浅析铁路牵引供电系统防雷技术研究与建议

王志刚

摘要： 随着铁路行业的迅速发展，人们的生活越来越离不开便捷高速的铁路运输方式，并对其安全性提出了更高的要求。电气化铁路是以电能为牵引动力的一种现代化交通运输工具，在其设备维护的过程中，牵引供电系统是否正常运行显得尤为重要，如果被雷击中损失巨大。因此，雷击是引起牵引供电系统故障主要原因之一。鉴于此，本文阐述了雷电对铁路牵引供电系统以及铁路运输安全造成的威胁，浅析了雷电防护中存在的问题，并对雷击所导致绝缘子闪络的原因进行了分析，提出了一些改善优化铁路牵引供电系统防雷体系的建议。

Abstract： With the rapid development of the railway industry， people's lives are more and more inseparable from the transportation mode of high-speed railway， and the higher requirements for railway security are put forward. Electrified railway is a kind of modern transportation means， which is based on electric energy. In the process of equipment maintenance， the traction power supply system is particularly important. If the traction power supply system is struck by lightning， the loss is very huge. Therefore， the lightning is one of the main causes of the failure of traction power supply system. So， this paper expounds the threat of the railway traction power supply system and safety of railway transportation caused by thunder and lightning， analyzes the problems in lightning protection and analyzes the causes of insulator flashover caused by lightning stroke to put forward some suggestions for improving the lightning protection system of railway traction power supply system.

關键词： 铁路；牵引供电系统；防雷技术

Key words： railway；tractive power supply system；lightning protection technology

中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）06-0143-02

0 引言

据了解，我国一直坚持在铁路牵引供电系统防雷技术方面的研究，为铁路安全可靠运行以及运行速度的提高提供着重要的理论依据和实践参考。铁路牵引供电系统防雷工作落实是否到位，将直接影响铁路运输以及铁路安全，并可能导致一系列事故的发生。通过有关专家研究，我国的铁路牵引供电系统仍存在一些弊端和缺陷。通过电气几何模型及实测数据可以分析没有避雷线时铁路牵引供电系统的雷击特性，通过分析发现，雷击次数的翻倍增加，再加上高架桥平均高度达到一定数值后，就会导致感应过电压很小，引发铁路事故发生。而且传统的感应雷防护体系是没有效果的，并且随着铁路交通设施建设规模的日益加大，高架桥的高度还在继续增高，感应雷和直击雷引起的绝缘闪络次数也在不断增加。由此可见，铁路牵引供电系统防雷技术必须进行改进和优化。

1 雷电对列车安全造成的威胁

如果牵引供电系统被雷击中将会导致列车的供电被中断，造成列车被迫停运，甚至会直接导致列车事故，造成人员的伤亡和较大的经济损失。在铁路运输史上，由于雷击造成的列车事故历历在目，其中“7.23”甬台温特大铁路交通事故从开始到结束的七分钟内，雷击累计次数竟然达到近百次。有关专家分析这次事故，当时牵引供电系统的电力荷载能力达不到列车运行需要的电力系统的要求，引发了单相接地系统的跳闸，而且当时铁路沿线的高架桥众多，雷击概率陡然增大，导致绝缘子被破坏严重，短时间内跳闸密集爆发。牵引供电系统雷击防护管理不到位，会引起绝缘子击穿爆炸而导致长达数小时的铁路运输中断，给铁路运输带来巨大的经济损失和安全风险。因此，雷电对铁路运输的威胁是不可忽视的。

2 防雷体系以及缺陷

2.1 防雷体系

普速列车牵引供电设备包括变电设备（变电所、开闭所、分区所）、接触网和远动系统。牵引供电设备应保证不间断行车的可靠供电。牵引供电能力应与线路的运输能力相适应，满足规定的列车重量、列车密度和运行速度的要求。虽然变电所的防雷技术非常完善，但是只在线路的变电所入口，隧道口两端等关键部位安装了避雷装置。铁路通常用高架桥的方式跨越河流和谷地，高架桥上的接触网支柱一般都通过桥墩里面的接地引下线以及内部钢筋结构接地，在这种情况下接地电阻有一些是不合格的，所以为防止雷击高架桥上的接触悬挂系统过电压导致的绝缘闪络，就在大桥两端安置避雷设施。

2.2 缺陷

铁路接触网防雷设计除了在部分关键处安装避雷器，几乎全线不安装避雷线。我国铁路运行线路中高架桥非常多，高架距离非常广，很多高架桥处接触网对地高度和110kV架空线路的对地高度相似，在没有避雷线的情况下，接触网系统遭受雷击的危险性很高。直击雷进入接触网的路径主要有雷击正馈线、雷击承力索、雷击保护线等。通过测试可知，牵引网雷击正馈线悬式绝缘子雷击闪络几率要比腕臂绝缘子雷击闪络概率高。据有关数据表明，雷击正馈线绝缘子的破坏几率超过了T线绝缘子的三十倍。导致这种现象出现的原因就在于，正馈线位于承力索的外侧，且其设置的位置也高于承力索，故而在发生雷暴天气的状况下。正馈线遭受到累计的的概率要高于承力索。

当今防雷系统就是通过在线路的关键位置安装避雷设施以防止直击雷和感应雷的袭击，但是效果都不好，尤其是面对直击雷的袭击。很多铁路都发生过连续多个避雷器动作，但是变电所依旧出现跳闸，其原因就是沿线接地电阻大，避雷器残压太高。

铁路运输中，列车牵引引起的电流短路时有发生，具有电阻在钢轨产生泄露的特点。因此，地面人员在铁路运行过程中触电的情况并不鲜见。为了规避这种触电事故的发生，在技术上采用了多种方式予以预防，如综合接地方式，就是在运行地段打下接地极，按照地线的贯通要求进行接地极的埋设，无论是数量，还是位置，均要符合贯通地点的接地电阻数值要求。例如，如果工频电压波长是6000公里，则供电臂的长度就应该是大约20公里。而且，供电臂的接地就是要降低综合接地系统的电阻。包括经过河流、山谷等雷电多发地段时，接地电阻可以达到几十甚至上百个欧，如果在铁路运行过程中，接地电阻是少于工频接地电阻的要求，就很容易发生绝缘子闪络等故障，导致避雷器等设施发生爆炸。还要考虑列车运行对于桥梁等冲击电阻的影响，防止接地钢筋产生的火花或者电感效应等导致的绝缘子的破坏，所有的工作都是要进一步完善和优化工频接地电阻表征以及接地电阻的运行。

铁路沿线的土壤参数以及雷电参数都不尽相同，在不同的雷电危害下的防雷设施应该具有针对性，而在铁路运行的防雷电的设计中却缺少这方面的研究。

3 优化铁路供电系统防雷体系

3.1 正馈线和雷击承力索的防护

35 kV以下的线路接触网支柱不应附挂通信、有线电视等非供电线路设施；在设有接触网的线路上，严禁攀登车顶及在车辆装载的货物之上作业；如确需作业时，须在指定的线路上，将接触网停电接地并采取安全防护措施后，方准进行。可以考虑采用抬升PW保护线，专用避雷线，回流线以进行雷击预防。在图二中，a是接触网线到支柱间的长度。L′是复线铁路两侧线路中心的横向距离。d是A到轨道平面的垂直距离。其保护范围就是弧AB′。依据接触网的参数和不同线路形式可以算出避雷线架设建议高度。单线铁路接触网的避雷线架设高度是9米，复线架设高度7.2米。4线铁路并行时，四根支柱并列，其避雷线架设高度取7.6米。4线硬横梁形式的接触网避雷线假设高度取7.5米。4线中3线是硬横梁形式，另一线是支柱形式接触网。1线和3线的接触网避雷线假设高度分别是9米和7.3米。通过试验证明，这种方案明显减少了雷击跳闸次数。

3.2 对绝缘子破坏的防护

在雷击过程中，过电压不仅会让绝缘子出现闪络现象，其闪络之后的电弧还会烧蚀，以致使绝缘子永久性毁坏。针对这种情况可以在悬式绝缘子和水平绝缘子两端装置带间隙或者保护间隙避雷器。在绝缘子的两端增加保护距离，可以疏导工频电弧，定位雷击闪络位置，避免绝缘子损害，从而起到保护绝缘子的作用。但是绝缘子的冲击闪络电压削减了线路的抗雷水平，如果加入绝缘间隙就会增加雷击的跳闸概率，因此需要配合高效可靠的自动重合闸系统。

3.3 加强雷电监测

牵引变电所应采取防雷措施，设置机房专用空调。控制、保护及通信设备，应装有防止强电及雷电危害的浪涌保护器等保护设备，电子設备应符合电磁兼容有关规定。所以，在气象部门借鉴了雷电监测技术，在对铁路走廊周围雷电互动密切监测的基础上，开发出更适合于监测铁路走廊的雷电监测系统，并不断进行了优化，经过统计，获得了列车运行过程中雷电流幅值和地闪密度等相关重要参数。还能对走廊沿线的雷电活动在必要时进行检测预警，划分并记录下铁路雷电区强弱。根据雷电监测体系记录下铁路雷击故障的情况以及雷电活动情况，以供电臂为单位，明确感应雷和直击雷，并兼顾雷电故障信息和雷电流的统计参数，采取各种防护实现对铁路牵引网的针对性防雷。

4 结语

通过铁路牵引供电系统防雷技术的研究，可以找到防雷技术的一些不足，根据这些不足加以分析，文章最终明确了几种优化方案。希望在不久的将来，在有关技术人员的一致努力下，铁路牵引供电防雷体系能够越来越完善，从而使得人们的出行有一个更高水平的保障，也使得铁路行业有一个更加广阔的发展空间。

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