高速鐵路接觸網(wǎng)智能避雷線方案研究

古曉東

高速鐵路接觸網(wǎng)智能避雷線方案研究

古曉東

提出高速鐵路接觸網(wǎng)光纖復(fù)合架空避雷線設(shè)計(jì)、架設(shè)方案以及光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝方案，結(jié)合運(yùn)營(yíng)維護(hù)需求提出可行的監(jiān)測(cè)方案，滿足故障實(shí)時(shí)報(bào)警和精確定位要求，并通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步提升架空導(dǎo)線的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

接觸網(wǎng)；光纖復(fù)合架空地線；避雷線

The paper puts forward the scheme for design and erection of optical fiber composite aerial lightning wires and the scheme for installation of optical fiber monitoring system,proposes feasible monitoring scheme with connection of operation and maintenance requirements,they are able to meet the real time failure alarm and accurate locating requirements,and improve thedesign quality of aerial conductorsassisted with themonitoring data.

OCS;optical fiber compositeground wire;lightning conductor

0 引言

高速鐵路接觸網(wǎng)防雷問題一直是研究的熱點(diǎn)之一，根據(jù)目前的研究成果，結(jié)合高鐵接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)優(yōu)先選用架空避雷線作為防雷措施[1]。目前，國(guó)內(nèi)接觸網(wǎng)架空避雷線一般采用鍍鋅鋼絞線或鋁包鋼芯鋁絞線，防雷效果良好。但避雷線斷線后無法及時(shí)判斷故障點(diǎn)，同時(shí)，由于缺乏對(duì)架空導(dǎo)線實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的掌控，在極端氣候條件下存在與其他帶電線索絕緣距離不足等問題，對(duì)接觸網(wǎng)安全運(yùn)行構(gòu)成隱患。

為解決上述問題，研究并建立接觸網(wǎng)智能避雷線系統(tǒng)非常必要。智能避雷線系統(tǒng)包括避雷線和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2部分。避雷線采用光纖復(fù)合架空地線（簡(jiǎn)稱OPGW），監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用光纖監(jiān)測(cè)。OPGW為傳統(tǒng)架空地線與光纖的二合一結(jié)合體，兼具通信和架空地線雙重功能，目前已在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。利用OPGW作為架空避雷線，既能滿足防雷要求，又能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)和故障報(bào)警功能，具有良好的技術(shù)性能。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于OPGW的接觸網(wǎng)智能避雷線方案由OPGW架設(shè)方案和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝方案2部分組成，其主要功能如下：

（1）防止雷電直擊接觸網(wǎng)，兼防感應(yīng)雷；

（2）對(duì)避雷線的溫度、應(yīng)力、斷線情況進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，具備數(shù)據(jù)記錄和歷史數(shù)據(jù)分析功能；

（3）可對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行精確定位，具備即時(shí)報(bào)警功能。

避雷線在線監(jiān)測(cè)原理是通過在接觸網(wǎng)上方架設(shè)OPGW，并與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接構(gòu)成回路。光纖傳感的靈敏度較高，可用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕等惡劣環(huán)境。光纖能實(shí)現(xiàn)對(duì)磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等物理量的測(cè)量。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過對(duì)光纖信號(hào)的監(jiān)控，監(jiān)測(cè)避雷線的運(yùn)行狀態(tài)。由于車站內(nèi)站房等高大建筑物可對(duì)接觸網(wǎng)設(shè)施起到一定防護(hù)作用，因此車站內(nèi)一般不需架設(shè)避雷線，僅考慮在區(qū)間架設(shè)。上下行避雷線在區(qū)間末端并聯(lián)，再通過光纖與變電所內(nèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接。一般線路的區(qū)間長(zhǎng)度不超過50 km，采用一套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)即可滿足整個(gè)區(qū)間的監(jiān)測(cè)要求。典型區(qū)間智能避雷線系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 典型區(qū)間智能避雷線系統(tǒng)示意圖

2 OPGW架設(shè)方案

2.1 OPGW的規(guī)格選用

OPGW由傳統(tǒng)絞線和光纖組成，其典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 OPGW典型結(jié)構(gòu)

OPGW外層由絞線組成，內(nèi)層由不銹鋼管和光纖組成。在確定適用于接觸網(wǎng)架空避雷線的OPGW規(guī)格時(shí)應(yīng)考慮以下因素：

（1）安裝。從安裝角度，OPGW的重量、抗拉強(qiáng)度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)張力、弛度以及支柱容量要求。同時(shí)，OPGW應(yīng)具有良好的服役性能，不低于常規(guī)避雷線的使用壽命。

（2）電氣特性。作為架空避雷線，OPGW的橫截面和材質(zhì)應(yīng)滿足雷擊泄流要求，以保護(hù)接觸網(wǎng)設(shè)備。

（3）監(jiān)測(cè)功能。為實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能，在線路各種工況下，OPGW的光纖均應(yīng)滿足監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求。

基于上述3方面因素，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)接觸網(wǎng)架空避雷線的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，OPGW的規(guī)格可選用GJ-50（Zn-5%Al-RE GJ 1×19-9-1270-B），內(nèi)層采用8芯光纖。

2.2 OPGW的安裝方案

OPGW的安裝形式可參照《高速鐵路牽引供電系統(tǒng)雷電防護(hù)技術(shù)導(dǎo)則》（鐵總運(yùn)[2016]237號(hào)）中的安裝方案[2]，典型安裝示意如圖3所示。

圖3 OPGW典型安裝示意圖

導(dǎo)線的安裝高度根據(jù)具體線路的土壤電阻率、線路沿線地閃分布、接觸網(wǎng)導(dǎo)線對(duì)地高度等因素確定。高速鐵路一般采用綜合接地系統(tǒng)，在設(shè)備支柱上安裝OPGW時(shí)，應(yīng)采用絕緣懸掛方式，其他可采用非絕緣安裝。OPGW應(yīng)與鋼支柱可靠連接，鋼支柱再與綜合接地系統(tǒng)可靠連接。

為實(shí)現(xiàn)雷電流泄放通道冗余，避雷線除每隔不大于500 m單獨(dú)設(shè)置一處引下線外，在隔離開關(guān)支柱兩側(cè)鄰近支柱處再各設(shè)置一處引下線，通過接地引下線將避雷線與基礎(chǔ)上預(yù)留的接地端子相連，引下線采用1×VV-1kV-1×70銅芯電纜。防雷接地引入綜合地線的連接點(diǎn)與通信、信號(hào)及其他電子信息系統(tǒng)在貫通地線上的接入點(diǎn)間的水平距離不應(yīng)小于15 m[6]。

OPGW的施工架設(shè)不同于普通鋼絞線，為了不影響光纖的性能，需防止永久損傷，并注意OPGW的扭轉(zhuǎn)、微彎、線夾外的局部徑向壓力和對(duì)光纖的污染。相比常規(guī)的架空避雷線，OPGW的施工安裝還需考慮以下因素：

（1）防振措施設(shè)計(jì)。OPGW配套使用的金具中，耐張線夾為預(yù)絞絲式，懸垂線夾配有預(yù)絞絲和橡膠襯墊，這2種金具已具有一定的防振能力。為進(jìn)一步加強(qiáng)防振效果，可考慮安裝防振錘。防振錘是為了減小風(fēng)振的影響，保護(hù)OPGW本體并延長(zhǎng)其使用壽命，其放置在每根支柱的耐張、懸垂金具兩側(cè)，配置數(shù)量和掛點(diǎn)位置需根據(jù)線路情況確定。

（2）防止OPGW扭轉(zhuǎn)。架線時(shí)，在走板和緊線夾處加裝平衡錘、防扭器，并采用特殊的雙槽滑輪。放線采用雙絞盤張力放線機(jī)。

（3）防止并減少OPGW的微小彎曲及應(yīng)力。架線過程中不允許出現(xiàn)銳角，且OPGW纜盤直徑不宜小于1 500 mm；放線滑輪直徑應(yīng)為OPGW直徑的25倍以上，一般不得小于500 mm；滑輪的內(nèi)側(cè)需加裝尼龍或橡膠襯墊，防止擦傷OPGW表面。

（4）放線張力控制。采用帶張力釋放裝置的液壓張力放線機(jī)和牽引機(jī)，控制放線速度≤0.5 m/s。

（5）防止光纖污染。架設(shè)OPGW一般選用金屬外殼的帽式架空通信光纜接頭盒，以達(dá)到良好的耐電磁老化、抗外力損傷及防水等性能。在OPGW施工架設(shè)中應(yīng)對(duì)端頭加以封裝。在OPGW運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)前、架設(shè)完畢進(jìn)行光纖接續(xù)前及全線施工結(jié)束后，均需在現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)進(jìn)行OPGW的光纖衰耗驗(yàn)收測(cè)試。開通驗(yàn)收前應(yīng)進(jìn)行全程的光纖測(cè)試，包括線路長(zhǎng)度、光纖衰耗特性、接續(xù)衰耗等，并完成測(cè)試報(bào)告，為開通驗(yàn)收做準(zhǔn)備。

OPGW架設(shè)完成后，在線索的末端進(jìn)行光纖接續(xù)，通過敷設(shè)光纖與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝方案

光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在通信、電力行業(yè)已被廣泛應(yīng)用，為較成熟的設(shè)備，壽命周期長(zhǎng)且基本免維護(hù)。避雷線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)光端機(jī)和RTU（遠(yuǎn)程終端單元），與線路上的光纖形成回路，通過監(jiān)測(cè)光纖信號(hào)，判別避雷線的工作狀態(tài)。其基本原理如圖4所示。

圖4 避雷線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

為節(jié)約用地，方便維護(hù)管理，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可在變電所、分區(qū)所或AT所內(nèi)安裝，與所內(nèi)其他設(shè)備相互獨(dú)立。所內(nèi)安裝示意如圖5所示。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可置于所內(nèi)的通信機(jī)房，設(shè)備尺寸為600 mm（寬）×1 000 mm（長(zhǎng)）×2 100 mm（高），采用一路220 V交流電源。由于光纖具有抗電磁干擾特性，進(jìn)所光纖可與進(jìn)所電纜同溝敷設(shè)。

圖5 所內(nèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝示意

4 監(jiān)測(cè)方案

為滿足運(yùn)營(yíng)維護(hù)需要，避雷線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)具備以下功能：

（1）斷線故障報(bào)警功能。為及時(shí)排除故障，縮小故障影響范圍，需對(duì)避雷線斷線故障進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警并精確定位。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中輸入避雷線所在區(qū)間的接觸網(wǎng)平面布置數(shù)據(jù)，包括接觸網(wǎng)支柱里程、桿號(hào)等信息，當(dāng)避雷線遭遇雷擊時(shí)，通過光纖故障測(cè)距，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)雷擊點(diǎn)的精確定位。

（2）實(shí)現(xiàn)無人值守。目前變電所、分區(qū)所、AT所正在逐步實(shí)現(xiàn)無人值守，如單獨(dú)為避雷線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配備值守人員將造成極大的浪費(fèi)。為節(jié)約人力成本，提高維護(hù)效率，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可通過內(nèi)置通訊模塊實(shí)現(xiàn)無人值守，結(jié)合運(yùn)營(yíng)單位的管理模式，通過網(wǎng)頁客戶端、手機(jī)APP等形式，及時(shí)將故障信息告知運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員。

（3）運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除可監(jiān)測(cè)雷擊故障外，還可監(jiān)測(cè)避雷線的溫度、應(yīng)力、振動(dòng)狀況。通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可積累大量運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析架空導(dǎo)線在高溫、覆冰、大風(fēng)等各種工況下的運(yùn)行狀態(tài)，更好地掌握架空導(dǎo)線的工作規(guī)律，為今后進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

高速鐵路系統(tǒng)正在向智能鐵路方向發(fā)展，而智能化離不開數(shù)據(jù)的支持?；贠PGW的高速鐵路接觸網(wǎng)智能避雷線方案可實(shí)時(shí)提供避雷線運(yùn)行數(shù)據(jù)，為建設(shè)智能接觸網(wǎng)系統(tǒng)提供支撐。該方案既可保證雷電防護(hù)效果，還可實(shí)現(xiàn)故障的實(shí)時(shí)自動(dòng)報(bào)警。同時(shí)，通過積累大量的架空避雷線運(yùn)行數(shù)據(jù)，可為進(jìn)一步提升同類型架空導(dǎo)線的設(shè)計(jì)質(zhì)量提供基礎(chǔ)資料。該方案由于安裝條件不高，施工對(duì)既有線運(yùn)營(yíng)影響較小，不僅適用于新建線路，同時(shí)也適用于既有線增設(shè)避雷線項(xiàng)目。目前，該系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)中已有大量應(yīng)用案例，鐵路領(lǐng)域在廣深港鐵路等項(xiàng)目中已開始應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)反饋效果良好。通過不斷地積累經(jīng)驗(yàn)和研究總結(jié)，OPGW在鐵路電氣化領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的應(yīng)用前景。

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U226.8+3

A

1007-936X(2017)06-0036-04

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.06.010

古曉東.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，工程師，研究方向?yàn)殡姎饣F路接觸網(wǎng)。

課題項(xiàng)目：中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃重大課題《高速鐵路接觸網(wǎng)故障預(yù)測(cè)與健康管理》（2015J008-A）。