高速鐵路接觸網(wǎng)雷擊特性及避雷器防護效果的研究

高速鐵路接觸網(wǎng)雷擊特性及避雷器防護效果的研究摘要：由于我國既有高鐵無后備系統(tǒng)，即雷擊引起的永久性故障將導致相應區(qū)域的停運，因此，為保證高鐵接觸網(wǎng)的順利運行，探索其雷擊特性及避雷器的防護效果意義重大。關鍵詞:高速鐵路；接觸網(wǎng)；雷擊特性；避雷器；防護效果接觸網(wǎng)是牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分，大部分裸露在自然環(huán)境中且無備用，因此需采取必要的大氣過電壓防護措施。若缺乏防護措施或措施不當，可能導致絕緣子損壞，致使線路跳閘，直接影響電氣化鐵道運營。同時，雷擊產(chǎn)生的侵入波過電壓通過接觸網(wǎng)傳入牽引變電所，可能對所內(nèi)電氣設備造成損壞，導致更大的事故?；诖?，本文詳細分析了高速鐵路接觸網(wǎng)雷擊特性及避雷器防護效果。一、高速鐵路接觸網(wǎng)概述高速鐵路接觸網(wǎng)是沿鐵路線上空架設的向電力機車供電的輸電線路，高鐵列車運行所仰賴的電流是通過機車上端接觸網(wǎng)來輸送。接觸網(wǎng)一旦停電，或列車電弓與接觸網(wǎng)接觸不良，對列車供電會產(chǎn)生影響。高速鐵路接觸網(wǎng)由接觸懸掛、支持裝置、定位裝置、支柱、基礎等組成。其中，接觸懸掛包括接觸線、吊弦、承力索、連接零件。其通過支持裝置架設在支柱上，將從牽引變電所獲得的電能輸送給電力機車。支持裝置用以支持接觸懸掛，并將其負荷傳給支柱或其它建筑物。二、接觸網(wǎng)系統(tǒng)的雷害類型接觸網(wǎng)系統(tǒng)常見的雷害類型有直擊雷、感應雷過電壓，其中，直擊雷過電壓是雷電擊中導線和支柱產(chǎn)生的過電壓。而感應雷過電壓是指雷擊接觸網(wǎng)地面后產(chǎn)生的過電壓。當雷電擊中附加導線和接觸網(wǎng)支柱時，會導致雷擊點阻抗的電位提升。當導線和雷擊點之間的電位差超出絕緣子沖擊放電電壓時，會引起絕緣子串沿面閃絡，引起短路事故。由于附加導線和支柱的電位會大于導線電位。當雷電擊中接觸線會導致電壓過大，這兩種情況分別稱為雷電繞擊與直擊。三、國內(nèi)外高速鐵路接觸網(wǎng)防雷現(xiàn)狀為能讓高速鐵路更好的發(fā)展，在對鐵路建設前應考慮很多方面，比如牽引的高鐵線路具體為怎樣的結(jié)果，設置線路時，經(jīng)過的地區(qū)雷電災害情況等，更要特別重視的是有些電路需經(jīng)過土壤，則要考慮一些自然環(huán)境等因素，可以說，防雷設計是系統(tǒng)牽引的關鍵。高速鐵路的出現(xiàn)，早期是在歐洲興起的，可以說，在雷擊情況下，造成接觸網(wǎng)反射系統(tǒng)災害情況，對其的處理較成熟，在評定這類災害時，以一百千米為準，為制約雷電引起的高電壓，避雷器等的使用非常有必要，但避雷器對雷電侵入無法阻止，對接觸網(wǎng)的損壞也無多大作用，只是對接觸網(wǎng)過電壓進行保護。可以說，不管是考慮到哪方面因素，接觸網(wǎng)避雷工作的開展非常有必要。四、高速鐵路接觸網(wǎng)雷電防護存在的問題1、避雷器防護效果有限。經(jīng)統(tǒng)計分析，避雷器只是對重點設備進行小范圍防護，對重點設備絕緣起到防護作用，不能有效減少跳閘率。有些支柱絕緣子雷雨閃絡，其相鄰支柱就安裝有避雷器，避雷器對接觸網(wǎng)線路類型雷電防護效果有限。2、避雷器不適宜接觸網(wǎng)線路雷電防護。避雷器適用于隔離開關、電纜頭等重點設備的雷電防護。鐵路線路雷擊點具有隨機性及分散性，采取避雷器方式進行線路過電壓保護，若要使被保護設備不受雷擊侵入波的侵害，避雷器需密集設置，不得超過避雷器與被保護設備間的最大電氣距離。從運營經(jīng)驗看，避雷器本身故障率高，且故障性質(zhì)隱蔽，難于查找，易造成長時間停電，影響運輸秩序。3、避雷器選型值得商榷?，F(xiàn)有接觸網(wǎng)普遍選用無間隙氧化鋅避雷器，無間隙避雷器應用于高速鐵路接觸網(wǎng)防雷保護時，并聯(lián)于絕緣子兩端，避雷器長期承擔系統(tǒng)運行電壓，可能出現(xiàn)老化故障，需定期檢測維護，與應用于牽引變電所情況相比，運維工作量大，且實施困難。帶間隙避雷器型式保護機理有利于保護某項設備，但并不能達到減少跳閘率的目的，甚至有增加系統(tǒng)跳閘率的可能。五、高速鐵路避雷器的安裝情況對于高鐵接觸網(wǎng)，常見避雷措施包括安裝避雷器、架設避雷線。避雷器是用于保護電氣設備免受雷擊時高瞬態(tài)過電壓危害，并限制續(xù)流時間，也常限制續(xù)流幅值的一種電器，有時也稱為過電壓保護器、過電壓限制器。避雷器類型有管型避雷器、閥型避雷器、氧化鋅避雷器等，每種類型避雷器的工作原理不同，但其工作實質(zhì)相同，都是為了保護線纜與設備不受損害。因此，在安裝避雷器時，工作人員需明確接地的重要性，并嚴格遵守以下規(guī)定：①對處于強雷或高雷區(qū)域的高鐵，工作人員需在隧道兩端、絕緣關節(jié)處、接觸網(wǎng)與供電線列接觸處設置相應的避雷裝置；②工作人員需在吸流變壓器邊緣處設置相應的避雷裝置；③對處于強雷地區(qū)的高鐵，工作人員需設置獨立的避雷線。在我國現(xiàn)行實施的《高速鐵路設計規(guī)范》中，對避雷器的安裝提出了以下要求：用于防雷的牽引網(wǎng)接地裝置相對應的貫通地線接入點，與與其他設備相對應的貫通地線接入點間距離應≥15m。對于高鐵接觸網(wǎng)，涉及的防雷設備通常是安裝在接觸網(wǎng)上的避雷器。這類設備主要用于削弱綜合接地系統(tǒng)的影響，減少電壓反擊的可能性。由此可見，防雷設備需能降低通過地體傳輸?shù)碾妷海蛊淠苓_到安全值范圍內(nèi)的距離作用，通過實踐可發(fā)現(xiàn)，安全距離一般保持在15m或以上。六、高速鐵路接觸網(wǎng)的雷擊特性1、雷電感應。在計算線路閃絡率時，工作人員可根據(jù)實際情況確保所選計算方法的科學性，如幅值概率密度及范圍暴露積分法。通過分析歸納可發(fā)現(xiàn)，對于高鐵接觸網(wǎng)，直擊雷引起的閃絡概率遠高于雷電感應引起的閃絡概率，也就是說，隨著社會的發(fā)展及高架橋高度的增加，線路發(fā)生閃絡的概率必然比以前有所提升。2、耐雷水平。在探索高鐵接觸網(wǎng)雷擊特性時，工作人員可通過仿真分析獲得相應的探索結(jié)果。先要確定比較涉及的高架橋高度，例如，其高度分別為5m、10m，相應絕緣子的長度為530mm，通過計算分析能發(fā)現(xiàn)，雖然比較涉及的高架橋高度存在明顯差異，然而，最終的計算結(jié)果幾乎相同，即高架橋的高度與接觸網(wǎng)本身的耐雷水平之間無明顯的聯(lián)系或制約關系。此外，假設只有一根導線的接觸線為A線，具有承力索和接觸網(wǎng)兩根導線的接觸線為B線，通過模擬實驗可發(fā)現(xiàn)，分布電容相對較小的A線其波阻抗大于分布電容較大的B線，其耐雷水平小于B線。對于架設在線路左右兩側(cè)的接觸網(wǎng)，由于其受雷面較大，受到直擊雷概率和由此引起的閃絡概率較高。七、高速鐵路避雷器的防護效果當前，提高接觸網(wǎng)耐雷水平的常見措施是安裝避雷器。比如，在高速公路各區(qū)域相應絕緣子端電壓與避雷器整體防護效果之間聯(lián)系。試驗時，工作人員應有針對性的設置：未安裝避雷器、每1km安裝避雷器、每2km安裝避雷器、每3km安裝雷器四種情況，注入牽引網(wǎng)的電流數(shù)為20kA。通過對上述設置的不同對比組試驗結(jié)果比較分析可知，影響避雷器防護效果的因素之一是避雷器與雷擊點對應位置之間的距離，即隨著距離的增加，避雷器的防護效果會減弱。當其位于雷擊點200m范圍內(nèi)時，各對比組絕緣子端電壓的變化幅度總體上相對一致。由此可見，能反映避雷器具有的防護效果距離約為200m。通過以上分析，得出以下結(jié)論：“若要通過安裝避雷器來確保接觸網(wǎng)耐雷水平的提高，就需確保安裝避雷器的密度”。然而，隨著避雷器安裝密度的增加，不僅安裝和維修成本會增加，而且接觸網(wǎng)發(fā)生故障的概率也會增加。避雷器本身的局限性決定了，若將其安裝在遠離雷擊點的地方，則避雷器對雷擊過電壓的抑制作用可忽略不計，避雷器與避雷點的距離越近，其