避雷器分布对雷击跳闸率影响探讨

张蜀华

0 引言

铁路牵引接触网因其无备用的特殊运行方式，一旦遭受雷害影响严重。京沪高速铁路2011年7月正式运营通车，当时正值夏季的雷害高发期，因此先后出现了多起雷击并损坏接触网绝缘子事故。据统计，北京铁路局管辖范围内7月份雷击跳闸共计27次，济南铁路局7、8月份雷击跳闸共计20次，上海铁路局7月份雷击跳闸共计53次，所有雷击跳闸均重合成功，未对正常行车造成影响，但因雷击造成了部分绝缘子损坏。

京沪高铁接触网防雷设施比较薄弱，防雷措施一般可以从以下方面加强：线路距地面平均高度较高、雷电日较多的区域架设避雷线；合理增设避雷器，增加泄流通路，使雷电流泄入大地；提高绝缘子的湿闪耐压水平，确保绝缘子在雷雨季节运行安全；研究综合接地系统，进一步降低接地电阻；根据实际情况，分线分区段进行差异化防雷设计等。目前，大多项防雷措施基本达成共识。但对避雷器，《高速铁路设计规范》中未对高架桥与高路基作出条文解释，对避雷器设置方案未有明确说明，可操作性较差。因此分析避雷器的设置分布与雷击跳闸率的关系，对于后续工程的开展，具有十分重要的工程意义。

1 避雷器对雷击跳闸率的影响

雷击发生时，避雷器以其强大的分流作用，使附近支柱得到有效保护，因此也是防雷保护中最经济有效的方式之一。但由于落雷点具有充分的随机性，如果在未安有避雷器的支柱附近刚好发生雷击，那么周围支柱绝缘子则仍然可能发生闪络。因此避雷器的装设密度的有效性对供电系统雷电防护效果起着重要的作用。

1.1 直击雷跳闸概率

跳闸次数NZ= NηP

式中，N为每100 km线路年遭受直击雷次数，N =γ TdB / 10，其中Td为年雷暴日数；γ为地面落雷密度，国际大电网会议推荐为；B为接触网受直击雷区域范围内垂直线路方向的引雷宽度；η为建弧率；P为雷击跳闸概率。

以n根支柱为一组架空地线集中接地，则认为在n根支柱之间，（n – 2）根为非集中接地支柱，接地支柱左右的半个跨距（25 m）上的落雷，都等效为集中接地支柱顶部（跨度为25 m），其他落雷都集中非接地支柱（跨度为25（n - 2）m），取雷击柱率g = 1 / 4，击线率1 – g = 3 / 4。分别考虑接触网与支柱的耐雷水平不同，则100 km线路每年由直击雷引起的实际跳闸的次数为

式中，PJ为雷直击接触网的闪络概率；PZ为雷击非集中接地支柱的闪络概率；PD为雷击集中接地支柱的闪络概率。

1.2 感应雷跳闸概率

以垂直钢轨方向为x轴，按线路方向将接触网附近地面落雷区按Δx的宽度等分，则对于每个小区间的耐雷水平，，100 km年落雷次数为N = γ Td×0.1Δx，则感应雷击引起的每年实际发生跳闸的次数：

每年总雷击跳闸率为n = ng+nz

从表1可得，添加架空地线后，随雷暴日数的增加和避雷器间隔支柱的增多，线路雷击率明显增长。因此，以所需达到的防雷要求选择，该线路在不同的雷暴日条件下，设置避雷器间隔不同，如果雷电日是30，40，50天，理论上间距以500，400，300 m为佳；如果雷电日继续升高，需加强其他防雷措施共同配合。

表1 避雷器的安装方式与雷击跳闸率关系表

1.3 连续闪络概率

当雷击发生时，不但会引发被雷击支柱的闪络，同时如果首根支柱绝缘子闪络后顶部的残压超过了第 2根支柱的绝缘子电压 50%，将引发第 2根支柱的闪络，直至第n根支柱，即

考虑雷击非集中接地支柱（未安装避雷器）和雷击接触网2种情况下，取击柱率g = 1 / 4，击线率1 – g = 3 / 4。由于接触网与支柱的耐雷水平不同，闪络概率：P = gPZ+ (1-g)PJ。

计算可得：

雷击接触网时，根据对称性，即第n根支柱绝缘子闪络的概率为 P（-n）=P（n），可见，没有接地的情况下，根据对称性支柱要连续闪络10次，就可以基本忽略。考虑连续闪络的概率，接触网雷击跳闸率进一步增大，要达到良好的防雷效果，间隔支柱数量需要进一步减小，从经济性考虑，避雷器安装间隔越大越好，因此根据实际线路所在地区、所处地形环境、行车速度等情况，合理选择所需要的避雷器分布方案才能达到最优的工程性能。

2 避雷器分布安装建议

目前避雷器通用的方法是按照《铁路电力牵引供电设计规范》TB10009-2005中“防雷、绝缘、接地”章节中5.3.1规定：应根据雷电日及运营经验，按下列原则对接触网进行大气过电压保护：a.吸流变压器的原边应设避雷装置。b.高雷区及强雷区，下列重点位置应设避雷器：分相和站场端部绝缘锚段关节；长度2000 m及以上隧道的两端；较长的供电线或AF线连接到接触网上的接线处。c.强雷区应架设独立的避雷线，其接地电阻值应符合相应规定。

然而随着高速铁路的修建，安全要求的不断提升，桥梁在高铁中的比重加大，长度超过10 km的桥梁越来越多，超长桥梁不仅需要在其两端设置避雷器，还要考虑在中部增设避雷器。铁路规范中一般要求直线区段，半锚长度不超过750 m，因此至少在高雷区、强雷区的每一个锚段的中心锚结附近增设1台避雷器；在AT所附近增设绝缘关节，同时增设2台避雷器（上下行各1台）；在多雷区、少雷区每隔一个锚段，在锚段关节附近（不得在锚段关节内）增设1台避雷器。

避雷器一般为氧化锌避雷器，带脱离器、计数器，装配的合成绝缘子泄漏距离1600 mm；本体安装距柱顶约1 m处，计数器安装距地面约2.5 m处（便于观察处）。接地按作用的不同，分为2类：工作接地和安全接地。避雷器的接地中，通常被要求进行双重接地，即工作接地和安全接地2种不同类型的接地。因此一般情况下，路基地段的避雷器接地，一端接PW线（安全接地），另一端单独打接地极（工作接地），且避雷器接地极电阻值小于10 Ω；困难情况下，桥梁区段的避雷器接地一端接PW线，另一端连贯通地线接入综合接地系统，支柱直接相连的综合接地系统电阻值小于1 Ω，同时可以把每个支柱的接地电阻全部降低到一个合适的水平。贯通地线上的接入点与其他设备在贯通地线的接入点间距不应小于15 m。

3 结语

随着高速铁路在国民交通生活中的比重日益增大，行车安全也日益成为人们关注的焦点。接触网以其无冗余无备用，成为衡量电气化铁路系统可靠安全的指标之一。以武汉铁路局2010年为例，全年牵引供电引起的跳闸事件中，雷击造成的绝缘子闪络达到48.9%，动车组故障占11.1%，设备质量、地方电源外部施工、鸟害引起的各占 6.7%，其他占13.3%。可见雷击事故仍然是影响电气化铁路安全可靠性的重要因素，做好防雷工作仍是高速铁路的重要任务。然而现今高铁设计规范对防雷接地仍然没有给出一个明确要求，因此建议制定电气化铁路每 100 km、每年雷击接触网跳闸率指标或雷击接触网设备故障指标，完善接触网防雷接地技术方案及标准，对避雷设备的安装作出明确要求。

[1]于增.接触网防雷技术研究[J].铁道工程学报，2002，（1）：89-94.

[2]解广润.电力系统过电压[M].北京：水利电力出版社，1985.

[3]范海江，罗健.铁路客运专线接触网防雷研究[J].铁道工程学报，2008，（8）：80-83.

[4]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，2010.

[5]刘靖，刘明光，屈志坚，等.接触网雷击跳闸率的新算法[J].中国铁道科学，2010，31（2）：73-78.