淺析高鐵牽引供電網(wǎng)雷電防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周海杰

淺析高鐵牽引供電網(wǎng)雷電防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周海杰

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

近年來(lái)，中國(guó)高速鐵路體系得到蓬勃發(fā)展，充分滿足了當(dāng)前工業(yè)化發(fā)展需求、綜合交通運(yùn)輸體系的建設(shè)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(shí)意義。但在高速鐵路體系運(yùn)營(yíng)過(guò)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(shè)備損壞、接觸網(wǎng)停電等故障問(wèn)題，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。為有效解決此問(wèn)題，規(guī)避雷擊風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)高鐵牽引供電網(wǎng)雷電防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，以供參考。

高速鐵路；牽引供電網(wǎng)；雷電防護(hù)系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 高鐵牽引供電網(wǎng)耐雷性能分析

1.1 構(gòu)建模型

1.1.1 絕緣閃絡(luò)模型

對(duì)絕緣子裝置重復(fù)開(kāi)展放電試驗(yàn)，檢測(cè)絕緣子裝置在承受不同等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊而產(chǎn)生的放電電壓，在測(cè)試結(jié)果基礎(chǔ)上構(gòu)建絕緣閃絡(luò)模型，將其作為閉合控制量的壓控開(kāi)關(guān)。

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(guān)聯(lián)，因此，在所構(gòu)建的雷電通道模型中，可將大雷電流值設(shè)定為300，小雷電流值設(shè)定為800。

1.1.3 高架橋模型

為精確獲取設(shè)計(jì)參數(shù)、確保所構(gòu)建雷電防護(hù)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)揮出預(yù)期效果，需對(duì)高鐵牽引供電網(wǎng)所加設(shè)各處高架橋的箱梁以及橋墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行等比模擬，在其基礎(chǔ)上搭設(shè)各類仿真電路。同時(shí)，根據(jù)相關(guān)施工規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)高架橋工程的鋼筋結(jié)構(gòu)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(shí)，高架橋結(jié)構(gòu)鋼筋將會(huì)發(fā)揮一定程度泄放雷電流作用。在高架橋模型建模過(guò)程中，應(yīng)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(dǎo)體，采用導(dǎo)納頻率響應(yīng)計(jì)算公式（或頻率響應(yīng)計(jì)算公式）構(gòu)建高架橋電路模型。隨后，采用矩量法對(duì)所構(gòu)建的高架橋電路模型以及計(jì)算波形進(jìn)行對(duì)照分析，在二者形態(tài)等同狀態(tài)下，即可判定所構(gòu)建高架橋電路模型準(zhǔn)確性。

1.2 雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(wèn)題的主要成因、途徑之間存在差異。因此，需精確評(píng)估高鐵牽引供電網(wǎng)不同構(gòu)成部分的雷擊損害風(fēng)險(xiǎn)值，在其基礎(chǔ)上針對(duì)性開(kāi)展?fàn)恳╇娋W(wǎng)雷電防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，才能在有效保證列車行駛安全、規(guī)避雷擊風(fēng)險(xiǎn)源的基礎(chǔ)上，有效利用雷電防護(hù)資源，確保供電網(wǎng)與設(shè)備在遭受雷電流打擊時(shí)不會(huì)頻繁出現(xiàn)故障、損毀問(wèn)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(shí)間、各次列車在供電臂范圍內(nèi)行駛時(shí)長(zhǎng)、危險(xiǎn)區(qū)域途徑時(shí)間、雷電事故所引起的停電時(shí)間、設(shè)備相對(duì)損失量等數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，精確計(jì)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(fēng)險(xiǎn)，具體如圖1所示。

圖1 牽引供電系統(tǒng)雷擊風(fēng)險(xiǎn)圖

2 高鐵牽引供電網(wǎng)雷電防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 選擇恰當(dāng)雷電防護(hù)方法

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

其中，安裝避雷器方法指在絕緣子裝置的兩側(cè)優(yōu)先加設(shè)串聯(lián)間隙避雷器裝置，在牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)大部分工作電壓將在避雷器串聯(lián)間隙處進(jìn)行聚集，有效預(yù)防避雷器電阻片加快老化問(wèn)題的出現(xiàn)。而在系統(tǒng)遭受雷電流打擊時(shí)，避雷器將避免系統(tǒng)與設(shè)備受到高瞬態(tài)過(guò)電壓的危害，限制其續(xù)流幅值。架設(shè)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(hù)作用，避免雷電流擊穿系統(tǒng)所配置的一次設(shè)備、二次設(shè)備。

2.2 正饋線與雷擊承力索防護(hù)設(shè)計(jì)

在正饋線與承力索雷電防護(hù)設(shè)計(jì)層面上，應(yīng)根據(jù)牽引供電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況與配置結(jié)構(gòu)，以常規(guī)的110 kV電力系統(tǒng)為設(shè)計(jì)模板，靈活采用提升保護(hù)線、加設(shè)回流線、配置適當(dāng)種類避雷針裝置等設(shè)計(jì)措施，向正饋線與承力索提供必要雷電防護(hù)。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(shè)備可承受更高的脈沖過(guò)電壓。從牽引供電網(wǎng)防雷保護(hù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行角度來(lái)看，在中國(guó)哈大線中，采用了避雷針?lè)览状胧６诤Ｄ蠔|環(huán)線中，則根據(jù)牽引供電網(wǎng)防雷需求，針對(duì)性采用提升回流線工作溫度的措施，使其具備避雷針?lè)览坠δ堋?/p>

2.3 避雷線及雷擊保護(hù)線過(guò)電壓保護(hù)設(shè)計(jì)

升高保護(hù)線是一種常見(jiàn)的雷電防護(hù)措施，可為承力索以及正饋線提供雷電防護(hù)。但在采用升高保護(hù)線或加設(shè)避雷線措施后，將會(huì)改變接觸網(wǎng)以及正饋線的直擊雷防護(hù)形式，具體所轉(zhuǎn)變形式為感應(yīng)雷防護(hù)與反擊雷防護(hù)。其中，感應(yīng)雷防護(hù)指避雷線在遭受雷電流打擊時(shí)，接觸網(wǎng)以及正饋線將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)雷防護(hù)。而反擊雷防護(hù)指支柱或避雷線遭受雷電流打擊，正饋線以及閃絡(luò)T線絕緣子將產(chǎn)生反擊雷防護(hù)。在接觸網(wǎng)與正饋線的雷電防護(hù)形式轉(zhuǎn)變?yōu)榉磽衾追雷o(hù)時(shí)，需根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)節(jié)牽引供電系統(tǒng)的局部區(qū)域接地電阻，或?qū)χе?dú)立接地極與避雷器進(jìn)行適當(dāng)增強(qiáng)，從而向避雷線、雷擊保護(hù)線提供過(guò)電壓保護(hù)。

2.4 絕緣子防護(hù)設(shè)計(jì)

在牽引供電系統(tǒng)遭受雷電流打擊時(shí)，絕緣子裝置在過(guò)電壓作用下，極易出現(xiàn)閃絡(luò)現(xiàn)象，進(jìn)而受閃絡(luò)工頻影響而導(dǎo)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(fēng)險(xiǎn)源，同時(shí)，也造成了嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失，需更換全新的絕緣子裝置。針對(duì)這一問(wèn)題，應(yīng)選擇安裝避雷器/避雷針這一防雷保護(hù)措施，在水平絕緣子或懸式絕緣子裝置的兩端設(shè)置間隙避雷器?；诶讚糸W絡(luò)可對(duì)位置進(jìn)行精確定位，同時(shí)發(fā)揮疏導(dǎo)工頻電弧的作用，因此應(yīng)確保絕緣子裝置不會(huì)在閃絡(luò)工頻影響下出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷問(wèn)題。但在采取這一雷電防護(hù)措施時(shí)，將會(huì)對(duì)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(shí)，可能產(chǎn)生跳閘現(xiàn)象。

2.5 構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)

為及時(shí)發(fā)現(xiàn)、有效規(guī)避雷電風(fēng)險(xiǎn)，確保高鐵運(yùn)營(yíng)安全，需在高鐵牽引供電網(wǎng)雷電防護(hù)系統(tǒng)中構(gòu)建配套的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，定期監(jiān)測(cè)不同高鐵區(qū)段的氣候情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)與發(fā)送災(zāi)害預(yù)警信息，評(píng)估所存在的雷擊風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)、可能造成的損失。采取各項(xiàng)臨時(shí)性雷電防護(hù)措施，預(yù)防設(shè)備損毀、線路跳閘、供電網(wǎng)停電等問(wèn)題出現(xiàn)，將損失程度與所造成負(fù)面影響控制在一定范圍內(nèi)。同時(shí)，根據(jù)雷電參數(shù)和雷擊故障信息，對(duì)感應(yīng)雷和直擊雷的防護(hù)措施進(jìn)行確定、調(diào)整。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 牽引供電系統(tǒng)及預(yù)警系統(tǒng)示意圖

在高鐵體系運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，氣象部門向牽引供電系統(tǒng)管理部門提供雷電預(yù)警服務(wù)，組合利用GPS、雷達(dá)、大氣電場(chǎng)、探空勘測(cè)等技術(shù)手段，提前預(yù)測(cè)各高鐵區(qū)段的雷電氣候出現(xiàn)概率、分布范圍，及時(shí)發(fā)送災(zāi)害氣候預(yù)警預(yù)報(bào)信息。隨后，管理部門在所接收氣象預(yù)警信息基礎(chǔ)上，構(gòu)建雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，精細(xì)評(píng)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(fēng)險(xiǎn)較高的區(qū)域及設(shè)備，針對(duì)性開(kāi)展系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)、臨災(zāi)處理及故障恢復(fù)工作。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，牽引供電網(wǎng)作為高速鐵路體系中的重要構(gòu)成部分，應(yīng)構(gòu)建完善的雷電防護(hù)體系，評(píng)估牽引供電系統(tǒng)各部分雷擊危險(xiǎn)系數(shù)，采用上述措施改善牽引供電系統(tǒng)的雷電防護(hù)能力。這既是降低牽引供電網(wǎng)故障問(wèn)題出現(xiàn)率的主要途徑，也是保證列車安全運(yùn)行、持續(xù)提升高鐵運(yùn)營(yíng)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(yán)麗琴〕