高速鐵路接觸網(wǎng)雷擊特性及避雷器防護(hù)效果的研究

高速鐵路接觸網(wǎng)雷擊特性及避雷器防護(hù)效果的研究摘要：由于我國(guó)既有高鐵無(wú)后備系統(tǒng)，即雷擊引起的永久性故障將導(dǎo)致相應(yīng)區(qū)域的停運(yùn)，因此，為保證高鐵接觸網(wǎng)的順利運(yùn)行，探索其雷擊特性及避雷器的防護(hù)效果意義重大。關(guān)鍵詞:高速鐵路；接觸網(wǎng)；雷擊特性；避雷器；防護(hù)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(wú)備用，因此需采取必要的大氣過(guò)電壓防護(hù)措施。若缺乏防護(hù)措施或措施不當(dāng)，可能導(dǎo)致絕緣子損壞，致使線路跳閘，直接影響電氣化鐵道運(yùn)營(yíng)。同時(shí)，雷擊產(chǎn)生的侵入波過(guò)電壓通過(guò)接觸網(wǎng)傳入牽引變電所，可能對(duì)所內(nèi)電氣設(shè)備造成損壞，導(dǎo)致更大的事故?；诖?，本文詳細(xì)分析了高速鐵路接觸網(wǎng)雷擊特性及避雷器防護(hù)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(shè)的向電力機(jī)車(chē)供電的輸電線路，高鐵列車(chē)運(yùn)行所仰賴的電流是通過(guò)機(jī)車(chē)上端接觸網(wǎng)來(lái)輸送。接觸網(wǎng)一旦停電，或列車(chē)電弓與接觸網(wǎng)接觸不良，對(duì)列車(chē)供電會(huì)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(chǔ)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(guò)支持裝置架設(shè)在支柱上，將從牽引變電所獲得的電能輸送給電力機(jī)車(chē)。支持裝置用以支持接觸懸掛，并將其負(fù)荷傳給支柱或其它建筑物。二、接觸網(wǎng)系統(tǒng)的雷害類(lèi)型接觸網(wǎng)系統(tǒng)常見(jiàn)的雷害類(lèi)型有直擊雷、感應(yīng)雷過(guò)電壓，其中，直擊雷過(guò)電壓是雷電擊中導(dǎo)線和支柱產(chǎn)生的過(guò)電壓。而感應(yīng)雷過(guò)電壓是指雷擊接觸網(wǎng)地面后產(chǎn)生的過(guò)電壓。當(dāng)雷電擊中附加導(dǎo)線和接觸網(wǎng)支柱時(shí)，會(huì)導(dǎo)致雷擊點(diǎn)阻抗的電位提升。當(dāng)導(dǎo)線和雷擊點(diǎn)之間的電位差超出絕緣子沖擊放電電壓時(shí)，會(huì)引起絕緣子串沿面閃絡(luò)，引起短路事故。由于附加導(dǎo)線和支柱的電位會(huì)大于導(dǎo)線電位。當(dāng)雷電擊中接觸線會(huì)導(dǎo)致電壓過(guò)大，這兩種情況分別稱為雷電繞擊與直擊。三、國(guó)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(duì)鐵路建設(shè)前應(yīng)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(shè)置線路時(shí)，經(jīng)過(guò)的地區(qū)雷電災(zāi)害情況等，更要特別重視的是有些電路需經(jīng)過(guò)土壤，則要考慮一些自然環(huán)境等因素，可以說(shuō)，防雷設(shè)計(jì)是系統(tǒng)牽引的關(guān)鍵。高速鐵路的出現(xiàn)，早期是在歐洲興起的，可以說(shuō)，在雷擊情況下，造成接觸網(wǎng)反射系統(tǒng)災(zāi)害情況，對(duì)其的處理較成熟，在評(píng)定這類(lèi)災(zāi)害時(shí)，以一百千米為準(zhǔn)，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(duì)雷電侵入無(wú)法阻止，對(duì)接觸網(wǎng)的損壞也無(wú)多大作用，只是對(duì)接觸網(wǎng)過(guò)電壓進(jìn)行保護(hù)?？梢哉f(shuō)，不管是考慮到哪方面因素，接觸網(wǎng)避雷工作的開(kāi)展非常有必要。四、高速鐵路接觸網(wǎng)雷電防護(hù)存在的問(wèn)題1、避雷器防護(hù)效果有限。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，避雷器只是對(duì)重點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行小范圍防護(hù)，對(duì)重點(diǎn)設(shè)備絕緣起到防護(hù)作用，不能有效減少跳閘率。有些支柱絕緣子雷雨閃絡(luò)，其相鄰支柱就安裝有避雷器，避雷器對(duì)接觸網(wǎng)線路類(lèi)型雷電防護(hù)效果有限。2、避雷器不適宜接觸網(wǎng)線路雷電防護(hù)。避雷器適用于隔離開(kāi)關(guān)、電纜頭等重點(diǎn)設(shè)備的雷電防護(hù)。鐵路線路雷擊點(diǎn)具有隨機(jī)性及分散性，采取避雷器方式進(jìn)行線路過(guò)電壓保護(hù)，若要使被保護(hù)設(shè)備不受雷擊侵入波的侵害，避雷器需密集設(shè)置，不得超過(guò)避雷器與被保護(hù)設(shè)備間的最大電氣距離。從運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)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(zhǎng)時(shí)間停電，影響運(yùn)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(wú)間隙氧化鋅避雷器，無(wú)間隙避雷器應(yīng)用于高速鐵路接觸網(wǎng)防雷保護(hù)時(shí)，并聯(lián)于絕緣子兩端，避雷器長(zhǎng)期承擔(dān)系統(tǒng)運(yùn)行電壓，可能出現(xiàn)老化故障，需定期檢測(cè)維護(hù)，與應(yīng)用于牽引變電所情況相比，運(yùn)維工作量大，且實(shí)施困難。帶間隙避雷器型式保護(hù)機(jī)理有利于保護(hù)某項(xiàng)設(shè)備，但并不能達(dá)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(duì)于高鐵接觸網(wǎng)，常見(jiàn)避雷措施包括安裝避雷器、架設(shè)避雷線。避雷器是用于保護(hù)電氣設(shè)備免受雷擊時(shí)高瞬態(tài)過(guò)電壓危害，并限制續(xù)流時(shí)間，也常限制續(xù)流幅值的一種電器，有時(shí)也稱為過(guò)電壓保護(hù)器、過(guò)電壓限制器。避雷器類(lèi)型有管型避雷器、閥型避雷器、氧化鋅避雷器等，每種類(lèi)型避雷器的工作原理不同，但其工作實(shí)質(zhì)相同，都是為了保護(hù)線纜與設(shè)備不受損害。因此，在安裝避雷器時(shí)，工作人員需明確接地的重要性，并嚴(yán)格遵守以下規(guī)定：①對(duì)處于強(qiáng)雷或高雷區(qū)域的高鐵，工作人員需在隧道兩端、絕緣關(guān)節(jié)處、接觸網(wǎng)與供電線列接觸處設(shè)置相應(yīng)的避雷裝置；②工作人員需在吸流變壓器邊緣處設(shè)置相應(yīng)的避雷裝置；③對(duì)處于強(qiáng)雷地區(qū)的高鐵，工作人員需設(shè)置獨(dú)立的避雷線。在我國(guó)現(xiàn)行實(shí)施的《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中，對(duì)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(duì)應(yīng)的貫通地線接入點(diǎn)，與與其他設(shè)備相對(duì)應(yīng)的貫通地線接入點(diǎn)間距離應(yīng)≥15m。對(duì)于高鐵接觸網(wǎng)，涉及的防雷設(shè)備通常是安裝在接觸網(wǎng)上的避雷器。這類(lèi)設(shè)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(jiàn)，防雷設(shè)備需能降低通過(guò)地體傳輸?shù)碾妷?，使其能達(dá)到安全值范圍內(nèi)的距離作用，通過(guò)實(shí)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(yīng)。在計(jì)算線路閃絡(luò)率時(shí)，工作人員可根據(jù)實(shí)際情況確保所選計(jì)算方法的科學(xué)性，如幅值概率密度及范圍暴露積分法。通過(guò)分析歸納可發(fā)現(xiàn)，對(duì)于高鐵接觸網(wǎng)，直擊雷引起的閃絡(luò)概率遠(yuǎn)高于雷電感應(yīng)引起的閃絡(luò)概率，也就是說(shuō)，隨著社會(huì)的發(fā)展及高架橋高度的增加，線路發(fā)生閃絡(luò)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(shí)，工作人員可通過(guò)仿真分析獲得相應(yīng)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(yīng)絕緣子的長(zhǎng)度為530mm，通過(guò)計(jì)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(jì)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(wú)明顯的聯(lián)系或制約關(guān)系。此外，假設(shè)只有一根導(dǎo)線的接觸線為A線，具有承力索和接觸網(wǎng)兩根導(dǎo)線的接觸線為B線，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，分布電容相對(duì)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(duì)于架設(shè)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(luò)概率較高。七、高速鐵路避雷器的防護(hù)效果當(dāng)前，提高接觸網(wǎng)耐雷水平的常見(jiàn)措施是安裝避雷器。比如，在高速公路各區(qū)域相應(yīng)絕緣子端電壓與避雷器整體防護(hù)效果之間聯(lián)系。試驗(yàn)時(shí)，工作人員應(yīng)有針對(duì)性的設(shè)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(guò)對(duì)上述設(shè)置的不同對(duì)比組試驗(yàn)結(jié)果比較分析可知，影響避雷器防護(hù)效果的因素之一是避雷器與雷擊點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置之間的距離，即隨著距離的增加，避雷器的防護(hù)效果會(huì)減弱。當(dāng)其位于雷擊點(diǎn)200m范圍內(nèi)時(shí)，各對(duì)比組絕緣子端電壓的變化幅度總體上相對(duì)一致。由此可見(jiàn)，能反映避雷器具有的防護(hù)效果距離約為200m。通過(guò)以上分析，得出以下結(jié)論：“若要通過(guò)安裝避雷器來(lái)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(huì)增加，而且接觸網(wǎng)發(fā)生故障的概率也會(huì)增加。避雷器本身的局限性決定了，若將其安裝在遠(yuǎn)離雷擊點(diǎn)的地方，則避雷器對(duì)雷擊過(guò)電壓的抑制作用可忽略不計(jì)，避雷器與避雷點(diǎn)的距離越近，其