提高接触网防雷水平综合研究

田辰洋

【摘 要】铁路运输是国民经济的重要部门之一，它既为现代工业、现代农业及现代国防提供必不可少的动力，又和广大人民群众的日常生活有着密切的关系。国民经济的高速发展，交通运输必须先行。接触网是电气化铁道中主要供电装置之一，其功用是通过它与受电弓的直接接触，将电能传送给电力机车。电气化铁道的接触网伴随铁路穿过高山、跨过平原，气候条件差别较大，情况复杂，绝大部分裸露于自然环境中且沒有备份，需要采用必要的大气过电压防护措施；同时，接触网没有避雷线，而自然界气候千变万化，沿线随时有被雷击的可能。如果缺少防护措施或措施不当，可能引起绝缘子损坏、造成线路跳闸，直接影响电气化铁道运营。同时雷击产生的侵入波过电压通过接触网传人牵引变电所，可能引起所内电气设备的损坏造成更大的事故。我国地域广大，因雷击导致人员伤亡、设备损坏的事故屡见不鲜。我国目前对电气化铁道接触网线路的防雷措施并无严格的规定，对避雷器的选型也无明确的要求；同时，设计规范规定的避雷装置的设置地点有限。实际运行状况标明，接触网线路的防雷保护措施和效果并不理想，接触网线路遭雷击而导致线索烧断的事例时有发生。如何有效的对接触网线路进行防雷保护，尽可能减少接触网线路因雷击断线造成的危害与损失，是我们研究的课题。

【关键词】铁路运输；雷击危害；防雷措施

1.防雷保护以及雷击危害介绍

1.1电力系统输电线路常规的防雷保护措施

电力系统输电线路防雷设计的目的是提高线路的耐雷特性，降低线路的雷击跳闸率。电力系统在确定线路防雷方式时，综合考虑系统的运行方式、线路的电压等级、重要程度、线路经过地区的雷电活动的强弱、地形地貌特点、土壤电阻率高低等自然条件，根据技术经济比较的结果，采取合理的保护措施。

传统的防雷措施主要是提高线路绝缘水平和降低杆塔的接地电阻。但是受杆塔结构和地形条件的限制，效果并不明显。且前电力系统高压输电线路防雷设计主要考虑的是反击，而实际上造成输电线路雷击跳闸主要原因是绕击。

在电力系统输电线路中，现行的防雷措施一般有以下几种：

（1）架设避雷线和避雷针以防止雷直击导线。

（2）降低杆塔接地电阻。

（3）采用线路避雷器。

（4）加强线路绝缘适当增加绝缘子片数。

（5）装设自动重合闸。

1.2电气化铁道接触网防雷现状

我国幅员辽阔，气象条件差异很大，雷电活动情况很不相同，对于不同地区、不同地形根据具体条件，应经过调查研究区别对待。电气化铁道接触网是露天供电装置，为了安全运行，应采取必要的大气过电压防护措施。

对于我国电气化铁路接触网防雷设计，在TBl0009—98《铁路电力牵引供电设计规范》第5.3.1条中规定：

（1）吸流变压器的原边应设避雷装置。

（2）重雷区及超重雷区，下列重点位置应设避雷装置：

1）分相和站场端部的绝缘关节。

2）长度2000m及以上隧道的两端。

3）供电线或AF线连接到接触网上的连接处。

通过规范可以看出，我国电气化铁路接触网防雷工程设计中，除了通过绝缘子自恢复绝缘外，还在接触网系统相关位置设置了避雷器以达到防雷的目的。

目前国内电气化铁道接触网防雷设备和技术存在一定的缺陷，接触网防雷发展的过程中暴露了各种问题：

（1）国内部分铁道沿线未按照标准要求架设避雷装置，人迹稀少的地区未修建专门的应急维修站。

（2）避雷装置设置的密度不合理，一般集中在内部均有避雷器的站场和分相的关节处，如变电所、分区所、AT所等，重复设置造成资源浪费，无形中造成关节处接触网错综复杂的结构，增加安装检修的难度。

（3）接触网的实际应用中损耗和能损程度大，部分线路未采取防腐承力索，造成雷电冲击耐受电压低，影响防雷效果。

（4）避雷装置未按时检修，工作人员的监控力度差，对失效的备件未能及时更换，造成接触网电源短路，造成电气事故。

（5）发生雷击跳闸后，巡视人员未能及时发现闪络绝缘子，当绝缘子内部击穿时，故障难以查找。

1.3 接触网与输电线路防雷措施的比较

根据以上分析，我国电气化铁道接触网与电力系统输电线路的防雷保护比较，呈现以下几个特点：

（1）接触网无避雷线，不能有效防止直击雷。

我国牵引供电系统中接触网电压等级为25kV，目前均未设置避雷线。接触网系统中的架空地线和架空回流线虽然有一定的防雷作用，但因其架设高度没有达到有效防止直击雷的高度，仅能起到输电线路耦合地线的部分防雷作用。

在我国电力系统中，等级1lOkV及以上的输电线路基本采用了避雷线。目前我国35kV输电线路大多采用中性点不直接接地方式，根据我国规程规定35kV输电线路不需全线架设避雷线，只是在进出变电站l～2km的进线段范围内架设避雷线，并在进线段的起始杆塔装设避雷器。

（2）高压电力输电线路和牵引供电系统中的起始端和末端变电站处都加装避雷器以防止过电压。

（3）对于重雷区及超重雷区来说，铁路隧道内接触网对地的空气问隙太小，规范规定困难值为240mm，其承受冲击放电电压为170kV，而雷击耐受水平仅11kA，超过雷电流概率为75%，与绝缘子不匹配。

而电力系统输电线路在一般情况下，是无需穿越隧道的，对地的空气距离均能满足规程要求。

（4）电气化铁道中成排的接触网支柱是利用回流线作闪络保护地线的集中接地（区间大部分支柱都属于成排支柱），支柱基础上的螺栓可起到一定的接地作用，但普遍接地电阻较大。当架空回流线遭受雷击时，由于架空回流线的接地间距比较大，大部分情况下，雷击过电压将首先导致架空回流线的针式绝缘子闪络，然后击穿肩架与混凝土之间的保护层，经支柱泄入大地。

（5）我国铁路运输主要特点是客货混运，以货为主，加上铁路线上各类型机车混合牵引，机车内部排出的废气，列车运行时形成的气流将散装货物（如煤）和各种飘落在道床上的尘埃扬起，使接触网绝缘子大量被污染。

电力系统输电线路的绝缘子只考虑自然环境带来的污染，在一般情况下不考虑人为因素造成的污染。所以在同等条件下，接触网较电力系统输电线路发生闪络的可能性大大增加。

通过以上比较可以看出，牵引供电系统中的接触网防雷技术可参考输电线路的防雷措施。但是，从客观环境来看，接触网较输电线路采取的防雷措施更为复杂。

1.4 雷击对接触网系统的危害以及防雷的意义

根据我国铁路牵引供电系统运营部门统计数据分析，从目前开通的近2万公里电气化铁路的运行情况看，部分线路雷击事故比较频繁。具体危害表现：

（1）雷电造成接触网绝缘子闪络，引起牵引变电站跳闸。

（2）铁路隧道中，雷电常出现击穿水泥壁。

（3）接触网支柱被雷击损坏。

接触网是牵引供电系统的重要组成部分，没有后备能力，如果防雷措施采取不当，可能引起绝缘损坏，造成线路跳闸，将直接影响电气化铁道运营。同时，雷击产生的侵入渡过电压通过接触网传入牵引变电所，可能引起站内电气设备损坏，造成更大的事故。因此，接触网的防雷是影响电气化铁道供电安全可靠运行的一个重要环节。

2.接触网雷击电流分布和机理

2.1雷电基本参数

2.1.1雷暴日及雷暴小时

雷暴日是一年中发生雷电的天数，以听到雷声为准，在一天内只要听到雷声，无论次数多少，均计为一个雷暴日。各个地区的雷暴日或雷暴小时有很大差别，它们不但与该地区所在纬度有关，而且也与当地的气象条件、地形地貌等因素有关。TBl0009—98《铁路电力牵引供电设计规范》第5.3.1条中规定：

轻雷区—N≤30d；

中雷区—30d

重雷区—60d

超重雷区—N>90d。

2.1.2地面落雷密度

从防雷的观点出发，最重要的是雷云对地面的放电。而雷暴日或雷暴小时中还包含我们不关心的雷云之间的放电。地面落雷密度（y）表示每平方公里地面在一个雷暴日中受到的平均雷击次数。我国标准对雷暴日为40的地区取y=0.07。

2.1.3雷电流幅值

雷电的强度可用雷电流幅值I来表示。由于雷电流的大小除了与雷云中电荷数量有关外，还与被击中物体的阻抗或接地电阻的量值有关，通常把雷电流定义为雷击于低接地电阻（≤30Ω）的物体时流过雷击点的电流。

2.1.4输电线路耐雷水平

输电电路防雷性能的优劣主要由耐雷水平及雷击跳闸率来衡量。其中雷击跳闸率通常是假定在每年40个雷电日的情况下，每百公里线路每年因雷害而可能跳闸的次数，它可以用来衡量不同设计方案的相对优劣，并不能代表线路实际运行中真实情况。耐雷水平定义为：雷击线路时，其绝缘尚不至于发生闪络的最大雷电流幅值或能引起绝缘闪络的最小雷电流幅值，单位为KA。线路的耐雷水平越高，线路绝缘发生闪络的机会就越小。

2.1.5输电线路雷击跳闸率

雷击输电线路的跳闸次数与线路可能受雷击的次数有密切关系。而线路可能受雷击的次数与线路的等值受雷击宽度，每个雷暴日每平方公里地面的平均落雷次数，线路长度及线路所经过地区的雷电活动程度有关。

2.1.6污秽绝缘子的雷电冲击电气特性

雷电冲击电压的作用时间极短。同时，雾、露、雨等不利气象条件与雷电冲击波同时作用的概率很小。因此，许多人认为污秽绝缘子的雷电冲击强度不会有明显的降低。

牵引供电系统的接触网在遭受雷击时，通常是在工频交流电压的作用下叠加雷电冲击从而造成事故的。试验表明，绝缘子的雷电冲击耐压随着其盐密的增加而下降，并且比清洁状态的50%湿闪电压降低10～35%。同时，大量运行经验也表明，雷电冲击耐压因污秽可降低30%左右。

2.1.7绝缘子污染状态下的沿面放电原理

污染绝缘子表面上的污层在干燥状态下一般不导电，但在遇到雨、雾、露等不利天气时，污層将被水分湿润，电导大大增加，同时在工作电压下的泄漏电流也大增。在一定电压下，能维持的局部电弧长度亦不断增加，绝缘子表面上这种不断延伸发展的局部电弧达到某临界长度时，电弧自动延伸直至贯通，完成沿面闪络。

2.2牵引供电系统的绝缘及其配合

2.2.1牵引供电系统的绝缘

由于牵引供电系统采用的是一相接地，单相运行方式，电气设备承受电压为线电压，因此需要采用相间绝缘方式。另外，接触网导线架设高度低（较电力系统的高压输电线路）、沿线大气污染严重等，也是电气化铁道牵引供电系统的特点。

根据这些特点，沿线的污染源主要以列车在运行中产生的尘土、金属粉尘及少量散装货物飘逸的粉尘、附近城市和工业污染、混合牵引产生的蒸汽、粉尘和油污等构成。因此，牵引供电系统的外绝缘主要以污秽绝缘为主。

规程规定牵引供电系统的爬电比距在轻污区为33.5mm/kV；在重污区为41.5mm/kV；超重污区为50.0mm/kV。同时，规范也规定在重污秽区，接触网棒式绝缘子爬距为1200mm。

2.2.2牵引供电系统的绝缘配合

电气化铁道的牵引系统由牵引供电系统（包括牵引变电所和接触网）、电力机车两大部分组成，和电力系统一样，电气化铁道牵引系统的绝缘、过电压保护和绝缘配合直接关系到电气化铁道牵引系统的安全运营。由于电气化铁道牵引系统存在着特有的供电方式复杂、电压波动大（标准规定为20kV～29kV）、其对地绝缘长时间承受额定电压的作用、接触网导线架设高度低（标准规定线距轨面高度不大于6.5m）、机车车顶净空小、沿线大气污染严重等问题，因此在其绝缘等问题上有着一定的特殊性。

（1）独立的接触网支柱。

对于独立接触网支柱，都单独设置了接地极，其接地电阻比较小（根据不同情况，采用10Ω或30Ω），从接地点反射回来的电流波立即达到支柱顶部，使入射电流加倍，因而注入线路的总电流即为雷电流，而不是沿雷道波阻抗传输的入射电流。

（2）成排的接触网支柱。

对于成摊的接触网支柱中的大部分支柱没有专门设置接地极，支柱本身靠埋在地下基础内的螺栓自然接地，这种接地方式具有在不同安装的地点接地电阻不同的特点（如普通路基填方地段和无渣轨道处的接地电阻），而且不同地点的接地电阻值差别比较大。

当成排接触网支柱通过其基础螺栓接地的接地电阻较大时，雷击支柱，接地点反射回来的电流波立即达到支柱顶部形成的反击过电压，同时叠加雷在导线上产生的静电感应电压。绝大部分雷击都将导致支柱上的棒式绝缘子闪络。同时，架空回流线与支柱上的针式绝缘子也会因支柱产生的反击过电压和架空回流线上产生的感应过电压而导致闪络。此时，二处闪络的雷电流都会通过架空回流线进行传输，直至回流线的接地点，雷电流入地。如果雷击点距离回流线的接地点比较远，那么这二点之间的接触网支柱上面的针式绝缘子都有可能闪络。

当成排接触网支柱通过其基础螺栓接地的接地电阻较小时，雷击接触网支柱，雷电流通过接触网支柱地角螺栓直接泄入地下。

当成排的接触网支柱的无回流线时（被盗），因接触网支柱通过螺栓的接地电阻普遍偏高，雷击接触网支柱时，绝缘闪络的概率大大增加。

2.3.3雷直击接触网

（1）独立的接触网支柱。

当雷击接触网时，大部分雷击时的雷电压幅值都超过棒式绝缘子耐受电压水平，棒式绝缘子将闪络。然后雷电流通过支柱引入接地极中。

（2）成排接触网支柱。

对于电气化铁道区间的成排的接触网支柱（无单独做接地极），当雷直击接触网时，大部分雷击时的雷电压幅值都超过棒式绝缘子耐受电压水平，棒式绝缘子将闪络，然后通过跳线将雷电波引入回流线中，通过回流线进行雷电波的传输，直至回流线的接地点，雷电流入地。如果雷击点距离回流线的接地点比较远，那么这二点之间的接触网支柱上面悬挂架空回流线的针式绝缘子都有可能闪络。如果架空回流线接地处的接地电阻过大，则雷电流会沿着架空回流线继续传输，直至接地电阻较小的接地点或牵引变电所的接地网。

2.3.4雷击过电压分析

通過理论分析可见，由于接触网防雷水平不高，沿铁道线路的雷云放电，无论是雷击接触网附近地面引起的感应过电压、雷击接触网支柱，还是雷电直击接触网，都有可能引起接触网绝缘子闪络。

（1）接触网导线高度。

在铁路工程中，铁路线路情况复杂。在铁路的路堑地段，钢轨低于两侧地平面，接触网导线（承力索）高度实际上低于8m，还可能出现负值。在路堤及桥梁地段，钢轨高于两侧地平面，接触网导线高度为路堤（桥梁）高度与接触网至钢轨轨面高度之和。而铁路线路的标高一般情况下都比较高，路堤地段较路堑地段出现的几率要大，接触网导线高度大于8m的情况就也比较常见。所以，在接触网遭受雷击时，因铁路线路高程原因，接触网绝缘子闪络的概率比较大。

（2）雷击接触网支柱。

对于独立的接触网支柱。当雷直击接触网支柱时，产生的反击过电压和导线上产生的感应过电压叠加值，随着接触网支柱的接地电阻的升高而升高。即引起闪络的雷电流幅值和绝缘子闪络概率随着接触网支柱的接地电阻增大而增加。

对于带架空回流线的成排接触网支柱，降低其接地电阻也可以减少架空回流线上针式绝缘子闪络的概率。

（3）雷击接触网导线。

雷电直击与接触网（承力索），如果靠近被击点支柱上绝缘子闪络或者雷击点距回流线接地点（接地电阻较小的情况下）不远，雷电流入地且不产生过电压，则对接触网的供电运行危害并不严重。

根据电气化铁路的实际情况，接触网的结构一定，其线路的波阻抗就一定；支柱的结构一定，其等值电感L也就一定。在施工过程和日常运营维护中，能发挥主观能动作用的只是按触网支柱的接地电阻R，接地电阻越小，绝缘子上过电压的就越小，闪络的概率也就随之降低。因此，要减少接触网雷击故障的概率，必须严格控制支柱的接地电阻。

3.接触网线路防雷措施的探讨

3.1氧化锌避雷器

氧化锌避雷器是世界公认的当代最先进的防雷电器。无间隙氧化锌避雷器目前在我国被广泛使用，但实践表明，它存在易损坏、爆炸、使用寿命短等缺点，究其原因，暂态过电压承受能力差是其致命弱点。而串联间隙氧化锌避雷器仍有无间隙氧化锌避雷器的保护性能优点，同时有暂态过电压能力较强的特点，串联间隙氧化锌避雷器应为目前推广使用的防雷装置。

3.2避雷器的在线监测技术

目前氧化锌避雷器或串联间隙氧化锌避雷器是线路防雷保护的首选产品。但在运行中，避雷器的电阻片因动作次数而老化失效，内部受潮或其他缺陷可能导致避雷器运行故障。为保证避雷器安全可靠运行，近年来避雷器在线监测器逐步推广使用。避雷器在线监测技术是将避雷器放电计数器和泄露电流检测功能整合在一起的监测装置，通过巡视监测装置的计数器动作次数和避雷器运行泄露电流值，可以及时掌握避雷器的动作情况和运行性能。

3.3避雷器安装失效脱离器

在避雷器故障时，脱离器动作，使故障避雷器立即与其保护的高压线路断开，从而保护线路及时恢复供电。

3.4提高接触网防雷水平的几点建议

（1）对于一般高雷区通常采用局部关键点设置避雷装置进行接触网防雷。

（2）保护线、回流线兼做避雷线。根据接触网的防雷设计，只可能对避雷器安装地点进行有限保护，对接触网全线防雷效果并不好。可以考虑在接触网结构设计上进行优化，使保护线或者回流线的安装高度高于接触网，在保护线上安装避雷器。当雷击时，保护线起避雷线的作用，保护线上的雷击过电压通过避雷器释放。因正常运行时保护线只存在感应电压，避雷器的电压等级较低，设备以及安装维护费用都比较低。

（3）加强绝缘子清扫。我国铁路运输主要特点是客货混运，以货为主，加上铁路线上各类型机车混合牵引，机车内部排出的废气，列车运行时形成的气流将散装货物和各种飘落在道床上的尘埃扬起，铁路线路使接触网绝缘子大量被污染。根据接触网结构特点和铁路运输组织，严肃对待绝缘子清扫工作，当绝缘子发生污染后，加强清洁绝缘子尤其是重污染区的绝缘子，从而避免更大范围、更严重的污染，减小绝缘子的闪络放电可能。

（4）加强对接地电阻的测量以及监测。铁路运营部门应根据实际情况对支柱按地进行监测，采取措施，防患于未然，使接触网支柱的按地电阻始终在规范规定值之内。

（5）配合相关部门，加强管理，防止架空回流线的丢失，对于已经被盗的区段，应及时重新架设。 [科]