指支柱或避雷線遭受雷電流打擊，正饋線以及閃絡T線絕緣子將產(chǎn)生反擊雷防護。在接觸網(wǎng)與正饋線的雷電防護形式轉變?yōu)榉磽衾追雷o時，需根據(jù)實際情況適當調節(jié)牽引供電系統(tǒng)的局部區(qū)域接地電阻，或對支柱獨立接地極與避雷器進行適當增強，從而向避雷線、雷擊保護線提供過電壓保護。

2.4 絕緣子防護設計

在牽引供電系統(tǒng)遭受雷電流打擊時，絕緣子裝置在過電壓作用下，極易出現(xiàn)閃絡現(xiàn)象，進而受閃絡工頻影響而導致裝置損毀，或遭受永久性損傷，不但產(chǎn)生了新的牽引供電系統(tǒng)風險源，同時，也造成了嚴重經(jīng)濟損失，需更換全新的絕緣子裝置。針對這一問題，應選擇安裝避雷器/避雷針這一防雷保護措施，在水平絕緣子或懸式絕緣子裝置的兩端設置間隙避雷器?；诶讚糸W絡可對位置進行精確定位，同時發(fā)揮疏導工頻電弧的作用，因此應確保絕緣子裝置不會在閃絡工頻影響下出現(xiàn)嚴重損傷問題。但在采取這一雷電防護措施時，將會對牽引供電系統(tǒng)的線路抗雷性能造成降幅影響。在系統(tǒng)遭受雷電流打擊時，可能產(chǎn)生跳閘現(xiàn)象。

2.5 構建風險評估與自動預警系統(tǒng)

為及時發(fā)現(xiàn)、有效規(guī)避雷電風險，確保高鐵運營安全，需在高鐵牽引供電網(wǎng)雷電防護系統(tǒng)中構建配套的風險評估與自動預警系統(tǒng)，定期監(jiān)測不同高鐵區(qū)段的氣候情況，及時發(fā)現(xiàn)與發(fā)送災害預警信息，評估所存在的雷擊風險系數(shù)、可能造成的損失。采取各項臨時性雷電防護措施，預防設備損毀、線路跳閘、供電網(wǎng)停電等問題出現(xiàn)，將損失程度與所造成負面影響控制在一定范圍內(nèi)。同時，根據(jù)雷電參數(shù)和雷擊故障信息，對感應雷和直擊雷的防護措施進行確定、調整。風險評估與自動預警系統(tǒng)的具體結構如圖2所示。

圖2 牽引供電系統(tǒng)及預警系統(tǒng)示意圖

在高鐵體系運營過程中，氣象部門向牽引供電系統(tǒng)管理部門提供雷電預警服務，組合利用GPS、雷達、大氣電場、探空勘測等技術手段，提前預測各高鐵區(qū)段的雷電氣候出現(xiàn)概率、分布范圍，及時發(fā)送災害氣候預警預報信息。隨后，管理部門在所接收氣象預警信息基礎上，構建雷電災害風險評估模型，精細評估在雷電流打擊下，沿線牽引變電所以及接觸網(wǎng)的受影響程度，鎖定風險較高的區(qū)域及設備，針對性開展系統(tǒng)維護保養(yǎng)、臨災處理及故障恢復工作。

3 結語

綜上所述，牽引供電網(wǎng)作為高速鐵路體系中的重要構成部分，應構建完善的雷電防護體系，評估牽引供電系統(tǒng)各部分雷擊危險系數(shù)，采用上述措施改善牽引供電系統(tǒng)的雷電防護能力。這既是降低牽引供電網(wǎng)故障問題出現(xiàn)率的主要途徑，也是保證列車安全運行、持續(xù)提升高鐵運營水平的必由之路。

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U223.8

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.057

2095－6835（2020）08－0130－02

〔編輯：嚴麗琴〕