客运专线接触网避雷器防雷探讨

王冀饶

0 引言

电气化铁路接触网没有备用，易遭受雷击引起设备损坏或线路跳闸、列车失电，致使运输中断。雷击侵入波过电压通过接地系统、回流系统传入牵引变电所或其他系统设备，可能引起设备损坏，造成严重事故。客运专线不是经过山顶等容易雷击地段，但其采用的高架桥架设方案使接触网系统遭受雷击的几率大大增加。目前还没有成熟的接触网防雷系统，各条客运专线采用的接触网避雷器设置和接地方式均有差异。

1 防雷保护的方法

通常防雷采用主动防雷和被动防雷的方法。主动方法包括遮盖、堵截、隔离，被动方法包括提高设备绝缘水平等。遮盖是指用避雷针或避雷线在被保护设备上空形成保护伞，保护伞范围内的被保护设备可免遭直接雷击。堵截是指在被保护设备的前后安装避雷器和保护间隙，以降低雷电波的峰值陡度，保护设备的绝缘水平。隔离是指不同接地网之间的隔离，防止高地电位反击，电气化铁路中通信信号设备和牵引供电系统的地网需要隔离。提高设备绝缘水平，可防止设备不被雷击穿，但雷电波可能侵入相关设备，致使设备损坏。

2 接触网直击雷电压

图 1描述了双线电气化铁路直供加回流方式下的接触网电气几何模型，其中，M、H分别表示承力索和回流线所在位置；rM、rH、rG分别为雷电先导对承力索、回流线、大地的击距。按照雷击接触网部分的不同，直击雷过电压分为雷击接触网支柱（或回流线，即击中图1中圆弧AB或DE）和雷击接触线（承力索，即击中图 1中圆弧 BC或CD）2种情况。

图1 接触网电气几何模型

2.1 雷击接触网支柱

当雷击接触网支柱或回流线时，由于雷击点阻抗使其对地电位大大升高，当电压超过线路绝缘子U50%时，可能引起支柱或回流线对接触线（承力索）放电，该雷击闪络现象被称之为反击。参照输电线路雷电过电压的计算方法，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，其计算公式见式（1）：

式中，R为支柱的冲击接地电阻；i为雷电流幅值；L为支柱的等值电感。

此时雷电通道的电磁场迅速变化，在线路上产生感应过电压U2，

产生在绝缘子上的电压U为冲击电压U1和感应电压U2的叠加，

随着雷电流的增加，产生在接触网绝缘子两端的电压U随之升高，其大于绝缘子的U50%冲击闪络电压时，将引起绝缘子闪络，根据式（3），可以得到接触网耐雷水平I。

2.2 雷击承力索

雷击中承力索时，雷电波向两侧传播，使导线电位升高，引起绝缘子闪络。雷电流向两端传播，在接触网上产生过电压，当该电压达到腕臂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。

当接触网遭受雷击时，靠近雷击点的腕臂绝缘子闪络，由于雷击电流波形为斜角平顶波，放电时沿绝缘子的闪络时间t′只能发生在波头时间内。根据接触网的等效电路，可以列出该电路的特性方程式（4）：

3 接触网感应雷击过电压

感应雷过电压主要是由于电磁场的剧烈变化，通过电磁耦合产生。当雷云接近接触网上空时，根据静电感应原理，将在线路上感应出一个与雷云电荷大小相等但极性相反的电荷，该电荷将产生一个沿线路方向的电场强度Ex。当雷云主放电开始后，先导通道中的电荷自下而上被迅速中和，相应的电场迅速减弱，使导线上的束缚电荷迅速释放，电压波向两侧传播，因而形成了过电压。

可以利用电磁场方法计算出雷击时接触网的感应过电压，导线上距离中心点为x处的过电压为

式中，K′为一常数，一般取25；I为雷电流幅值；H为导线高度；y0为雷云中心到导线中心点距离；x为导线上距离中心点y0的距离。

4 接触网防雷方式

4.1 架设避雷线

架设避雷线可有效防止雷电直击接触网，分流雷电流，降低雷击时绝缘子上的电压和接触线的感应电压。但采用避雷线有诸多缺点：从增加直接投资成本来看，以每条公里接触网为例，需要增加1 km避雷线、约25处支撑装置（肩架、绝缘子等），与接触网支柱同杆架设则增加接触网支柱长度1 m左右。初步估算，仅直接投资需增加费用约 9.05万元，尚未考虑增加避雷线荷载后支柱容量增加引起的费用。以沪杭高铁为例，双线300正线公里，如架设避雷线则需要增加投资约2.715千万元。

4.2 装设避雷器

避雷器的冲击放电电压或残压均低于绝缘子的放电电压，当接触网遭受雷击时，在产生的过电压超过避雷器的放电电压时，避雷器首先动作导通，释放雷电流，之后在工频电压下呈现高阻，工频续流截断，从而保护绝缘子免于闪络，接触网系统保持持续工作。目前接触网系统普遍采用避雷器进行防雷，但避雷器仅能防止雷电过电压，并不能防止直击雷。

5 接触网避雷器的设置和接地方式

根据《铁路电力牵引供电设计规范》（TB10009-2005）第5.3.1要求，在下列重点地区应设置避雷器：

（1）电分相和站场端部绝缘锚段关节。

（2）长度2 000 m及以上隧道的两端。

（3）较长的供电线或 AF线连接到接触网上的接线处。

除此之外在被公路或铁路桥梁跨越的接触网两端和无柱雨棚及天桥的接触网两端均应安装避雷器。考虑到桥梁在客运专线中的比重加大，且长度超过10 km的桥梁越来越多，因此超长桥梁不仅要在其两端设置避雷器，还应考虑在其中部增设避雷器。客运专线普遍采用电缆供电，因此在电缆与架空线路的连接处应增设避雷器。

接地按作用的不同，分为2类：功能性接地（也称工作接地）和保护性接地。在避雷器的接地中，设计通常要求进行双重接地。在实施过程中，双重保护被理解为2组接地极或是2种不同类型的接地极或 2种不同的接地方式。笔者同意最后一种认识，即双重接地是指避雷器工作接地和保护接地2种接地方式。图2为避雷器接地示意图。

图2 避雷器接地示意图

图2中左侧箭头代表的是工作接地，计数器是串接在工作接地中的，工作接地是避雷器卸载雷电流的通道，应接至独立接地极。图2中间向下箭头代表的是保护接地，是防止在安装底座（避雷器本体、计数器安装底座）上产生过高的静电和感应电流而采取的一种保护接地，可接入PW线或综合接地系统。工作接地和保护接地应采用电缆接地，且不应共用接地通道。

由于计数器安装支架不绝缘，计数器和接触网支柱（钢柱）之间不绝缘，接触网支柱作为工作接地的一部分，则应按照《高速铁路电力牵引供电工程施工质量验收标准》（TB10758-2010）的要求，避雷器接地极电阻值小于 10 Ω，但与支柱直接相连的综合接地系统电阻值小于1 Ω。这样大部分雷电流就可通过综合接地系统卸载。如果施工单位未严格按照防雷设备接入综合接地系统时，接入点与其他通信信号设备的接地点大于15 m的要求，则有可能造成雷电流侵入通信信号系统而损坏设备。

因此笔者建议将计数器与支柱进行绝缘安装，以避免发生工作接地和保护接地混接、支柱成为工作接地一部分的情况。

6 总结与建议

由于客运专线在国民经济生活中的重要性日益加大，人们对于行车安全性和舒适度要求越来越高。如何保证接触网系统可靠、安全供电，成为接触网设计更为重要的课题，如何研究、设计一种经济、可靠的避雷设施日趋紧迫。笔者希望相关规范对避雷设备的安装作出明确要求，便于设计、施工、运营单位共同使用一个标准，避免因理解的差异而造成误解。

[1]TB10758-2010 高速铁路电力牵引供电工程施工质量验收标准[S].

[2]TB10009-2005 铁路电力牵引供电设计规范[S].

[3]王常余，邹跃平.电气接地防雷190问[M].上海：上海科学技术出版社，2009.

[4]陈家斌，高小飞.电气设备防雷与接地使用技术[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[5]吴广宁，曹晓斌，李瑞芳.轨道交通供电系统的防雷与接地[M].北京：科学出版社，2011.