高速铁路牵引供电接触网雷电防护研究

高速铁路牵引供电接触网雷电防护研究
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研究与探索Research and Exploration ·工程技术与创新
中国设备工程 2023.11 (下)
较大，即每平方公里一年所受到的雷击次数和年平均雷电日数之间为正比例关系。

按照国际大电网会议提出的计算方式，将承力索距离轨面平均高度设定为7m，接触网侧面限界3m，由此可得出计算公式如下：（1）单线接触网受到雷击次数的公式为N-0.122×Td×1.3；（2）复线接触网受到雷击次数的公式为N=0.244×Td×1.3。

上述两个公式中的Td 是年平均雷电日数。

一旦接触网受到雷击，当时便会有过电压形成，雷击接触到网支柱，此时，雷电流沿着支柱入地，并且在支柱上方形成冲击过电压。

由此可以确定，过电压值、支柱冲击接地电阻、雷电流幅值、支柱之间息息相关，但却属于非线性正比。

此外，雷电通道形成了电磁场变化后，还会产生感应电压，其与雷电流极性相反，感应电压值、雷电流平均值、接触网导线高度之间为正比例关系。

冲击过电压、感应过电压相加后，叠加值也与接触网支柱接地电阻存在联系，一般是接地电阻高，叠加值也会增加。

当接触网支柱接地电阻增加后，导致闪络的雷电流幅值、绝缘子闪络概率也会受其影响而增加。

当雷击接触网支柱，此时产生的雷电流沿着支柱入地，计算冲击电压的公式为U1=R·I+L（dI/dt）。

公式中R 为支柱冲击接地电阻，为10Ω，I 是支柱等值电感。

接触网受到雷击是形成过电压的基本条件，若过电压值已经达到接触网要求的绝缘子冲击放电电压，便会有绝缘子闪络形成，雷电流入地后便会逐渐降低过电压。

综上，计算接触网的过程相对繁琐，但通过计算可以为总结牵引供电接触网雷电防护措施提供参考，从而保证高速铁路运行安全。

2.2 高速铁路防雷设计现状
目前，我国在接触网防雷设计方面获得了比较显著的成效，通常电气化铁道接触网防雷设计是以《铁路防雷、电磁兼容及接地工程技术暂行规定》（铁建设[2007]39号）和《铁路电力牵引供电设计规范》（TB 10009--2005）等规定为依据，按照一年中发生雷电日的具体数量，将其划分为少雷区（年平均雷电日不超过20天）、多雷区（年平均雷电日20～40天）、高雷区（年平均雷电日40～60天）、强雷区（年平均雷电日超过60天）。

3 高速铁路牵引供电接触网雷电防护策略
为了规避雷电对高速铁路的干扰，保证高速铁路的安全，牵引供电接触网雷电防护务必受到重视。

目前，我国牵引供电接触网雷电防护在实践中虽然已经获得了比较成熟的经验，但是在技术层面依然有很大的进步空间。

所以，下面主要围绕高速铁路牵引供电接触网雷电防护提出建议，规避高速铁路运行中的安全事故。

3.1 结合所在区域实际制定应急方案
如果高速铁路处于多雷电区以及重点防护区，那么很容易受到外界环境因素的干扰，提高遭遇雷击的发生率，还会因此导致供电系统故障。

一旦发生此类故障，而且没有及时制定处理方案，将会导致严重的后果，特别是对于高速铁路，很容易对其平稳运行造成影响。

所
以，当面临因雷击而引发的突发性故障时，务必要有应急方案马上处理，只有如此，才能够维持高速铁路稳定运行。

建议针对多雷电区和重点区域制定雷击处理的应急方案，而且应加强方案的针对性，与所在区域的实际情况相符，在预案设计中综合考虑所有可能性，以便及时应对突发性事件。

制定应急预案时，需要对高速铁路的施工条件加以重视，尽可能地减少大型机械设备数量，优先采用更换、替换等形式，完成完整维修、临时性维修。

尤其需要注意的是，一旦遇到恶劣天气，很有可能对维修人员的人身安全造成威胁，所以设计阶段应对维修人员的安全加以防护。

为了保证雷击相关事故可以妥善得到解决，后续的维修保养流程不能过于烦琐，加强设备铺设网络结构合理性，可以在有限空间内将设备安装在合适的位置，为设备维修与替换创造便利条件，使所有设备维修、更换时的问题可以及时得到解决。

若是在安装防雷击设备时应用绝缘架，应保证单相接地，此方法可以预防直接雷、反击雷对牵引供电接触网高压环节造成的威胁，以免发生放电事故，最大程度降低因雷击造成的损耗，并且有效降低线路跳闸等不良事故的发生率。

3.2 规范安装接触网
现阶段，高速铁路供电主要采用的是AT（电力牵引AT 供电方式，auto transformer supply system of electric traction），并在PW 线路（伪线）中设置 AF 线路（正馈线）。

采用此安装方式，如果需要计算接触网线路直接落雷闪络概率，通常会选择构建电气几何模型、先导发展模型，同时计算还需满足如下条件：（1）自然雷90%呈现负极性，所以直击雷过电压同样是负极性。

计算时应用绝缘子U50%是闪络判据；（2）如果将计算条件设定为雷暴日20d、40d，那么，U50代表的是绝缘子50%雷电冲击放电电压。

根据表1数据便可得知，接触网绝缘子正负极性标准雷电冲击50%放电电压，而且通过数据分析，雷击闪络的实际次数、线路暴露宽度、地闪密度之间关系非常紧密。

线路引雷面积可按“线路总暴露宽度×线路长度”进行计算，年雷击闪络次数按“线路引雷面积×地闪密度”的公式计算，如果线路长度是100km，按照上述公式便可得到线路百公里年闪络次数。

表1 接触网绝缘子正负极性标准雷电冲击50%放电电压绝缘子F 线绝缘子
T 线绝缘子
+U 50/kV 303354-U 50/kV
315
460
3.3 采用合成绝缘子进行雷电防护
如果线路遭受雷电直击，必然会使绝缘子发生烧蚀，接触网因此不能自动重合闸，对高速铁路供电造成影响。

所以，制定牵引供电接触网的防雷方案，需要规避绝缘子烧蚀状况，建议安装避雷线、避雷器等装置，起到防范工频电弧、线路闪络等事故的作用，还可以采用疏导工频电弧对绝缘子加以保护。

上述方法在应用中效果均※
水电站金属结构钢闸门制作及安装技术分析。