京沪高速铁路接触网防雷改造方案研究

赵连标 上海铁路局安全监察室

1 引言

接触网是牵引供电系统的重要组成部分，绝大部分裸露于自然环境中且没有后备能力，需要采用必要的大气过电压防护措施。雷击产生的侵入波过电压通过接触网传入牵引变电所，可能引起所内断路器跳闸，甚至损坏电器设备，造成供电事故。京沪高铁是我国连接南北客运最繁忙、最重要的高铁客运干线，但因其地理区域跨度大且途经雷电活动强烈的我国东部地区，自2011年7月开通以来，每年雷雨季节（6月～9月）接触网遭受雷击跳闸比较频繁，对运输安全造成影响。因此，尽快完善京沪高铁接触网的防雷措施，确保运输安全显得尤为重要与紧迫。

2 我国高速铁路防雷设计概况

我国电气化铁道接触网防雷设计主要依据《铁路电力牵引供电设计规范》(TB 10009--2005)和《铁路防雷、电磁兼容及接地工程技术暂行规定》(铁建设[2007]39号)的相关规定。根据雷电日的数量分为4个等级的区域：年平均雷电日在20天及以下地区为少雷区，年平均雷电日在20天以上、40天及以下地区为多雷区，年平均雷电日在40天以上、60天及以下地区为高雷区，年平均雷电日在60天以上地区为强雷区。接触网的防雷措施主要是安装避雷器和架设架空避雷线，同时做好必要的接地。具体规定为：①吸流变压器的原边应设避雷装置；②高雷及强雷区下列位置设避雷装置：分相和站场端部的绝缘关节、长度2 000 m及以上隧道的两端、长度大于200 m的供电线或AF线连接到接触网上的连接处；③强雷区设置独立避雷线，保护角为00-450。

3 避雷器和避雷线的工作原理

3.1 避雷器的工作原理

避雷器是连接在导线和地之间的一种防止雷击的设备，通常与被保护设备并联。避雷器可以有效的保护电力设备，一旦出现不正常电压，避雷器产生作用，起到保护作用。当被保护设备在正常工作电压下运行时，避雷器不会产生作用，对地面视为断路。一旦出现高电压，且危及被保护设备绝缘时，避雷器立即动作，将高电压冲击电流导向大地，从而限制电压幅值，保护电器设备绝缘。当过电压消失后，避雷器迅速恢复原状，使系统能够正常供电。避雷器的主要作用是通过并联放电间隙或非线性电阻的作用，对入侵流动波进行削幅，降低被保护设备所受过电压值，从而达到保护电力设备的作用。

3.2 避雷线的防雷保护原理

在雷电先导阶段，避雷线顶部聚积电荷，在发展先导和避雷线顶端之间的通道中建立了很大的电场强度，避雷线迎面先导的产生和发展大大加强这个通道中的电场强度，雷电击中避雷线，靠近避雷线的被保护物比避雷线低，由于避雷线的屏蔽和迎面先导作用，使被保护物遭受雷击的概率很小。利用避雷线可实现直击雷保护。虽然这种方法不是主动地，但能提供99.5%-99,9%的保护效果。按引雷的性能，避雷线的确切名称应是“引雷线”，因避雷线这一名称已被广泛使用，所以称为管用名词。

避雷线的可靠防雷保护作用，除要在保护范围内有引雷作用外，还要求避雷线的泄流通道（回路）的阻抗（包括引流线电抗和接地电阻）很小，这也是保护的必要条件。因为雷电直击避雷线时，很高的引流线电抗和接地电阻可能产生很高的电压，引起避雷线在空气中、绝缘物或地面上对保护物反击。

4 京沪高铁接触网防雷设施状况及外部环境

（1）京沪高速铁路全线共牵引变电所27座、分区所26处、AT所49处及分区所兼开闭所1处。为适应远期380 km/h运营需要，接触网第一AT段（牵引所至AT所间）一般设有加强线,加强线采用柱顶安装方式，如图1。接触网主要防雷措施为：在供电线上网点、电分相处、隔离开关处设置了氧化锌避雷器。各牵引所、AT所之间的接触网线路，未采取特别的防雷措施。

（2）由于京沪高铁线路多为长特大桥，例如，蕴藻浜特大桥，长度达23.3 km。昆山南到安亭北站轨面距地面最高垂直距离约20 m，位于蕴藻浜特大桥第55号墩（K1295+620）处，桥梁地段支柱高度为7.6 m，因此在桥梁地段接触网支柱离地最高处约28 m，高铁线路位置地处市郊与农村，两侧附近空旷，无高大建筑物，每年雷雨季节（6月～9月）接触网遭受雷击概率大，直接影响电气化铁道运行安全，同时雷击产生的侵入波过电压通过接触网传入牵引变电所，可能引起所内电器设备损坏，造成更大的供电事故。

图1 有加强线安装图

5 京沪高铁虹桥至南京南接触网防雷改造试验方案实施情况

为降低雷害威胁，研究及完善防雷措施和方案，2012年底对昆山南牵引所京沪高铁4个供电臂的接触网进行了防雷试验改造：第一AT段加强线全部退出，第二AT段无加强线区段在柱顶增设架空地线。2013年上半年又对全线加强线进行了应急退出防雷试验改造。具体试验方案如下。

5.1 接触网防雷改造试验方案

（1）无加强线区段增设架空地线。在接触网支柱顶部设置高度为1 m的地线肩架，为对正馈线和接触网形成有效的屏蔽，新增一根铝包钢芯铝绞线JL/LB1A-63-6/1架空地线，最大张力为6.5 kN。同时，路基区段还应在支柱与基础内预留的接地螺栓间增设70型铜芯电缆，以便为雷电流提供可靠的泄流通路，如图2。新增架空地线对正馈线、承力索的保护角分别约为400和600。

（2）有加强线区段，加强线退出运行，与接触网支柱短接，加强线变为柱顶架空地线。加强线退出时，拆除加强线与接触悬挂之间以及变电所出口附近加强线与T线之间的电连接，并在每个加强线固定点处将加强线支柱绝缘子短接，同时位于路基段的接触网支柱通过70型铜芯电缆与支柱基础的预埋接地螺栓连接，完成架空地线的整体接地连接，为雷电流提供可靠的泄流通路。桥梁地段架空地线与综合贯通地网相连接，接地电阻小于1 Ω；路基段架空地线单支柱接地电阻小于10 Ω。需要注意，为保护其他设备（调谐单元、空芯线圈、扼流变压器、空扼流变压器、道岔融雪设备、信号机等）运行安全，接地支柱小于15 m，该支柱与基础内预留的接地螺栓间不再增设电气接续线。

图2 新增架空地线安装示意图

5.2 京沪虹桥至南京南高铁接触网防雷改造试验效果分析

（1）昆山南牵引所防雷改造试验后效果对比。2012年8月初，昆山南牵引所4个供电臂的第一AT段加强线退出运行并接地，加强线变为柱顶架空地线。2013年1月底，4个供电臂的第二AT段柱顶架设架空地线完成。昆山南牵引所防雷试验改造方案实施后，近三年跳闸件数情况如表1。对表1数据分析，防雷改造试验方案实施后，相比于未进行改造的2011年，跳闸件数明显下降，同时根据牵引所跳闸数据分析，发生跳闸的地段位于无法进行防雷改造试验的分区所合架供电线区段，通过防雷试验，效果明显。

表1 昆山南牵引所跳闸件数对比表

（2）虹桥至南京南间加强线退出运行变为柱顶架空地线后效果对比。2013年5月底，京沪高铁全线加强线退出运行，与接触网支柱短接，加强线改为柱顶架空地线。表2选取雷雨天气活动频繁的5个牵引所对比，跳闸情况对比如表2。

表2 京沪高铁五座牵引所跳闸件数对比表

从表2数据分析看出，2013年五座牵引所，在加强线改为柱顶架空地线后，由于雷雨天气引起的设备跳闸件数明显下降，且主要发生在没有柱顶架空地线的第二AT区段，第一AT区段仅发生1次跳闸；而2012年雷雨天气引起的设备跳闸第一AT区段多达12次。由此可见，加强线变为柱顶架空地线后，防雷效果非常显著。

6 结论

高铁接触网系统的防雷，应使其具有良好的防雷性能是保障安全运营的基本条件之一，京沪高铁虹桥至南京南接触网防雷试验改造，根据全线雷电活动情况，结合运行实际，因地制宜，采取加强线退出变为柱顶架空地线方案或柱顶新增架空地线方案，均取得了良好的防雷效果，并证明强雷区的高铁接触网在柱顶设置避雷线是一种行之有效的防雷方案。

当然，雷电防护问题从原理上无论采用何种措施，只能减少雷电引起的故障概率或跳闸概率，不可能完全避免雷电伤害，因此接触网防雷措施应根据防护效果、投资、工程优缺点等因素选择，在吸收国外高速铁路设计标准和成熟经验的同时，应组织有关部门进行理论研究及综合试验，达到提高线路运行高可靠性及牵引供电系统少维护的目的。