高速铁路接触网防雷技术

孙少江



高速铁路接触网防雷技术

孙少江

通过对武广高铁、广深港等铁路防雷接地技术改造前后接触网雷击跳闸的统计分析，对比了不同防雷方式的防雷效果，总结了高速铁路接触网防雷接地的经验教训，提出了几点提高强雷区高速铁路接触网耐雷水平的建议。

防雷；避雷线；避雷器；接地电阻

0 引言

沿海地区由于受到特殊地理位置和气候条件的影响，处于高、强雷地区的高速铁路接触网系统遭遇雷击比较频繁，雷击问题是干扰高速铁路接触网安全运行而需要研究的重要课题之一。

接触网作为牵引供电系统最薄弱的环节之一，其露天无备份特性决定了接触网必须具备相应的雷击过电压防护措施[1]，以确保电力机车取流安全。我国电气化铁路分布广，地理位置差异大，气候环境复杂，根据不同铁路等级、不同地区雷暴状况及不同地理位置防雷需求，因地制宜地采取针对性雷击过电压保护措施是保障电气化铁路运输安全的重要研究课题[2]。

分析供电运营部门提供的数据发现，出现雷击事故比较频繁的是沿海地区及高架桥上的线路，而我国高铁又大多建在高架桥上，沿海地区则是雷暴活动频繁的地区，雷击对当地高速铁路供电安全构成严重威胁。因此，研究有效的接触网防雷击措施以避免雷击事件造成损失具有重要意义。

本文以处于全国强雷区的3条高速铁路接触网采用的防雷技术措施为例进行研究，对比分析不同防雷改造项目所采用的防雷技术，总结高速铁路强雷区接触网防雷经验和改进措施。

1 高速铁路接触网雷害情况

武广高铁南段、广深港高铁均位于广东省境内的强雷区，海南东环铁路位于海南省，年平均雷电日约120 d，最高可达149 d，雷击频率和强度居全国之首。武广高铁南段、广深港高铁、海南东环铁路运营初期接触网雷击跳闸情况如表1所示。数据表明，雷击是造成接触网跳闸的主要因素之一，采取高速铁路接触网防雷技术措施是降低跳闸率，提高牵引供电稳定性的必要手段。

表1 高速铁路接触网雷击跳闸情况统计表

2 高速铁路接触网防雷接地主要技术措施

目前高速铁路接触网采取的主要防雷技术措施为架设避雷线、增设避雷器、增强接触网绝缘强度、降低接触网接地电阻等。

2.1 架设避雷线

避雷线防雷是在雷电先导阶段，避雷线顶部聚积电荷后于发展先导和避雷线顶端之间的通道中建立强电场，避雷线迎面先导的产生和发展进一步加强了该通道中的电场强度，最后引导雷电选定并击中避雷线，使被保护物遭受直击雷的概率大幅降低。当接触网附近地面遭受雷击时，雷电流致使导线产生很强的感应过电压，而避雷线与接触网导线之间的耦合作用可减小绝缘子承受的感应电压。因此，避雷线不仅可以有效降低接触网遭受直击雷的概率，还可以降低因感应过电压而导致绝缘子击穿闪络的概率[3]。

采用避雷线防雷，首先需要确定避雷线保护范围和保护角，以确定避雷线安装高度。避雷线保护角选取随线路电压等级增加而减小，保护角越小，其防直击雷效果越好，选取角度一般不大于45°。保护范围计算通常通过折线法及滚球法2种算法。

（1）折线法。采用单根避雷线时，高度为x水平面上避雷线两侧保护范围宽度的计算式为

式中，x为避雷线保护半径，m；为避雷线高度，m；为高度影响系数，当避雷线高度不大于30 m时，= 1。

采用双根等高避雷线时，维持保护角不变，双线外侧保护范围与单线外侧保护范围一致，线间保护范围由避雷线及保护范围上部边缘最低点的圆弧确定，最低点计算式为

0=-(/ 4) （2）

式中，为双根避雷线间距，m。

（2）滚球法。单根避雷线在被保护物高度平面上的保护半径计算式为

式中，r为滚球半径，取值45 m。

采用双根避雷线时，考虑到接触网避雷线高度小于最小的一类防雷建筑滚球半径，且避雷线间距的一半必然小于单根避雷线在地面的保护半径，故距两避雷线连线中点距离为处的最大保护高度x的计算式为

即距两避雷线连线中点距离为，且高度为x时的设备可得到保护。

2.2 增设避雷器

避雷器防雷是利用其冲击放电电压低于接触网绝缘（空气间隙和绝缘子）及电力机车车顶保护装置（保护间隙和车顶避雷器）的冲击放电电压，使雷击时接触网上的避雷器先于上述保护装置放电，避免上述保护装置动作引起变电所断路器跳闸，从而降低接触网雷击跳闸率，提高线路的耐雷水平。但接触网避雷器也有其自身的保护距离，以常用的MOA避雷器为例，雷击线路时其保护距离的计算式为[4]

≤1 560（5）

式中，为接触网波阻抗，Ω；为接触网耐雷水平，kA；J为机车保护间隙放电电压。

当雷击大地产生感应雷时，感应雷过电压大小由下式确定：

=1（6）

式中，为常数，国外研究通常取值38.8；1为修正系数，国内研究通常直接取值1= 25；为雷电流幅值，kA；为接触网高度，m；为雷击点至接触网垂直距离，m。

此时，避雷器感应雷保护范围为[5]

式中，m为接触网额定电压，即25 kV；50%为线路绝缘子雷电冲击放电电压。

此外，当雷击接触网线路时，避雷器动作后吸收雷电能量，吸收能量的计算式为

=ò()()d（8）

式中，()、()分别为避雷器的雷电放电电流及作用在其上的电压；为雷电流在避雷器上作用的时间。

当避雷器吸收该部分能量后，绝缘子及杆塔等受到的总冲击电压为避雷器残压，提升了设备的绝缘保护性能，提高了线路防雷水平[6]。

2.3 加强接触网绝缘

高速铁路接触网大多架设在高架桥上，处于空旷区且距离地面较远，加大了接触网支柱落雷的机会。当雷击接触网支柱时，将在支柱上产生冲击电压。分析表明，70%直击雷将导致绝缘子冲击闪络，需采用增加绝缘子串片数、使用大爬距绝缘子、加大空气间隙等方法加强接触网绝缘。

根据西南交通大学和中铁二院工程集团有限责任公司关于海南西环铁路接触网防雷仿真计算研究显示，悬式绝缘子与棒式绝缘子相比，棒式绝缘子的使用较大地提高了接触网耐雷水平。当支柱接地电阻为5 Ω时，棒式绝缘子对应的支柱耐雷水平与悬式绝缘子对应的支柱耐雷水平相比，提高约4.57%。如图1所示。

2.4 降低接触网支柱接地电阻

若雷电直击接触网支柱，且接地电阻较大，则接触网支柱顶部将产生高电位，绝缘子串可能发生闪络，导致接触网接地短路故障。因此，降低接触网支柱接地电阻可降低雷击时的电位上限，间接提高接触网防雷水平，防止发生反击现象。

仿真计算显示，随接地电阻降低，支柱耐雷水平提高，接地电阻在10W时比60W时支柱的耐雷水平提高了43.5 kA，提高了4倍。

3 强雷区高速铁路接触网防雷改造

3.1 广深港高铁接触网防雷改造

3.1.1 设置避雷线

广深港高速铁路重要设备安装处及雷害多发区段（如变电所电缆上网处及空旷的高架桥区段）采用升高PW线兼作避雷线（保护角取值为45°）方式作为防雷措施，其安装方案如图2所示。

图2 广深港高铁重要区段PW线安装图

3.1.2 设置避雷器

全线隧道外区段设备安装处、每个锚段关节、站场两端及长大桥、隧道两端均加装避雷器。

3.2 武广高铁接触网防雷改造

3.2.1 架设独立避雷线

避雷线的保护效果很大程度取决于避雷线的安装高度，根据滚球法计算分析，一般中间柱处，只要避雷线位于柱顶附加导线肩架之上即可将正馈线、承力索纳入保护范围之内，此时避雷线肩架柱顶以上部分为0.7 m。在锚段关节处，尤其是绝缘锚段关节处，由于承力索抬高，避雷线也需要相应抬高，此时避雷线肩架柱顶以上部分为1.3 m。为便于零件制造安装，武广高铁避雷线肩架柱顶以上统一按照1.3 m进行设计。

由于武广高铁PW线采用非绝缘安装，而PW线通过吸上线、H形钢柱等与综合接地系统相连，为使避雷线与综合接地系统及弱电设备相对隔离，避雷线采用如图3所示的绝缘安装形式。

3.2.2 武广高铁南段接触网防雷补强改造

武广高铁南段处于广东省内强雷区，需进行特殊防雷补强改造，改造方案为：老唐屋变电所213、214供电臂、新花都变电所213、214供电臂、广州南变电所211、212供电臂采用绝缘安装形式增设独立架空地线，每隔200 m进行单独接地；在老唐屋变电所211、212供电臂绝缘关节两侧转换柱、中心锚结柱附近及中心锚结与锚段关节间增设避雷器，间距为300～400 m，上网点增设带间隙避雷器，原隧道口未设置避雷器处增设避雷器，避雷器接地采用单独接地。

图3 武广高铁避雷线绝缘安装示意图

3.3 海南东环铁路接触网防雷工程

3.3.1 接触网防雷设计方案

结合东环铁路气象条件及相关计算分析，东环铁路在满足《建筑物防雷设计规范》（GB50057- 1994的2000年修订版）雷电防护需求条件下即可满足该线雷电防护。因此，东环铁路采用将回流线直接安装在支柱顶部兼作避雷线的方法进行接触网防雷保护，该方案在满足接触网防雷要求的同时，减少了单独架设避雷线的费用，其安装示意图见图4。

图4 海南东环铁路防雷保护范围及支柱高度示意图

3.3.2 设置避雷器

在锚段关节式电分相处、绝缘锚段关节处、供电线上网处、分区所、开闭所引入线处、长度 2 000 m及以上的隧道口或连续的隧道群两端、电缆接头处等重点位置设置氧化锌避雷器。

4 强雷区接触网防雷工程成效对比

以武广高铁为例，其在2013年防雷改造过程中，老唐屋牵引变电所211、212供电臂采取增加氧化锌避雷器的方式进行了防雷加强；老唐屋牵引变电所213、214供电臂以及花都—广州南区间采取增设架空地线（避雷线）的防雷改造措施。改造前后各区段近几年跳闸数据对比分析见表2。

表2 防雷改造前后接触网雷击跳闸统计表

对比分析2013年与2014年、2015年的统计数据，采取防雷改造措施后，雷击跳闸次数明显减少。

分析表2统计数据发现，采用加装避雷线防雷的区段在2014年、2015年均未发生跳闸，与2013年同期相比下降100%，达到了预期的防雷效果，有效地降低了因雷击而导致的跳闸次数，减少了对列车运行的干扰。

采用加装避雷器防雷的区段，2014年、2015年各发生2次跳闸，其中距离最近避雷器仅50 m，与2013年同期未加装避雷器时相比跳闸次数减少1次，下降33.3%。从防雷效果分析，采用加装避雷线方式优于采用加装避雷器方式。

此外，根据广州铁路集团公司管内2011—2013年高速铁路接触网雷击情况统计分析，海南东环铁路雷击跳闸占总跳闸次数比武广高铁、广深港高铁低70%；每百公里雷击跳闸次数海南东环是武广高铁的4%。因此，采用避雷线进行接触网防雷改造取得了非常好的效果。

5 强雷区接触网防雷改进措施建议

（1）根据武广高铁、海南东环铁路、广深港高速铁路防雷工程实际效果分析可知，当线路处于强雷区时，架设避雷线作为主要防雷措施，可极大提高线路耐雷水平。另外，既有运营线路也可考虑升高PW线、回流线兼作避雷线的方式加强防雷，既可兼顾防雷效果，又具有较好的经济性。

（2）根据西南交通大学和中铁二院工程集团有限责任公司海南东环铁路接触网防雷仿真计算研究表明：选用避雷器对设备耐雷水平的提升作用非常显著，但避雷器的保护范围非常小，只有在每2个档距间装设一组避雷器，其防雷效果才等同于安装避雷线的防雷效果，此外增设避雷器可能降低接触网运行可靠性，因此不建议采用避雷器作为强雷区高速铁路接触网主要的防雷措施。但各地可根据雷电活动情况、典型地理环境特征及设备集中程度适当增设避雷器，且相关研究结果也显示，通过安装避雷器与降低接地电阻配合使用的方式，可有效提高线路耐雷水平，具体数据可参见表3。

表3 安装避雷器后不同接地电阻接触网耐雷水平表

（3）除采取避雷线、避雷器等吸收直击雷方式加强防雷外，强雷区段可通过采用优化设计绝缘子间隙形状、适当调整间隙距离的方法，利用绝缘子间隙疏导雷电流，达到防绝缘闪络、提高冲击放电电压水平的目的，间接提高线路耐雷水平。

（4）除单独采用上述防雷措施外，根据雷电特性及强雷区其他现场实际经验，也可采取其他防雷措施，如采用双重绝缘、减小接触网支柱接地电阻、提高AF线绝缘强度等组合方式，取得更为理想的防雷效果。

6 结语

综上所述，为解决沿海高速铁路处于高、强雷地理气象环境下，遭受雷击造成接触网跳闸频繁的问题，采用架设避雷线及降低接地电阻措施进行接触网防雷保护，效果最佳，方案切实可行，经济及社会效益可观，建议在沿海高速铁路中进行推广应用。同时，建议在沿海高普速及内陆高、强雷地区电气化铁路中将其作为既有线改造、新线建设的接触网防雷保护标准进行实施。

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On the basis of analyzing the statistics of overhead contact system tripping caused by the lightning stroke before and after reconstruction of lightning protection earthing technologies for Wuhan-Guangzhou railways and Guangzhou-Shenzhen railways, the paper illustrates the comparison of the lightning protection effects under different lightning protection modes, summarizes the experiences and lessons to be learnt, and puts forward proposals for lightning resistance level of the overhead contact system for high speed railways at strong thunderstorm regions.

Lightning protection; lightning wire; lightning arrestor; earthing resistance

U226.8+3

B

1007-936X(2017)03-0043-06

2017-01-20

孙少江.广州铁路集团广州供电段，工程师，电话：020-61358823。