以實(shí)例談高鐵接觸網(wǎng)避雷措施的意見

以實(shí)例談高鐵接觸網(wǎng)避雷措施的意見前言電氣化鐵路接觸網(wǎng)沿鐵路線露天架設(shè)，使其成為易受雷擊傷害的設(shè)備。我國高速鐵路多位于田野、郊區(qū)，高架橋梁多，其接觸網(wǎng)更易受到雷擊的侵害。由于接觸網(wǎng)絕緣子耐壓強(qiáng)度遠(yuǎn)低于雷電壓，即使大量安裝避雷器，也不能避免感應(yīng)雷電壓對(duì)接觸網(wǎng)的影響，即使按照電力系統(tǒng)110kV及以上線路全線架設(shè)避雷線，也不能防止直擊雷災(zāi)害。接觸網(wǎng)遭受雷電壓后，一般表現(xiàn)為跳閘、重合閘、合閘成功。此時(shí)，接觸網(wǎng)一般都能正常運(yùn)用。由于難以確定雷擊是否造成了接觸網(wǎng)斷線、塌網(wǎng)等災(zāi)害，在高速鐵路運(yùn)營中，一般需要首列動(dòng)車組限速運(yùn)行，以避免高速運(yùn)行動(dòng)車組引起大面積接觸網(wǎng)損壞情況的發(fā)生。以下就我國高鐵接觸網(wǎng)雷擊情況進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)加強(qiáng)高速鐵路接觸網(wǎng)防雷措施進(jìn)行探討。鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)高鐵接觸網(wǎng)避雷器設(shè)計(jì)的要求2.1按照《鐵路防雷、電磁兼容及接地工程技術(shù)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)〔2007〕39號(hào))第4.3.9條規(guī)定，在高雷區(qū)、強(qiáng)雷區(qū)，接觸網(wǎng)在下列地點(diǎn)應(yīng)采用氧化鋅避雷器防護(hù)：分相和站場端部的絕緣錨段關(guān)節(jié)、長度2000m及以上隧道的兩端、長度大于200m的供電線或自耦變壓器供電線連接到接觸網(wǎng)上的接線處。2.2按照《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10009-2005)第5.3.1條規(guī)定，根據(jù)雷電日及運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，按下列原則對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行過電壓保護(hù)：吸流變壓器的原邊應(yīng)設(shè)避雷裝置；重雷區(qū)及超重雷區(qū)在重點(diǎn)位置應(yīng)設(shè)避雷裝置，如分相和站場端部的絕緣錨段關(guān)節(jié)，長度2000m及以上隧道的兩端，供電線、正饋線上網(wǎng)點(diǎn)。按照《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(TB10621-2009)的規(guī)定，重污染或重雷區(qū)以及高路基、高架橋、隧道口等重點(diǎn)地段的接觸網(wǎng)應(yīng)增設(shè)氧化鋅避雷器。國外鐵路防雷德國鐵路實(shí)際測量表明，歐洲中部地區(qū)每100km接觸網(wǎng)在一年的時(shí)間內(nèi)可能遭受1次雷電沖擊。雷電對(duì)接觸網(wǎng)的直接沖擊會(huì)導(dǎo)致雷電沖擊過電壓，其在設(shè)計(jì)中考慮過采用過電壓保護(hù)裝置限制雷電過電壓，一般應(yīng)用避雷器。同時(shí)他們也認(rèn)為，避雷器只能對(duì)過電壓進(jìn)行有限的保護(hù)，一般只用于有頻繁雷電存在的地段。在其它區(qū)段，無論是從經(jīng)濟(jì)方面，還是從防護(hù)效益方面考慮，一般不設(shè)置防雷設(shè)置。這是在歐洲電氣化鐵路中很少見到接觸網(wǎng)避雷裝置的原因。日本由于其特殊的地理?xiàng)l件和氣象條件，在電氣化鐵道接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)雷擊頻度及線路重要程度，將國土的防雷等級(jí)劃分為A、B、C區(qū)域，并規(guī)定了相應(yīng)的防雷措施。A級(jí)區(qū)的雷害嚴(yán)重且線路重要，需要進(jìn)行全面防雷保護(hù)，全線接觸網(wǎng)架設(shè)架空避雷線，同時(shí)在牽引變電所出口、接觸網(wǎng)隔離開關(guān)、電纜接頭或連接處、架空地線終端設(shè)置避雷器。B級(jí)區(qū)雷害比較嚴(yán)重且線路重要，對(duì)部分特別需要的場所沿接觸網(wǎng)架設(shè)架空避雷線，同時(shí)在牽引變電所出口、接觸網(wǎng)隔離開關(guān)、電纜接頭或連接處、架空地線終端設(shè)置避雷器。除A、B級(jí)以外的區(qū)域?yàn)镃級(jí)區(qū)，一般在牽引變電所出口、接觸網(wǎng)隔離開關(guān)、電纜接頭或連接處設(shè)置避雷器。鄭西高鐵接觸網(wǎng)的避雷器設(shè)計(jì)根據(jù)鄭西高鐵設(shè)計(jì)，在供電線上網(wǎng)處、長度2000m及以上橋梁兩端、長大隧道、高架站房、封頂式雨棚站區(qū)的兩端設(shè)置避雷器。鄭西高鐵處于多雷區(qū)，沿線所有接觸網(wǎng)隔離開關(guān)（含隧道兩端隔離開關(guān)）均安裝有避雷裝置，全線共計(jì)設(shè)置接觸網(wǎng)避雷器454臺(tái)。鄭西高鐵雷擊跳閘情況按照跳閘時(shí)有雷電活動(dòng)和現(xiàn)場證實(shí)絕緣子有閃絡(luò)痕跡進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。2010年2月6日至2011年9月2日，鄭西高鐵共計(jì)發(fā)生接觸網(wǎng)跳閘41件。其中，因雷擊跳閘12件，占跳閘總數(shù)的29.3%。按雷擊閃絡(luò)部位，正饋線懸吊絕緣子8次，占雷擊跳閘的66.7%，腕臂絕緣子2次，正饋線下錨有機(jī)絕緣子1次，承力索下錨有機(jī)絕緣子1次。每次雷擊跳閘均重合成功，具體情況為：5.1正饋線懸吊絕緣子8次，詳見表1。5.2斜腕臂絕緣子雷擊閃絡(luò)2次，詳見表2。5.3正饋線下錨硅橡膠絕緣子閃絡(luò)1次。2011年7月15日鞏義南變電所211、212DL跳閘（滎-鞏1070#）,參見圖1。5.4承力索下錨硅橡膠絕緣子閃絡(luò)1次。2011年8月25日，西寨變電所211#、212#饋線跳閘（澠池南-三門峽南區(qū)間下行1077#）,參見圖2。鄭西高鐵接觸網(wǎng)雷害情況分析6.1鄭西高鐵避雷器設(shè)計(jì)情況。鄭西高鐵在每臺(tái)接觸網(wǎng)隔離開關(guān)處均設(shè)置了避雷器,滿足了設(shè)計(jì)規(guī)范接觸網(wǎng)設(shè)置避雷器的要求。6.2避雷器防雷效果分析。自2010年2月6日鄭西高鐵開通以來,確認(rèn)雷擊造成接觸網(wǎng)跳閘12件，其中500m范圍內(nèi)安裝有避雷器的4處，500—1000m范圍內(nèi)安裝有避雷器的5處，超過1000m范圍安裝避雷器的3處。其中，2011年8月25日，澠—三區(qū)間1077#承力索下錨有機(jī)絕緣子遭雷擊，離其最近的1075#支柱（相距約50m）設(shè)有1臺(tái)避雷器。避雷器防雷效果應(yīng)進(jìn)一步深入探討。6.3雷擊原因分析。鄭西高鐵為新建線路，沿線多位于周圍沒有高大建筑物的處所，接觸網(wǎng)設(shè)備為最高點(diǎn)，易受雷擊。部分區(qū)段正饋線絕緣子干弧距離短，僅有320mm。在保證絕緣泄露距離1400mm的情況下，裙邊直徑增大，裙邊距離相應(yīng)縮短，雷害時(shí)容易形成裙邊擊穿放電，造成閃絡(luò)。實(shí)踐還表明，即使結(jié)構(gòu)高度大的絕緣子，仍有雷擊閃絡(luò)現(xiàn)象發(fā)生。6.4與德國對(duì)比。根據(jù)相關(guān)資料，德國接觸網(wǎng)的測量數(shù)據(jù)表明，德國鐵路一年中每100km長的線路可能遭受一次雷電沖擊。鄭州局管內(nèi)的鄭西高鐵長為357km（863條公里），運(yùn)行一年，雷擊次數(shù)為12次。國內(nèi)其他主要高鐵接觸網(wǎng)雷擊情況7.1西安局管內(nèi)鄭西高鐵。西安局管內(nèi)鄭西高鐵2010年共發(fā)生雷擊跳閘共計(jì)11次，占跳閘總數(shù)（12次）的91.67%。雷擊造成正饋線絕緣子閃絡(luò)或擊穿8處，其中絕緣子雷擊折斷1次。截至2011年8月底，鄭西高鐵發(fā)生雷擊跳閘共計(jì)1次，占跳閘總數(shù)（8次）的12.5%（正饋線于3月17日退出運(yùn)行）。7.2上海局管內(nèi)高鐵。2011年1至8月份，上海局管內(nèi)高鐵因雷雨天氣引發(fā)接觸網(wǎng)跳閘276件。其中，京滬高鐵155件，滬寧城際54件，滬杭高鐵24件，杭深線26件，合寧線9件，合武線8件。因雷擊更換京滬高鐵支持絕緣子28處、懸式絕緣子4處，滬寧城際棒瓷絕緣子6處，杭深線棒瓷絕緣子2處、懸式絕緣子4處，合寧線棒瓷絕緣子1處、懸式絕緣子2處，合武線棒瓷絕緣子1處。7.3廣州局管內(nèi)高鐵。自2009年12月26日武廣高鐵開通以來，截至2011年8月，廣鐵集團(tuán)管內(nèi)3條高鐵線路共發(fā)生跳閘354件。因雷擊引起或與雷擊相關(guān)的跳閘共計(jì)167件，占47.18%。其中：武廣高鐵共發(fā)生跳閘322件，含雷擊相關(guān)跳閘160件，雷擊跳閘占49.69%；廣珠城際共發(fā)生跳閘9件，雷擊相關(guān)跳閘7件，占77.78%。7.4北京局管內(nèi)高鐵。京津城際開通以來，接觸網(wǎng)經(jīng)常出現(xiàn)因雷擊負(fù)饋線問題引發(fā)的跳閘。其中，2008年因雷擊問題損壞負(fù)饋線絕緣子7處；2009年因雷擊問題損壞負(fù)饋線絕緣子19處；2010年因雷擊問題損壞負(fù)饋線絕緣子44處；截至2011年8月20日，因雷擊問題損壞負(fù)饋線絕緣子31處。7.5京滬高鐵。據(jù)電化院統(tǒng)計(jì)，京滬高鐵北京局管內(nèi)7月份雷擊跳閘共計(jì)27次，濟(jì)南局管內(nèi)6月25日?8月13日雷擊跳閘共計(jì)20次，上海局管內(nèi)7月份雷擊跳閘共計(jì)53次，所有雷擊跳閘均重合成功，未對(duì)正常行車造成影響，但因雷擊造成了部分絕緣子損壞。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，上述雷擊跳閘統(tǒng)計(jì)期間，北京局管內(nèi)共更換絕緣子11只，濟(jì)南局管內(nèi)共更換絕緣子21只，上海局管內(nèi)共更換絕緣子7只。高鐵接觸網(wǎng)防雷措施的建議根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，避雷器加密設(shè)置可以降低雷擊概率，但要徹底消除雷擊目前做不到。即使每根支柱安裝1臺(tái)避雷器，也僅比不裝避雷器雷擊概率降低一半。造成這一現(xiàn)象的根本原因是接觸網(wǎng)的絕緣水平相對(duì)較低。從《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10009-2005）可以看出，接觸網(wǎng)上避雷器的設(shè)置主要用于防止接觸網(wǎng)雷擊時(shí)對(duì)接觸網(wǎng)隔離開關(guān)、電力機(jī)車及牽引變電所等設(shè)備的損壞，該設(shè)計(jì)原則已在我國電氣化鐵路使用多年。因此，為做好高鐵接觸網(wǎng)防雷擊災(zāi)害能力，減少對(duì)高鐵運(yùn)輸安全的影響，在此特建議：8.1加強(qiáng)高鐵接觸網(wǎng)雷擊特點(diǎn)分析。鐵三院在高速鐵路《接觸網(wǎng)防雷專項(xiàng)評(píng)估報(bào)告》中結(jié)合我國高鐵實(shí)際，通過分析計(jì)算提出了在高雷區(qū)、強(qiáng)雷區(qū)的每一個(gè)錨段的中心錨結(jié)附近增設(shè)一臺(tái)避雷器，在多雷區(qū)、少雷區(qū)每隔一個(gè)錨段的錨段關(guān)節(jié)附近增設(shè)一臺(tái)避雷器，以降低感應(yīng)雷電壓影響。根據(jù)本文6.2統(tǒng)計(jì)結(jié)果，即使500m范圍內(nèi)有避雷器，仍有4次避雷器雷擊閃絡(luò)。因此，應(yīng)加強(qiáng)雷害點(diǎn)周邊環(huán)境特點(diǎn)、鄰近避雷器設(shè)置動(dòng)作情況和雷擊絕緣子受損情況分析，積累防雷經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步加強(qiáng)雷害特點(diǎn)和規(guī)律的認(rèn)識(shí)。8.2提高高鐵接觸網(wǎng)抗雷擊災(zāi)害能力。基于現(xiàn)實(shí)，應(yīng)加強(qiáng)接觸網(wǎng)絕緣配合和設(shè)備防雷措施的設(shè)計(jì)，即使遭受雷擊也不損壞供電設(shè)備。重點(diǎn)做好高鐵接觸網(wǎng)絕緣子性能研究，不斷改善絕緣子抗雷擊能力，即使雷擊閃絡(luò)，僅跳閘重合成功，而不造成絕緣子破壞性損壞。8.3完善應(yīng)急處置預(yù)案。從鄭西高鐵雷害情況看，雖然雷擊跳閘均重合成功，但雷擊對(duì)接觸網(wǎng)還是有損傷的。隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間增加，雷害有可能引起斷線、塌網(wǎng)故障。因此建議：接觸網(wǎng)跳閘重合成功后，首列動(dòng)車組仍應(yīng)限速行駛。8.4加強(qiáng)在線運(yùn)行避雷器的管理。一是積極探索和組織研制接觸網(wǎng)避雷器在線檢測設(shè)備。按照《高速鐵路接觸網(wǎng)運(yùn)行檢修暫行規(guī)程》（鐵運(yùn)〔2011〕10號(hào)）第69條規(guī)定，避雷器的維護(hù)、試驗(yàn)應(yīng)按產(chǎn)品說明書的要求進(jìn)行。電科院東芝避雷器有限公司（廊坊）要求避雷器投運(yùn)3-5年后，測量UlmA值，其值與投運(yùn)前所測值相比，變化不大于土5%。測量0.75U1mA下的泄漏電流，其值不得大于30uA。但實(shí)際上，有些廠家常?；乇茉囼?yàn)問題。因此，應(yīng)明確避雷器的預(yù)防性試驗(yàn)要求，防止避雷器自身故障的發(fā)生。為減少接觸網(wǎng)維護(hù)工作量，建議：研制推廣具有在線檢測裝置、免試驗(yàn)的接觸網(wǎng)避雷器。二是規(guī)范避雷器的安裝方式。為防止避雷器運(yùn)行中故障影響供電，脫離器必不可少。脫離器的安裝應(yīng)做到即使避雷器故障，也不影響接觸網(wǎng)運(yùn)行安全。推薦使用石武高鐵的安裝方式，見圖3。8.5加強(qiáng)全并聯(lián)AT供電方式對(duì)接觸網(wǎng)雷擊跳閘概率影響的研究。在雷電過電壓的作