京沪高铁接触网雷击跳闸分析及改造建议

许毅涛

0 引言

京沪高铁自2011年6月30日开通运行后，牵引供电系统运行基本稳定，但也出现了一些不尽人意的地方，特别是进入雷雨季节以来，跳闸频繁，虽然绝大部分重合成功，并未对运输造成影响，但是雷击引起的绝缘设备闪络烧伤，是接触网安全运行的隐患。

1 京沪高铁上海段接触网雷击跳闸分析

为便于说明问题，笔者选取沪宁城际南京西分区所至黄渡分区所约281正线公里的线路，与京沪高铁沪宁段南京南牵引变电所（以下简称牵引所）至黄渡分区所约 283正线公里的线路进行比较分析。2条线路基本平行，而且两者大部分线路都采用高架方式，时间为2011年7月1日—8月31日（表1）。

表1 跳闸数据比较表（2011年7月1日—8月31日）

对表1数据进行分析，可以得出如下结论：

（1）京沪高铁接触网非雷雨天气运行比较可靠。2条线路长度接近，2个月里，京沪高铁沪宁段的非雷雨天气跳闸只有2次，而沪宁城际有7次，说明京沪高铁沪宁段的接触网在非雷雨天气还是比较可靠的。

（2）京沪高铁接触网的防雷措施有待改进。沪宁城际共跳闸 73次，雷雨天气跳闸 66次，占90.4%。京沪高铁沪宁段共跳闸189次，雷雨天气跳闸187次，占98.9%。雷雨天气跳闸所占百分比，京沪高铁沪宁段偏高；雷雨天气跳闸绝对值，京沪高铁沪宁段是沪宁城际的2.83倍。以上数据表明，京沪高铁接触网防雷措施还有待改进。

（3）京沪高铁接触网加强线被雷击次数最多。沪宁城际雷雨天气跳闸T线36次，F线30次，两者之比 1.2∶1；京沪高铁沪宁段雷雨天气跳闸 T线135次，F线48次，两者之比2.8∶1。从整个京沪高铁上海局管段雷雨天气跳闸统计看，跳闸总计254次，T线186次，F线60次，T-F间8次。以上数据表明，京沪高铁T线被雷击的次数远远高于F线。

京沪高铁沪宁段雷雨天气跳闸T线135次，通过测距装置确定在牵引所—AT所之间为104次，之外为18次，测距失败13次。整个京沪高铁上海局管段雷雨天气跳闸T线186次，落在牵引所—AT所之间的 145次。这些都说明京沪高铁的牵引所—AT所间T线遭雷击跳闸特别严重。

分析其中原因不难发现：为增强 T线导流能力，京沪高铁在牵引所—AT所间加设了加强线，该线没有任何避雷措施，且一般架设在支柱最高处，因而导致雷击跳闸次数特别多。在上述期间雷雨跳闸后的巡视发现，加强线绝缘子有雷击痕迹的26处，腕臂有雷击痕迹的6处，F线绝缘子有雷击痕迹的2处。由此可以得出结论：架在支柱最顶端的加强线导致雷击跳闸次数增加。图1是京沪高铁支柱线索布置图。

图1 京沪高铁支柱线索布置图

2 京沪高铁接触网3种防雷方案分析

目前对如何减少京沪高铁接触网雷害，主要有3种意见：安装放电间隙、改架避雷线、增设线路避雷器。下面对3种方案进行分析说明。

（1）安装放电间隙。为了保护绝缘子，有人提出在绝缘子上安装放电间隙。图2为绝缘子安装间隙后的冲击闪络试验例图。

图2 保护间隙的冲击闪络试验例图

加装放电间隙的优点：当发生雷击时，放电间隙之间的空气首先击穿，电弧不从绝缘子表面经过，因此绝缘子裙片不会因电弧高温炸裂，从而有效保护了接触网绝缘子。而且放电间隙结构简单，造价低廉，可以在每个支柱上安装。

但安装间隙后会带来以下不利影响：一是放电间隙不能避免雷击跳闸。当放电间隙被雷电击穿后，间隙间形成电弧，虽然雷电持续时间很短，但接触网的工频电压始终存在，继续沿电弧形成的放电通道放电，引起断路器跳闸。二是安装放电间隙会导致雷击跳闸率升高。放电间隙击穿电压比绝缘子要小得多，导致接触网整体绝缘水平下降，雷击跳闸率也会相应提高。目前还没有接触网安装放电间隙后雷击跳闸率的统计数据，从地方供电部门对110，220 kV线路的统计来看，安装放电间隙后，220 kV线路的雷击跳闸率增加了6.5%，110 kV线路的雷击跳闸率增加了10.9%[4]。

（2）改架避雷线。避雷线架设简单，防护效果也好，每公里造价20000元左右，建议新建的客运专线线路把PW线架设在支柱最顶端，兼作避雷线，可以有效防雷。但京沪高铁为增加线路导流能力，在牵引所—AT所间接触网支柱最上端架设了加强线，已经没有位置再架设避雷线。有人提出撤销加强线用避雷线代替的方案，笔者认为不合适，理由如下：

a.架设避雷线需要把支柱加高，造成新的不稳定因素。京沪高铁绝大多数平腕臂加上横绝缘子的长度都在3000 mm以上；而支柱外侧的AF肩架固定在最顶端，长度一般为1200 mm。《铁路电力牵引供电设计规范》[1]提出：“避雷线的架设高度可根据保护范围计算确定。保护角可取 0°～45°。”按最大保护角 45°计算，支柱顶端续接架设的避雷线能保护接触线和正馈线的最小高度为2100 mm，详见图3。续接支架与支柱连接，上端还要架设避雷线，不仅工程量大，还成为运行的不稳定因素。

b.撤销加强线后，会导致牵引所—AT所间 T线电流超过允许载流量。

图3 避雷线支架安装图

根据《京沪高铁电化设计方案》给出的牵引网各类导线的载流量（表2）数值，京沪高铁截面为150 mm2的接触线和截面为120 mm2的承力索载流量之和在1000 A左右，增加加强线后，整体载流量能达到1700 A以上。京沪高铁联调联试期间，一列380大编组车时速350 km行驶时牵引所实际电流达到650 A左右。按一条供电臂25 km、列车速度350 km/h、追踪间隔3 min计算，一条供电臂内会有2趟车，电流将达到1300 A左右。目前京沪高铁运行时速不超过310 km，如果撤销加强线，接触网将失去提速到350 km/h的能力。

表2 牵引网各类导线的载流量[3]一览表

（3）增设线路避雷器。京沪高铁线路避雷器采用的是无间隙金属氧化物避雷器，单组造价约3000元。避雷器阀值为42 kV，而接触网绝缘子的雷电冲击耐受电压在270 kV以上，避雷器阀值远远低于绝缘子的雷电冲击耐受电压。当接触网遭受雷击时，避雷器先于绝缘子进行放电泄流，从而保护绝缘子不会因电弧高温炸裂。

无间隙金属氧化物避雷器在泄除雷电流后可以有效切除工频续流。避雷器本体动作时间为纳秒级，可以忽略不计。这样避雷器启动、泄流、切除工频续流的整个过程也就不超过雷电波长存在的时间，即20～100 μs。已知京沪高铁牵引所内馈线保护整定时限最短为60 ms，即60000 μs（2012年新增的速断保护），远远大于避雷器雷电泄流时间，所以避雷器动作后不会引起牵引所内断路器跳闸，也就不会产生雷击跳闸率的问题。

根据实测结果，雷电冲击波的波头时间一般为1～5 μs，多为 2.5～2.6 μs；波长为 20～100 μs，多数为 50 μs。线路防雷计算中一般取波头时间2.6 μs，雷电传播速度为300000 km/s，波头时间内雷电流传输距离为

计算表明，2个避雷器间隔1500 m左右就可以在雷电波头形成时间内有效避雷。

目前京沪高铁接触网只在供电线上网点、分相两端、隧道两端安装了线路避雷器，数量太少，防雷效果不佳。考虑到雷击概率及维护成本，避雷器并不需要每隔1500 m安装1组，只要能够大幅度降低雷击跳闸率，适当拉开距离也是可以的。笔者建议增设方案如下：

京沪高铁上海局管内共48条供电臂，以王洼分区所为界，王洼以北至徐州东牵引所分相（局界）共22条供电臂，每条供电臂的加强段（牵引所至AT所间）增设3组避雷器（F线1组，T线2组），在AT所至分区所间增设2组避雷器（F线、T线各1组），共110组避雷器；王洼以南至虹桥牵引所共26条供电臂，每条供电臂的加强段（牵引所至AT所间）增设4组避雷器（F线1组，T线3组），在AT所至分区所间增设2组避雷器（F线、T线各1组），共156组避雷器。这样，上海局管内共增设避雷器266组，就基本可以解决问题。

避雷器设置地点的选择并不需要按里程平均分布，除按照设计要求已经安装的，还应重点选择以下地点：雷击多发地点，可以参考2011年雷雨天气跳闸的故标点；接触网远远高于周围建筑物的地点；地形空旷平坦的地点；需要避雷保护的特殊地点。选择安装点时要注意适当拉开距离，2组避雷器之间的距离最好不要小于2 km。

3 京沪高铁接触网防雷方案比较和结论

从以上分析可以看出，安装放电间隙虽然能保护绝缘子，但雷击跳闸率却会升高，不利于接触网稳定运行；架设避雷线虽然防雷效果好，但撤除加强线会降低京沪高铁接触网的导流能力，失去进一步提速的可能；增设线路避雷器不仅可以保护接触网绝缘设备，降低雷击跳闸率，还不需对接触网结构进行大的改动。综上所述，笔者建议采用增设避雷器方案。

有人提出避雷器造价较高，经济性不合理。目前市场上接触网线路避雷器约3000元/组，带防爆脱离器的约5000元/组，即使按照1500 m/组进行全线安装（T线、F线各1组），折合每公里造价才6700元，而避雷线造价20000元/km，装设避雷器的价格远低于避雷线。

有人提出避雷器不好检测维护，担心质量问题导致故障跳闸。避雷器属于电力行业成熟产品，目前国内外很多厂家都在生产免维护型避雷器，使用寿命一般在10年以上。只要选择质量稳定、成熟规范的厂家，避雷器质量就不应该成为问题。

有人提出避雷器不能防直击雷，直击雷击中避雷器后容易形成死接地，不利于供电设备可靠运行。目前国内已生产出带脱离器的避雷器，当避雷器遭受直击雷炸裂时，脱离器会因电流发热引爆，使避雷器残体有效脱离主导电回路。这种形式的避雷器已经广泛应用于地方和铁路。

对避雷器防直击雷的问题，笔者曾经有过设想：在避雷器首末端并联一组放电间隙，通过计算调整好间隙距离。当感应雷或雷电冲击电流不大时由避雷器直接泄流，牵引所内断路器不动作；当直击雷或雷电压较高时通过放电间隙泄流，由牵引所内断路器跳闸熄弧。并联放电间隙的避雷器造价要低于带脱离器的避雷器，而且还可以避免人工安装脱离器带来的脱离器失效隐患。笔者了解到已有避雷器厂家正在开发该种新产品，希望能够早日投入应用。

[1]TB 10009-2005. 铁路电力牵引供电设计规范[S].

[2]张一尘.高电压技术[M].北京：中国电力出版社.

[3]中铁电气化勘测设计研究院. 北京至上海高速铁路电气化设计方案.

[4]罗真海，陈勉，陈维江，等. 110kV、220kV架空输电线路复合绝缘子并联间隙防雷保护研究[J].电网技术，2002，（10）.

[5]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）.