高速铁路接触网智能避雷线方案研究

古晓东

高速铁路接触网智能避雷线方案研究

古晓东

提出高速铁路接触网光纤复合架空避雷线设计、架设方案以及光纤监测系统安装方案，结合运营维护需求提出可行的监测方案，满足故障实时报警和精确定位要求，并通过监测数据进一步提升架空导线的设计质量。

接触网；光纤复合架空地线；避雷线

The paper puts forward the scheme for design and erection of optical fiber composite aerial lightning wires and the scheme for installation of optical fiber monitoring system,proposes feasible monitoring scheme with connection of operation and maintenance requirements,they are able to meet the real time failure alarm and accurate locating requirements,and improve thedesign quality of aerial conductorsassisted with themonitoring data.

OCS;optical fiber compositeground wire;lightning conductor

0 引言

高速铁路接触网防雷问题一直是研究的热点之一，根据目前的研究成果，结合高铁接触网的结构特点，应优先选用架空避雷线作为防雷措施[1]。目前，国内接触网架空避雷线一般采用镀锌钢绞线或铝包钢芯铝绞线，防雷效果良好。但避雷线断线后无法及时判断故障点，同时，由于缺乏对架空导线实际运行状态的掌控，在极端气候条件下存在与其他带电线索绝缘距离不足等问题，对接触网安全运行构成隐患。

为解决上述问题，研究并建立接触网智能避雷线系统非常必要。智能避雷线系统包括避雷线和监测系统2部分。避雷线采用光纤复合架空地线（简称OPGW），监测系统采用光纤监测。OPGW为传统架空地线与光纤的二合一结合体，兼具通信和架空地线双重功能，目前已在电力系统中得到广泛应用。利用OPGW作为架空避雷线，既能满足防雷要求，又能实现在线监测和故障报警功能，具有良好的技术性能。

1 系统方案设计

基于OPGW的接触网智能避雷线方案由OPGW架设方案和监测系统安装方案2部分组成，其主要功能如下：

（1）防止雷电直击接触网，兼防感应雷；

（2）对避雷线的温度、应力、断线情况进行在线监测，具备数据记录和历史数据分析功能；

（3）可对故障点进行精确定位，具备即时报警功能。

避雷线在线监测原理是通过在接触网上方架设OPGW，并与监测系统连接构成回路。光纤传感的灵敏度较高，可用于高压、电气噪声、高温、腐蚀等恶劣环境。光纤能实现对磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。监测系统通过对光纤信号的监控，监测避雷线的运行状态。由于车站内站房等高大建筑物可对接触网设施起到一定防护作用，因此车站内一般不需架设避雷线，仅考虑在区间架设。上下行避雷线在区间末端并联，再通过光纤与变电所内监测系统连接。一般线路的区间长度不超过50 km，采用一套监测系统即可满足整个区间的监测要求。典型区间智能避雷线系统示意图见图1。

图1 典型区间智能避雷线系统示意图

2 OPGW架设方案

2.1 OPGW的规格选用

OPGW由传统绞线和光纤组成，其典型结构如图2所示。

图2 OPGW典型结构

OPGW外层由绞线组成，内层由不锈钢管和光纤组成。在确定适用于接触网架空避雷线的OPGW规格时应考虑以下因素：

（1）安装。从安装角度，OPGW的重量、抗拉强度应满足设计张力、弛度以及支柱容量要求。同时，OPGW应具有良好的服役性能，不低于常规避雷线的使用寿命。

（2）电气特性。作为架空避雷线，OPGW的横截面和材质应满足雷击泄流要求，以保护接触网设备。

（3）监测功能。为实现监测功能，在线路各种工况下，OPGW的光纤均应满足监测系统要求。

基于上述3方面因素，结合目前国内接触网架空避雷线的应用经验，OPGW的规格可选用GJ-50（Zn-5%Al-RE GJ 1×19-9-1270-B），内层采用8芯光纤。

2.2 OPGW的安装方案

OPGW的安装形式可参照《高速铁路牵引供电系统雷电防护技术导则》（铁总运[2016]237号）中的安装方案[2]，典型安装示意如图3所示。

图3 OPGW典型安装示意图

导线的安装高度根据具体线路的土壤电阻率、线路沿线地闪分布、接触网导线对地高度等因素确定。高速铁路一般采用综合接地系统，在设备支柱上安装OPGW时，应采用绝缘悬挂方式，其他可采用非绝缘安装。OPGW应与钢支柱可靠连接，钢支柱再与综合接地系统可靠连接。

为实现雷电流泄放通道冗余，避雷线除每隔不大于500 m单独设置一处引下线外，在隔离开关支柱两侧邻近支柱处再各设置一处引下线，通过接地引下线将避雷线与基础上预留的接地端子相连，引下线采用1×VV-1kV-1×70铜芯电缆。防雷接地引入综合地线的连接点与通信、信号及其他电子信息系统在贯通地线上的接入点间的水平距离不应小于15 m[6]。

OPGW的施工架设不同于普通钢绞线，为了不影响光纤的性能，需防止永久损伤，并注意OPGW的扭转、微弯、线夹外的局部径向压力和对光纤的污染。相比常规的架空避雷线，OPGW的施工安装还需考虑以下因素：

（1）防振措施设计。OPGW配套使用的金具中，耐张线夹为预绞丝式，悬垂线夹配有预绞丝和橡胶衬垫，这2种金具已具有一定的防振能力。为进一步加强防振效果，可考虑安装防振锤。防振锤是为了减小风振的影响，保护OPGW本体并延长其使用寿命，其放置在每根支柱的耐张、悬垂金具两侧，配置数量和挂点位置需根据线路情况确定。

（2）防止OPGW扭转。架线时，在走板和紧线夹处加装平衡锤、防扭器，并采用特殊的双槽滑轮。放线采用双绞盘张力放线机。

（3）防止并减少OPGW的微小弯曲及应力。架线过程中不允许出现锐角，且OPGW缆盘直径不宜小于1 500 mm；放线滑轮直径应为OPGW直径的25倍以上，一般不得小于500 mm；滑轮的内侧需加装尼龙或橡胶衬垫，防止擦伤OPGW表面。

（4）放线张力控制。采用带张力释放装置的液压张力放线机和牵引机，控制放线速度≤0.5 m/s。

（5）防止光纤污染。架设OPGW一般选用金属外壳的帽式架空通信光缆接头盒，以达到良好的耐电磁老化、抗外力损伤及防水等性能。在OPGW施工架设中应对端头加以封装。在OPGW运抵现场架设前、架设完毕进行光纤接续前及全线施工结束后，均需在现场及时进行OPGW的光纤衰耗验收测试。开通验收前应进行全程的光纤测试，包括线路长度、光纤衰耗特性、接续衰耗等，并完成测试报告，为开通验收做准备。

OPGW架设完成后，在线索的末端进行光纤接续，通过敷设光纤与监测系统连接。

3 监测系统安装方案

光纤监测系统在通信、电力行业已被广泛应用，为较成熟的设备，寿命周期长且基本免维护。避雷线监测系统设光端机和RTU（远程终端单元），与线路上的光纤形成回路，通过监测光纤信号，判别避雷线的工作状态。其基本原理如图4所示。

图4 避雷线监测系统原理

为节约用地，方便维护管理，监测系统可在变电所、分区所或AT所内安装，与所内其他设备相互独立。所内安装示意如图5所示。

监测系统可置于所内的通信机房，设备尺寸为600 mm（宽）×1 000 mm（长）×2 100 mm（高），采用一路220 V交流电源。由于光纤具有抗电磁干扰特性，进所光纤可与进所电缆同沟敷设。

图5 所内监测系统安装示意

4 监测方案

为满足运营维护需要，避雷线监测系统设计应具备以下功能：

（1）断线故障报警功能。为及时排除故障，缩小故障影响范围，需对避雷线断线故障进行实时报警并精确定位。监测系统中输入避雷线所在区间的接触网平面布置数据，包括接触网支柱里程、杆号等信息，当避雷线遭遇雷击时，通过光纤故障测距，即可实现对雷击点的精确定位。

（2）实现无人值守。目前变电所、分区所、AT所正在逐步实现无人值守，如单独为避雷线监测系统配备值守人员将造成极大的浪费。为节约人力成本，提高维护效率，监测系统可通过内置通讯模块实现无人值守，结合运营单位的管理模式，通过网页客户端、手机APP等形式，及时将故障信息告知运营维护人员。

（3）运行状态监测功能。监测系统除可监测雷击故障外，还可监测避雷线的温度、应力、振动状况。通过监测系统可积累大量运行数据，分析架空导线在高温、覆冰、大风等各种工况下的运行状态，更好地掌握架空导线的工作规律，为今后进一步提升设计质量奠定基础。

5 结语

高速铁路系统正在向智能铁路方向发展，而智能化离不开数据的支持。基于OPGW的高速铁路接触网智能避雷线方案可实时提供避雷线运行数据，为建设智能接触网系统提供支撑。该方案既可保证雷电防护效果，还可实现故障的实时自动报警。同时，通过积累大量的架空避雷线运行数据，可为进一步提升同类型架空导线的设计质量提供基础资料。该方案由于安装条件不高，施工对既有线运营影响较小，不仅适用于新建线路，同时也适用于既有线增设避雷线项目。目前，该系统在国内电力系统中已有大量应用案例，铁路领域在广深港铁路等项目中已开始应用，现场反馈效果良好。通过不断地积累经验和研究总结，OPGW在铁路电气化领域将有广阔的应用前景。

[1]孙少江.高速铁路接触网防雷技术[J].电气化铁道，2017，28（3）：43-48.

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[3]于万聚.高速电气化铁路接触网[M].成都：西南交通大学出版社，2002.

[4]TB10009-2016铁路电力牵引供电设计规范[S].

[5]吴广宁，任晓娜，付龙海，等.高速铁路防雷接地技术的研究-接触网防雷[J]. 电气化铁道，2006，（z1）.：30-32+37.

[6]TB10180-2016铁路防雷及接地工程技术规范[S].

[7]TB10621-2014高速铁路设计规范[S].

[8]TBT2075-2010电气化铁路接触网零部件[S].

U226.8+3

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1007-936X(2017)06-0036-04

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.06.010

古晓东.中国铁路设计集团有限公司，工程师，研究方向为电气化铁路接触网。

课题项目：中国铁路总公司科技研究开发计划重大课题《高速铁路接触网故障预测与健康管理》（2015J008-A）。