浅析高铁牵引供电网雷电防护系统设计

2020-05-08周海杰

科技与创新 2020年8期

周海杰

浅析高铁牵引供电网雷电防护系统设计

周海杰

（中国铁道科学研究院，北京 100081；中国铁路武汉局铁路局集团有限公司武汉供电段，湖北武汉 434400）

近年来，中国高速铁路体系得到蓬勃发展，充分满足了当前工业化发展需求、综合交通运输体系的建设需求，缓解了铁路体系“瓶颈”制约矛盾，具有极为重要的现实意义。但在高速铁路体系运营过程中，受气候因素影响，高铁牵引供电网系统偶遭受雷电流打击，出现设备损坏、接触网停电等故障问题，造成严重经济损失。为有效解决此问题，规避雷击风险，对高铁牵引供电网雷电防护系统的设计工作进行了简要分析，以供参考。

高速铁路；牵引供电网；雷电防护系统；系统设计

1 高铁牵引供电网耐雷性能分析

1.1 构建模型

1.1.1 绝缘闪络模型

对绝缘子装置重复开展放电试验，检测绝缘子装置在承受不同等级标准雷电冲击而产生的放电电压，在测试结果基础上构建绝缘闪络模型，将其作为闭合控制量的压控开关。

1.1.2 雷电通道模型

模拟不同雷雨气候下形成的雷电流波形，由于雷电流增幅值以及雷电通道抗阻二者有着较为紧密的内在关联，因此，在所构建的雷电通道模型中，可将大雷电流值设定为300，小雷电流值设定为800。

1.1.3 高架桥模型

为精确获取设计参数、确保所构建雷电防护系统在实际应用过程中发挥出预期效果，需对高铁牵引供电网所加设各处高架桥的箱梁以及桥墩结构进行等比模拟，在其基础上搭设各类仿真电路。同时，根据相关施工规范标准，多数高架桥工程的钢筋结构以及接地钢筋处于捆绑状态，因此在高铁牵引供电网遭受雷电流打击时，高架桥结构钢筋将会发挥一定程度泄放雷电流作用。在高架桥模型建模过程中，应综合考虑防雷接电体的泄流作用，将高架桥的箱梁内部所分布接地钢筋视作为平行导体，采用导纳频率响应计算公式（或频率响应计算公式）构建高架桥电路模型。随后，采用矩量法对所构建的高架桥电路模型以及计算波形进行对照分析，在二者形态等同状态下，即可判定所构建高架桥电路模型准确性。

1.2 雷击风险评估

高铁牵引供电网由接触网、牵引变电所两部分组成，不同部分遭受雷电流打击问题的主要成因、途径之间存在差异。因此，需精确评估高铁牵引供电网不同构成部分的雷击损害风险值，在其基础上针对性开展牵引供电网雷电防护系统设计工作，才能在有效保证列车行驶安全、规避雷击风险源的基础上，有效利用雷电防护资源，确保供电网与设备在遭受雷电流打击时不会频繁出现故障、损毁问题。因此，以某区间高铁牵引供电网为例，在所采集区间列车总数、列车发车间隔时间、各次列车在供电臂范围内行驶时长、危险区域途径时间、雷电事故所引起的停电时间、设备相对损失量等数据信息的基础上，精确计算出高铁牵引供电网的接触网、牵引变电所两部分的雷击风险，具体如图1所示。

图1 牵引供电系统雷击风险图

2 高铁牵引供电网雷电防护系统设计要点

2.1 选择恰当雷电防护方法

常见牵引供电网的雷电防护方法为安装避雷器装置、架设避雷线，根据高铁牵引供电系统的实际防雷需求、水平高度、防雷部分选择适当的雷电防护方法即可。

其中，安装避雷器方法指在绝缘子装置的两侧优先加设串联间隙避雷器装置，在牵引供电系统运行过程中，系统大部分工作电压将在避雷器串联间隙处进行聚集，有效预防避雷器电阻片加快老化问题的出现。而在系统遭受雷电流打击时，避雷器将避免系统与设备受到高瞬态过电压的危害，限制其续流幅值。架设避雷线方法指将牵引供电系统中原有配置的PW线抬升至F线上部区域，从而发挥避雷线的引雷防护作用，避免雷电流击穿系统所配置的一次设备、二次设备。

2.2 正馈线与雷击承力索防护设计

在正馈线与承力索雷电防护设计层面上，应根据牵引供电系统的实际运行情况与配置结构，以常规的110 kV电力系统为设计模板，灵活采用提升保护线、加设回流线、配置适当种类避雷针装置等设计措施，向正馈线与承力索提供必要雷电防护。例如配置铠装电缆的馈线，并在馈线上安装避雷器，馈线、相连设备可承受更高的脉冲过电压。从牵引供电网防雷保护系统实际运行角度来看，在中国哈大线中，采用了避雷针防雷措施。而在海南东环线中，则根据牵引供电网防雷需求，针对性采用提升回流线工作温度的措施，使其具备避雷针防雷功能。

2.3 避雷线及雷击保护线过电压保护设计

升高保护线是一种常见的雷电防护措施，可为承力索以及正馈线提供雷电防护。但在采用升高保护线或加设避雷线措施后，将会改变接触网以及正馈线的直击雷防护形式，具体所转变形式为感应雷防护与反击雷防护。其中，感应雷防护指避雷线在遭受雷电流打击时，接触网以及正馈线将会产生感应雷防护。而反击雷防护指支柱或避雷线遭受雷电流打击，正馈线以及闪络T线绝缘子将产生反击雷防护。在接触网与正馈线的雷电防护形式转变为反击雷防护时，需根据实际情况适当调节牵引供电系统的局部区域接地电阻，或对支柱独立接地极与避雷器进行适当增强，从而向避雷线、雷击保护线提供过电压保护。

2.4 绝缘子防护设计

在牵引供电系统遭受雷电流打击时，绝缘子装置在过电压作用下，极易出现闪络现象，进而受闪络工频影响而导致装置损毁，或遭受永久性损伤，不但产生了新的牵引供电系统风险源，同时，也造成了严重经济损失，需更换全新的绝缘子装置。针对这一问题，应选择安装避雷器/避雷针这一防雷保护措施，在水平绝缘子或悬式绝缘子装置的两端设置间隙避雷器。基于雷击闪络可对位置进行精确定位，同时发挥疏导工频电弧的作用，因此应确保绝缘子装置不会在闪络工频影响下出现严重损伤问题。但在采取这一雷电防护措施时，将会对牵引供电系统的线路抗雷性能造成降幅影响。在系统遭受雷电流打击时，可能产生跳闸现象。

2.5 构建风险评估与自动预警系统

为及时发现、有效规避雷电风险，确保高铁运营安全，需在高铁牵引供电网雷电防护系统中构建配套的风险评估与自动预警系统，定期监测不同高铁区段的气候情况，及时发现与发送灾害预警信息，评估所存在的雷击风险系数、可能造成的损失。采取各项临时性雷电防护措施，预防设备损毁、线路跳闸、供电网停电等问题出现，将损失程度与所造成负面影响控制在一定范围内。同时，根据雷电参数和雷击故障信息，对感应雷和直击雷的防护措施进行确定、调整。风险评估与自动预警系统的具体结构如图2所示。

图2 牵引供电系统及预警系统示意图

在高铁体系运营过程中，气象部门向牵引供电系统管理部门提供雷电预警服务，组合利用GPS、雷达、大气电场、探空勘测等技术手段，提前预测各高铁区段的雷电气候出现概率、分布范围，及时发送灾害气候预警预报信息。随后，管理部门在所接收气象预警信息基础上，构建雷电灾害风险评估模型，精细评估在雷电流打击下，沿线牵引变电所以及接触网的受影响程度，锁定风险较高的区域及设备，针对性开展系统维护保养、临灾处理及故障恢复工作。