高速铁路接触网雷击特性及避雷器防护效果的研究

高速铁路接触网雷击特性及避雷器防护效果的研究摘要：由于我国既有高铁无后备系统，即雷击引起的永久性故障将导致相应区域的停运，因此，为保证高铁接触网的顺利运行，探索其雷击特性及避雷器的防护效果意义重大。关键词:高速铁路；接触网；雷击特性；避雷器；防护效果接触网是牵引供电系统的重要组成部分，大部分裸露在自然环境中且无备用，因此需采取必要的大气过电压防护措施。若缺乏防护措施或措施不当，可能导致绝缘子损坏，致使线路跳闸，直接影响电气化铁道运营。同时，雷击产生的侵入波过电压通过接触网传入牵引变电所，可能对所内电气设备造成损坏，导致更大的事故。基于此，本文详细分析了高速铁路接触网雷击特性及避雷器防护效果。一、高速铁路接触网概述高速铁路接触网是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的输电线路，高铁列车运行所仰赖的电流是通过机车上端接触网来输送。接触网一旦停电，或列车电弓与接触网接触不良，对列车供电会产生影响。高速铁路接触网由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱、基础等组成。其中，接触悬挂包括接触线、吊弦、承力索、连接零件。其通过支持装置架设在支柱上，将从牵引变电所获得的电能输送给电力机车。支持装置用以支持接触悬挂，并将其负荷传给支柱或其它建筑物。二、接触网系统的雷害类型接触网系统常见的雷害类型有直击雷、感应雷过电压，其中，直击雷过电压是雷电击中导线和支柱产生的过电压。而感应雷过电压是指雷击接触网地面后产生的过电压。当雷电击中附加导线和接触网支柱时，会导致雷击点阻抗的电位提升。当导线和雷击点之间的电位差超出绝缘子冲击放电电压时，会引起绝缘子串沿面闪络，引起短路事故。由于附加导线和支柱的电位会大于导线电位。当雷电击中接触线会导致电压过大，这两种情况分别称为雷电绕击与直击。三、国内外高速铁路接触网防雷现状为能让高速铁路更好的发展，在对铁路建设前应考虑很多方面，比如牵引的高铁线路具体为怎样的结果，设置线路时，经过的地区雷电灾害情况等，更要特别重视的是有些电路需经过土壤，则要考虑一些自然环境等因素，可以说，防雷设计是系统牵引的关键。高速铁路的出现，早期是在欧洲兴起的，可以说，在雷击情况下，造成接触网反射系统灾害情况，对其的处理较成熟，在评定这类灾害时，以一百千米为准，为制约雷电引起的高电压，避雷器等的使用非常有必要，但避雷器对雷电侵入无法阻止，对接触网的损坏也无多大作用，只是对接触网过电压进行保护。可以说，不管是考虑到哪方面因素，接触网避雷工作的开展非常有必要。四、高速铁路接触网雷电防护存在的问题1、避雷器防护效果有限。经统计分析，避雷器只是对重点设备进行小范围防护，对重点设备绝缘起到防护作用，不能有效减少跳闸率。有些支柱绝缘子雷雨闪络，其相邻支柱就安装有避雷器，避雷器对接触网线路类型雷电防护效果有限。2、避雷器不适宜接触网线路雷电防护。避雷器适用于隔离开关、电缆头等重点设备的雷电防护。铁路线路雷击点具有随机性及分散性，采取避雷器方式进行线路过电压保护，若要使被保护设备不受雷击侵入波的侵害，避雷器需密集设置，不得超过避雷器与被保护设备间的最大电气距离。从运营经验看，避雷器本身故障率高，且故障性质隐蔽，难于查找，易造成长时间停电，影响运输秩序。3、避雷器选型值得商榷。现有接触网普遍选用无间隙氧化锌避雷器，无间隙避雷器应用于高速铁路接触网防雷保护时，并联于绝缘子两端，避雷器长期承担系统运行电压，可能出现老化故障，需定期检测维护，与应用于牵引变电所情况相比，运维工作量大，且实施困难。带间隙避雷器型式保护机理有利于保护某项设备，但并不能达到减少跳闸率的目的，甚至有增加系统跳闸率的可能。五、高速铁路避雷器的安装情况对于高铁接触网，常见避雷措施包括安装避雷器、架设避雷线。避雷器是用于保护电气设备免受雷击时高瞬态过电压危害，并限制续流时间，也常限制续流幅值的一种电器，有时也称为过电压保护器、过电压限制器。避雷器类型有管型避雷器、阀型避雷器、氧化锌避雷器等，每种类型避雷器的工作原理不同，但其工作实质相同，都是为了保护线缆与设备不受损害。因此，在安装避雷器时，工作人员需明确接地的重要性，并严格遵守以下规定：①对处于强雷或高雷区域的高铁，工作人员需在隧道两端、绝缘关节处、接触网与供电线列接触处设置相应的避雷装置；②工作人员需在吸流变压器边缘处设置相应的避雷装置；③对处于强雷地区的高铁，工作人员需设置独立的避雷线。在我国现行实施的《高速铁路设计规范》中，对避雷器的安装提出了以下要求：用于防雷的牵引网接地装置相对应的贯通地线接入点，与与其他设备相对应的贯通地线接入点间距离应≥15m。对于高铁接触网，涉及的防雷设备通常是安装在接触网上的避雷器。这类设备主要用于削弱综合接地系统的影响，减少电压反击的可能性。由此可见，防雷设备需能降低通过地体传输的电压，使其能达到安全值范围内的距离作用，通过实践可发现，安全距离一般保持在15m或以上。六、高速铁路接触网的雷击特性1、雷电感应。在计算线路闪络率时，工作人员可根据实际情况确保所选计算方法的科学性，如幅值概率密度及范围暴露积分法。通过分析归纳可发现，对于高铁接触网，直击雷引起的闪络概率远高于雷电感应引起的闪络概率，也就是说，随着社会的发展及高架桥高度的增加，线路发生闪络的概率必然比以前有所提升。2、耐雷水平。在探索高铁接触网雷击特性时，工作人员可通过仿真分析获得相应的探索结果。先要确定比较涉及的高架桥高度，例如，其高度分别为5m、10m，相应绝缘子的长度为530mm，通过计算分析能发现，虽然比较涉及的高架桥高度存在明显差异，然而，最终的计算结果几乎相同，即高架桥的高度与接触网本身的耐雷水平之间无明显的联系或制约关系。此外，假设只有一根导线的接触线为A线，具有承力索和接触网两根导线的接触线为B线，通过模拟实验可发现，分布电容相对较小的A线其波阻抗大于分布电容较大的B线，其耐雷水平小于B线。对于架设在线路左右两侧的接触网，由于其受雷面较大，受到直击雷概率和由此引起的闪络概率较高。七、高速铁路避雷器的防护效果当前，提高接触网耐雷水平的常见措施是安装避雷器。比如，在高速公路各区域相应绝缘子端电压与避雷器整体防护效果之间联系。试验时，工作人员应有针对性的设置：未安装避雷器、每1km安装避雷器、每2km安装避雷器、每3km安装雷器四种情况，注入牵引网的电流数为20kA。通过对上述设置的不同对比组试验结果比较分析可知，影响避雷器防护效果的因素之一是避雷器与雷击点对应位置之间的距离，即随着距离的增加，避雷器的防护效果会减弱。当其位于雷击点200m范围内时，各对比组绝缘子端电压的变化幅度总体上相对一致。由此可见，能反映避雷器具有的防护效果距离约为200m。通过以上分析，得出以下结论：“若要通过安装避雷器来确保接触网耐雷水平的提高，就需确保安装避雷器的密度”。然而，随着避雷器安装密度的增加，不仅安装和维修成本会增加，而且接触网发生故障的概率也会增加。避雷器本身的局限性决定了，若将其安装在远离雷击点的地方，则避雷器对雷击过电压的抑制作用可忽略不计，避雷器与避雷点的距离越近，其