沪宁区间接触网雷害分析及防雷措施改进建议

张 慎 上海铁路局调度所

1 雷电对沪宁段牵引供电运行影响的现状

在整个牵引供电系统的防雷中，接触网的防雷问题最为突出。运营经验表明，接触网设备遭受雷击已经成为变电所跳闸的主要原因，严重时会造成接触网设备的损坏，从而使整个供电臂停电，影响运输安全。如：2011年8月13日18：31，长安集牵引所 211、212DL 跳闸，重合闸失败。故障造成合肥到长安集上行停电8 min，下行停电72 min。经查故障原因为长安集至合肥西合武绕行下行线351#支柱正馈线(F线)支持绝缘子被雷击后折断接地。

上海铁路局管内京沪线（上海站-南京站间）、沪宁城际（上海或虹桥站-南京站间）、京沪高铁（虹桥站-南京南站间）都处于强雷区。由于供电方式的不同及接触网运行环境的差别，雷击造成的影响也有所不同。现对三线在2011年雷电活动最为频繁的7、8月份的跳闸次数进行统计和比较分析(见表1)。

表1 2011年7、8月份的跳闸次数统计和比较分析

从表中可看出：受雷击影响，高速线路跳闸次数多于普速线路，京沪高铁的跳闸次数最多。这是因为京沪高铁绝大部分为高架桥梁，穿越地区最为空旷（京沪线、沪宁城际的车站都处于市区，而京沪高铁的车站都处于郊区）；部分区段（变电所至第1个AT所）接触网安装结构中又增设了加强线；建设期间，设计未充分考虑防雷措施，导致京沪高铁在雷雨季节更容易遭到雷击。为确保牵引供电系统运行安全，尤其是京沪高铁的运营安全，有必要加强对接触网防雷问题的研究，采取有效的防雷措施。

2 接触网雷害分析

袭击接触网线路的雷电主要有两类，一类是"直击雷"，即雷云与大地之间放电，俗称"落地雷"。如果接触网线路经过一大片空旷大地，而周围又没有比它更高的物体，那么，在雷雨天气，它就可能成为"直击雷"的袭击目标。直击雷往往产生几百万伏特的超高电压，会严重破坏输电线路上的各类电气设备。另一类是"感应雷"，它是云间放电或云地放电而在接触网线路上感应出来的几万、几十万伏特高电压，它与输电线本身的电压叠加在一起，也对接触网线路的各类电气设备造成严重威胁。

接触网雷害事故的形成通常要经历这样几个阶段：首先接触网线路要受到雷击过电压的作用，并且线路要发生闪络，然后从冲击闪络转变为稳定的工频过电压，引起线路跳闸，如果跳闸后自动重合闸不成功，就会造成供电臂停电。具体发生地点及其原理可分为两类：

(1)雷击接触网支柱。当雷击接触网支柱时，雷电流沿支柱入地并在支柱上

产生冲击电压U1，其计算式为：

式中，R为支柱的冲击接地电阻，Ω；i为雷击电流幅值，kA；L为支柱的等值电感，μH。

同时雷击通道产生的电磁场迅速变化。规程上给出的感应过电压U2的计算式为：

式中，H为导线的离地高度，m。

冲击电压和感应过电压的叠加值，随着接触网支柱的接地电阻升高而升高，即引起闪络的雷电流幅值和绝缘子闪络概率随接触网的接地电阻而增加。

(2)雷击接触网导线。雷击接触网，包括承力索、接触线、正馈线、加强线等在接触网上产生过电压。当这个电压达到支持绝缘子的冲击放电电压时绝缘子闪络，雷电流经支柱、钢轨入地，过电压随之降低。但由于支柱的电感、接地电阻对雷电流的阻尼作用，过电压不可能降到某一极小的数值，然后又随雷电流在支柱、钢轨的电感、接地电阻上产生的压降而增大。作用于线路支持绝缘子上的电压为：

式中，Z为接触网线路的波阻抗，Ω；Z0为雷电流波阻抗，Ω；im(t)为雷电流，kA。

3 沪宁段接触网防雷措施

根据接触网雷害事故的形成特点，在防雷措施的采取上也要做到"四道防线"，即：使接触网线路不直接受雷；或者线路受雷后绝缘不发生闪络；或者闪络后不建立稳定的工频电弧；或者建立工频电弧后不中断供电臂供电。在确定接触网线路的防雷方式时，还应全面考虑线路的重要程度、系统运行方式、线路经过地区雷电活动的强弱、地形地貌的特点、土壤电阻率的高低等条件，结合既有线路运营经验，根据技术经济比较的结果因地制宜，采取合理的保护措施。

沪宁段三线接触网在设计时都参照了《铁路电力牵引设计规范》的规定：接触网大气过电压的防护，应根据雷电活动情况，结合运营经验，采取相应的防护措施，在电分相和电分段锚段关节、长大隧道两端、分区亭引入线和牵引变电所馈线出口处设置避雷装置。

为了加强高速线路接触网防雷电侵害能力，沪宁城际设计设置避雷器的地点是：(1)供电线上网处；(2)超重雷区正线关节处和电分相处加设避雷器；(3)长度2 000 m及以上隧道进出口；(4)超重雷区长度l 000 m及以上桥梁每一锚段关节处。京沪高铁作为目前国内设计里程最长的高速铁路，其接触网防雷设计上与普速线路相比，并没有提高标准，只是按照设计的基本原则在基本处所设置避雷器。结果是至今年6月底投运以来，如前分析，京沪高铁的雷击跳闸次数远大于沪宁城际和京沪普速线。

4 提高防雷能力的建议

为提高沪宁段接触网，尤其是京沪高铁接触网的防雷能力，有两个方案可供选择。

(1)方案一：增设避雷线

避雷线沿铁路线与接触网平行架设，且避雷线高于接触网设备，在雷雨天起到了引雷的效果。当有直击雷时，避雷线将雷击产生的巨大电流通过接地系统释放。避雷线的架设可以有效避免直击雷对接触网设备的破坏。它的保护范围取决于它的长度，即避雷线架设到哪里，保护就到哪里。目前，国外（如日本）部分客专线已经采用该方式进行避雷。在沪宁段现有运营的线路上进行改造，其难度较大。当前，可考虑在京沪高铁选择1至2个供电臂进行改造试验，若在雷雨季节防雷效果突出，再逐步进行推广使用。方法是直接将加强线改造成避雷线。京沪高铁的加强线处在一个供电臂的前半段，一般安装在变电所至第1个AT所间的接触网支柱柱顶上，用以提高导电有效面积。京沪高铁和沪宁城际的接触网导线规格相同，正线承力索均为铜镁合金绞线（JTMH120），正线接触线均为铜镁合金线（CTMH150），导线载流量满足设计标准。按照京沪高铁初期运营速度，与沪宁城际接近，列车密度还小于沪宁城际，而沪宁城际的接触网构造中，并未采用加强线。同时采用加强线还具有一定的副作用，如引雷（也是京沪高铁雷击跳闸次数大于其它线路的原因之一）。运营经验表明，取消加强线是可行的。改造后的避雷线安装可参考图1所示：

图1 避雷线安装示意图

(2)方案二：增设避雷器

避雷器的主要作用是限制雷电波侵入接触网系统的主要电气设备。为了使避雷器达到预期的保护效果，必须正确使用和选择避雷器，对避雷器的基本要求是：雷电击于接触网线路时，过电压会沿着导线侵入变电所，在危及被保护绝缘时，要求避雷器能瞬时动作；避雷器一旦在冲击电压作用下放电，就造成对地短路，此时瞬间的雷电过电压虽然已经消失，但工频电压却相继作用在避雷器上，此时流经间隙的工频电弧电流将是间隙安装处的短路电流，为了不造成断路器跳闸，避雷器应当具有自行迅速截断工频电弧电流、恢复绝缘强度的能力，使供电系统得以继续正常工作；应当具有平直的伏秒特性曲线，并与被保护设备的伏秒特性曲线之间有合理的配合，这样，在被保护物可能击穿之前，避雷器便发生动作，将过电压波截断，从而起着可靠的保护；具有一定的通流容量，避雷器动作以后，在规定的雷电流通过时，不应损坏避雷器，同时在避雷器上造成的压降（残压）应低于被保护物的冲击耐压值，否则，虽然避雷器动作，被保护物仍有被击穿的危险。

现在国内客运专线多采用氧化锌避雷器，该型避雷器为新型过电压拟制电器，主要由氧化锌非线性电阻片组装而成，是一种空气间隙金属氧化锌避雷器。它具有理想的伏安特性，这种特性使它在正常的工作情况下，流过的电流非常小，即在系统工作电压下，具有极高的电阻而呈绝缘状态。当过电压幅值超过一定范围时，则呈低阻状态，泄放雷电流，使与避雷器并联的电气设备的残压拟制在设备绝缘安全值以下。待有害的过电压消减后迅速恢复高阻绝缘状态，从而保证了电气设备的正常运行。另外该种避雷器体积小、重量轻，安装在现有接触网上不会明显增加接触网的机械负荷；避雷器结构紧凑，安装方式简单，便于现场安装和更换。对京沪高铁接触网而言，除按《铁路电力牵引设计规范》的要求在基本处所设置氧化锌避雷器外，还应考虑在重雷区、重污区或空旷的地方，每个锚段的F线、T线各增加一台氧化锌避雷器。

5 结论

综合比较以上两个方案，方案一的防雷效果好，但施工改造难度大；方案二的安装施工简单，但防雷保护范围有限。应组织有关部门进行综合试验，通过运营经验来检验防雷效果，并为其它客运专线的防雷设计提供参照。当前设备管理单位必须高度重视接触网防雷工作，针对雷击跳闸占总跳闸次数比例大的现状，加强线路防雷运营维护，及时查找雷击故障点和更换受损的绝缘子；完善线路雷击跳闸信息的统计，及时开展防雷运行总结和分析评估；积极开展线路防雷科研和新技术应用，有效指导线路雷击故障点查找。通过多种措施，切实提高沪宁段接触网的防雷能力，确保牵引供电系统运行安全。