接触网防雷设计与应用分析

唐海峰

摘  要：作为输电线路的接触网是架设在沿线铁路上空的一种以特殊形式向电力动车进行输电的手段。目前我国铁路地理区域跨度大，气象条件差别较大，并且高速铁路主要以高架桥为主，接触网遭受雷击的概率就会更大，接触网一旦遭受雷击性故障将会严重影响铁路运行安全。结合目前接触网防雷现状，给出接触网防雷分析思路，提出关于接触网防雷的措施建议，为接触网防雷提供了参考依据。

关键词：接触网;防雷;雷暴日;地闪密度

1 引言

铁路接触网需要将通过牵引变电所得到的电能直接输送给电力动车，这是一个巨大而又极其重要的任务。作为无备用供电系统的接触网因为设备露天布置，所以受环境气候等自然条件影响较大[1]。近几年来，我国电气化铁路和高速铁路不断发展，雷电对接触网的危害也越来越严重，相关接触网遭受雷击统计数据表明，雷电灾害严重危害了我国铁路的安全运营，是维护铁路安全上的最大障碍之一[2-6]。

2 接触网防雷设计概况

2.1 国外接触网防雷设计

在设计电气化铁道接触网的过程中，日本综合雷击频率的数据以及把线路按照重要程度划分，最终得到一份按防雷等级划分国土的结果，他们将其划分为A.B.C三个区域，而且还根据雷击程度制定出了相应的防雷措施。A区是重点保护区域，需要做到全面防雷来保证安全，该区域全线有避雷线的保护并且将避雷器安装在牵引变电所出口、接触网隔离开关两侧、架空线与电缆连接处以及架空线的终端;B区则是要保护重要的线路以及重点设备，是对有选择性，有针对性的区域进行防雷保护，避雷线设置在有需要的特别场所接触网架上，而避雷器的设置与A区几乎相同;C区为除A和B以外的区域，还着重保护牵引变电所的出口、隔离开关的两侧以及架空线与电缆的连接处，在这些地方设置了避雷器[6，7]。

与日本在设计电气化铁道接触网时不同的是，德国收集每100km接触网一年中可能遭受1次雷击的实际数据，避雷器只是在雷电频繁发生的地区设置，从而达到限制雷电过电压的效果，其他较为安全的区域则是不设置避雷器[6，7]。

2.2 国内接触网防雷设计

《铁路电力牵引供电设计规范》（TB 10009-2016）、《高速铁路设计规范》（TB 10621-2014）、《高速铁路牵引供电系统雷电防护技术导则》（TB/T 3551-2019）、《铁路防雷及接地工程技术规范》（TB 10180-2016）以及类似规定给国内接触网防雷提供了设计方向。

《铁路电力牵引供电设计规范》（TB 10009-2016）将雷暴区分为少雷区，中雷区，多雷区以及强雷区，少雷区域年平均雷暴日<=25天;中雷区域年平均雷暴日25<天数<=40;多雷区年平均雷暴日40<天数<=90;强雷区年平均雷暴日>90[8]。

接触网防雷措施具体为[8，9]：根据年均雷暴日的天数定位，对于年均雷暴日超过40天的地区将避雷器设置下列的终点位置，比方说分相和站场端部绝缘锚段关节、长度2000m及以上隧道的两端、供电线上网点、需要重点防护的设备等等地方;对于雷暴日不小于40 d地区的高速铁路则应该将避雷线或者回流线/保护线的位置适当抬高从而达到防雷的效果，而对于年均雷暴日超过60天的其他铁路，也应该抬高回流线/保护线或者设立避雷线来起到防雷作用。

《高速铁路牵引供电系统雷电防护技术导则》（TB/T 3551-2019）中明确雷电防护一般性原则：当接触网无防雷措施时的雷击跳闸率大于4次/（100 km·a） 时，应采用架空地线措施进行雷电防护[10]。

3 接触网系统防雷

3.1 接触网系统雷害

目前根据雷击接触网系统的不同部位，将雷击接触网线路分为三种情况[6]：雷击接触网附近地面;雷击接触网支柱;雷直击接触网。前两种情况是由于雷击导致接触网附近电磁场的剧烈变化，在接触网上产生感应过电压引起绝缘子闪络;第三种情况是由于雷击导致流经接触网很大的雷电流所形成的过电压。

3.2 架空避雷线设置

避雷线是一种设计施工方便、效果明显的接触网雷电防护措施。架空避雷線位于支柱上方，能很好地保护接触导线及AF线，能大大降低接触网雷击跳闸概率。

（1）避雷线保护范围确定

双线电气化铁路是高速铁路的一般形式，采用AT供电方式。避雷线保护范围需将承力索、接触线、正馈线等接触网设施覆盖在内，降低接触网的雷击概率。图1很好的展示了避雷线的保护范围，详情可见下图。

《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）附录D.0.6很明确的规定了避雷线的保护范围，在避雷线的作用上有很好的引导作用。确定单根避雷线的方法是：在距离地面hr处作一平行线，其平行于地面;然后再以避雷线为圆心、hr为半径画弧，所做的弧线与平行线相交于A、B两点;然后以A、B为圆心，hr为半径再作弧线，两弧相交或相切并且要与地面相切。保护范围也就是该弧线到地面的这个范围。图2很好的展示了单根避雷线的范围。

确定两根避雷线之间的保护范围步骤如下：以A、B两避雷线为圆心，hr为半径作圆弧交于O点，以O点为圆心、hr为半径作圆弧交于A、B点，同样的，保护范围就是从弧线到地面的这个范围。图3很形象的展示我们所说的步骤。

根据避雷线保护范围计算，避雷线设置在支柱顶端，对地高度较AF线高出2-2.5m即可满足对接触网及正馈线的保护。

（2）避雷线接地方式确定[3]

在架空线路中，雷电波拥有约为300m/μs的传播速度，而波头的时间一般被认定为1.2μs，雷电流在波头时间内的传输距离可以这样计算得出：L = vt = 300×1.2 = 360 m。因此避雷线接地按每隔300m左右设置一处接地极。采用双根70 mm2绝缘铜导线作为接地引下线以此来保证同支柱绝缘，避免发生危险。

在桥梁区段，避雷线引下线与贯通地线相连，但是也要保证在贯通地线接入时，引下线的接入点与其他弱电设备的接入点间距小于等于15m。在路基区段，避雷线引下线单独设置接地极，接地引下与独立接地极在距离路基20m相接，接地电阻也有限制，要保证不大于10Ω。

3.3 避雷器设置

何为避雷器？事实上它就是一种防雷击的设备，它的作用就是保护电力系统中的电器设备以防它们受到损害，通常与被保护设备并联设置。避雷器设置数目与线路遭受雷击时的跳闸率成反相关，数目越多，跳闸率越低，随之而来的是项目投资会相应增加，也给运营维护部门增加了运营成本。

因此除架设避雷线之外，可在接触网重点设备、长大隧道两端等设置避雷器。参考《铁路电力牵引供电设计规范》（TB 10009-2016）相关规定，一般在正线绝缘关节处、电分相处、供电线上网处、隧道两端、电缆转架空处、隔离开关处等设置避雷器。

3.4 绝缘子选择

复合绝缘子具有良好的耐污秽和抗电弧烧蚀性能。雷击引起绝缘闪络后，一般不会烧损伞套至其破碎、断裂，从而产生永久接地故障。

对于供电线悬挂、接触网下锚、附加导线下锚、绝缘关节、电分段等处采用硅橡胶绝缘子，以降低雷击接触网后故障后果。

3.5 可靠接地

作为接触网防雷的关键重点环节，接地技术需要依靠地能的接入才能使雷电流的释放能够更加顺利。接地技术按照性质能够划分为工作接地和安全接地两种方式。

被我国广泛应用在高速铁路中的综合贯通地线实际上是一个沿铁路线敷设的共同接地体，这种接地系统的电阻应该小于等于1Ω。在施工完成后对于接地电阻进行测试是很有必要的，采取可靠有效的降阻措施，降低接地系统电阻可以有效提高接触网系统的耐雷电水平。

4 结语

接触网系统防雷已成为影响列车安全运行的重要因素之一，在接触网防雷设计中应首先考虑以下措施：

（1）根据相关雷暴日、雷击跳闸率等资料合理确定架设避雷线范围。

（2）避雷线可以独立，同时也可以抬高保护线来达到避雷的效果，这也是一种可采取的技术方案。

（3）在接触网关键设备或关键部位设置避雷器，氧化锌避雷器的技术参数也可以适当提高来更好的防护。

（4）根据项目情况，合理选择复合绝缘子应用范围。

（5）接触网防雷接地措施也必须要做好，以此来保障安全。

在工程实践中应考虑线路环境、雷暴日、雷击跳闸率等情况，接触网防雷措施要相对制定，重点防护，确保铁路的安全可靠运营。

参考文献

[1]于万聚.高速电气化铁路接触网[M].成都：西南交通大学出版社，2002.

[2]李德胜.高速铁路接触网落雷特型及防雷技術的探讨[J].电气化铁道， 2013，3：1-4.

[3]鲁相来， 陈军喜， 豆强.架空避雷线在武广高铁接触网防雷系统的应用[J].电气化铁道， 2015，4：1-3.

[4]曹晓斌， 田明明， 张血琴， 李瑞芳.PW线升高或加设避雷线雷电防护效果综合评估[J].高电压技术， 2015，41（11）：3590-3596.

[5]边凯.高速铁路牵引供电接触网雷电防护研究[D]. 北京：华北电力大学，2014：1-2.

[6]李学武， 陈乐瑞.电气化铁路接触网防雷技术研究[J].电气化铁道， 2015，1：8-10.

[7]卲立， 王国梁， 白裔峰.高速铁路接触网防雷措施及建议[J].铁道工程学报， 2012，10：80-83.

[8]TB 10009-2016  铁路电力牵引供电设计规范[S].

[9]TB 10621-2014  高速铁路设计规范[S].

[10]TB/T 3551-2019 高速铁路牵引供电系统雷电防护技术导则[S].