高速铁路接触网与架空输电线路防雷规范差异对比分析

王 林

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

引言

高速铁路接触网是一种特殊的架空输电线路，设置于轨道上方，为高铁动车组提供电能。在高铁建设初期，接触网防雷主要采用在重点区段设置无间隙金属氧化锌避雷器的防雷措施。由于忌惮避雷线的引雷作用，并且缺乏对耐雷水平及雷击跳闸率的有效计算方法，接触网未架设独立避雷线。由于我国高速铁路50%以上的路段架设于高架桥上，接触网架设高度与电力系统110 kV/220 kV电力线路相当，引雷效果明显，雷击跳闸问题十分突出。

2012—2016年，原中国铁路总公司借鉴电力系统高压输电线路和日本等国接触网雷电防护经验，开展铁路雷电防护科学研究，结合京沪高铁全线、京广高铁清远—广州南区段、哈大高铁四平东供电臂区段架设避雷线工程效果，明确提出了“以架设避雷线为主，重点位置设置避雷器”的接触网雷电防护技术路线，并在TB 10621—2014《高速铁路设计规范》、TB 10009—2016《铁路电力牵引供电设计规范》予以明确[1]。

2013—2019年，原中国铁路总公司及更名后的国铁集团联合中国电力科学研究院、北京电力经济研究院、各大铁路设计院组织编制了TB/T 3551—2019《高速铁路牵引供电系统雷电防护技术导则》，明确了高铁接触网雷电防护的原则、实施措施、雷击跳闸率限值、计算方法、工程实施建议，并在TB 10180—2016《铁路防雷及接地工程技术规范》中明确要求根据各区段雷击跳闸率综合评估计算及分段评估的方法开展接触网防雷设计[1]。

电力系统输电线路手册和规范的防雷措施相对完善，2003版《电力工程高压送电线路设计手册》详细论述了采用经验法(规程法)进行线路雷击跳闸率等防雷保护计算，采取架设地线、降低杆塔接地电阻、架设耦合地线、装设自动重合闸、加强绝缘等线路综合防雷措施；2019版《电力工程设计手册-架空输电线路设计》在保留经验法防雷保护计算基础上，在输电线路绕击率计算中拓展了电气几何模型法，增加了采用行波法计算雷击杆塔时的塔顶过电压的方法以及GB/T50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》推荐的雷击杆塔时导线上感应过电压的计算方法，在保留相关综合防雷措施前提下，增加了特殊地段安装线路避雷器提高耐雷水平和安装并联间隙保护绝缘子的防雷措施。

高速铁路接触网雷电防护一直是研究的热点，相关文献主要采用“电气几何模型法”[2-6]“规程法”[7-8]“分形理论”[9-11]“滚球法”[12-13]4种分析方法。电气几何模型是主流分析方法，规程法是经典分析方法，分形理论是近年来的新兴方法，滚球法是基于建筑物防雷体系衍生出的方法。

1 研究思路及计算模型

高速铁路接触网防雷设计主要遵循《铁路电力牵引供电设计规范》[14]、《高速铁路设计规范》[15]、《铁路防雷及接地工程技术规范》[16]和《高速铁路牵引供电系统雷电防护技术导则》[17]；架空输电线路防雷设计主要遵循《66 kV及以下架空电力线路设计规范》[18]、《110～750 kV架空输电线路设计规范》[19]、《交流电气装置的过电压和绝缘配合设计规范》[20]。

对比分析铁路牵引供电与电力行业标准的差异性，并采用《高速铁路牵引供电系统雷电防护技术导则》相同的高速铁路接触网布置形式，选取相同的绝缘子，架空地线采用柱顶2 m或2.5 m安装方式，接触网结构尺寸如图1所示，利用经验法进行相关计算和评估，并提出合理化建议。

图1 典型高铁线路接触网结构尺寸(单位：mm)

为简化计算，忽略PW线对AF线的耦合影响，计算结果偏严格。由于导线高度对计算结果影响较大，计算过程中计及AF线和GW线弛度对导线平均高度的影响。在雷电过电压工况，气温采用15 ℃、风速取10 m/s，AF线选用JL/LB20A-300/50的铝包钢芯铝绞线(拉力取12 kN)，架空地线选用JLB20A-50的铝包钢绞线(拉力取5 kN)，AF线和架空地下的弛度计算结果如图2所示。

图2 接触网附加导线弛度与跨距关系

从图2可以看出，由于接触网跨距小于一般架空输电线路的档距，AF线和架空地线的弛度均在0.2～0.4 m，由于架空地线所选线材强度大，同样跨距下其弛度小于AF线。

2 架设架空地线的防雷效果

2.1 接触网落雷次数

假设雷暴日为40 d的中雷区，分别利用GB/T50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》附录D公式计算轨面高度分别为0，5，10，15，20 m的接触网落雷次数，计算结果如图3所示。

图3 接触网落雷次数与架空地线架设高度关系

从图3可以看出，同为中雷区轨面高度20 m的高架桥区段，接触网落雷次数约为轨面高度为0 m路基区段的2倍。架设2～2.5 m架空地线会增加接触网落雷次数，但增加幅度很小。

2.2 上下行接触网架空地线对T线的防护效果

(1)规范差异

铁总运[2016]237号《高速铁路牵引供电系统雷电防护技术导则》条文说明中规定：“架空地线雷线对地高度较AF线高度高2～2.5 m时，此时对AF线保护角介于40.7°～34.5°之间，雷电无法绕击T线。”该条款是基于电气几何模型的研究结论，上下行接触网T 线的引雷宽度被上下行架空地线完全屏蔽。后续重点研究架空地线对AF线的防护效果。

相关架空输电线设计规范对双地线的间距要求如表1所示。

表1中规范要求：“杆塔上两根地线间的距离不应超过导线与地线间垂直距离的5倍”，接触网上下行架空地线的距离为11.3 m，当架空地线雷线对地高度较AF线高2 m时，不能实现对上下行接触网T 线的完全保护。建议在铁路工程设计中参照严苛要求执行，确保架空地线对上下行接触网T线的防护效果。

表1 双地线间距离比较

2.3 架空地线对AF线的耦合系数

利用经验法相关公式以及典型高铁线路接触网结构中各导线之间的相对距离，计算架空地线对

AF线的耦合系数，计算结果如图4所示。

图4 架空地线对AF线的耦合系数

从图4可以看出，高架桥区段架空地线对AF线的耦合系数远大于路基区段的耦合系数。架空地线高出2.5 m后，计算上下行架空地线对上/下行AF线的耦合系数，大于架空地线高出2 m时的计算结果。

2.4 AF线和66 kV架空线路建弧率对比

选用《高速铁路牵引供电系统雷电防护技术导则》附录B中AF线瓷绝缘子和复合绝缘子，利用GB/T50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》附录D建弧率的计算方法进行计算，计算结果如图5所示。

图5 AF线和66 kV架空线路建弧率对比

从图5可以看出，接触网AF线和66 kV架空线路建弧率相近，从一定程度反映在雷电运行下，接触网的绝缘水平与66 kV架空输电线路绝缘水平相近，架设避雷线的设计要求可参考66 kV架空输电线路开展设计。

2.5 架设地线工况对比

铁路行业标准与架空输电线设计规范对架设地线的工况要求，如表2所示。

表2 各标准架设地线的工况比较

各规范对比可以看出，TB10009—2016《铁路电力牵引供电设计规范》和TB10621—2014《高速铁路设计规范》接触网全线架设地线的要求参考GB50061—2010《66 kV及以下架空电力线路设计规范》对66 kV架空电力线路的设计要求，与接触网的绝缘水平是相匹配的。TB/T3551—2019《高速铁路牵引供电系统雷电防护技术导则》对架设地线要求更为严格，规范40雷暴日的计算结果最小值为18.5次/(100 km·a)，远高于单行别大于4次/(100 km·a)的要求。同时，TB/T3551—2019《高速铁路牵引供电系统雷电防护技术导则》参考了GB/T 50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》对变电站进线段雷电防护架设避雷线的要求。

2.6 接触网绕击率

铁路行业标准与架空输电线设计规范对保护角的要求如表3所示。

表3 各标准保护角比较

从各规范对比可以看出，架空输电线设计规范较铁路行业标准对保护角更为严格，这也是现行两行业规范的重大差异。

利用经验法很容易计算出，接触网绕击AF线工况，接触网的耐雷水平为4.1 kA，大于4.1 kA的负极性雷电流出现概率为89.83%，减少绕击率是降低接触网雷击跳闸率的重要手段。

利用经验法相关公式及典型高铁线路接触网结构中各导线之间的相对距离，计算接触网绕击AF线的概率，结果如图6、图7所示。

图6 不同轨面高度接触网绕击率(架空地线2～2.5 m)

从图6、图7可以看出。

图7 减小保护角对接触网绕击率的影响(轨面高度20 m时)

(1)高架桥区段接触网发生绕击的概率远大于路基地段。架空地线高于AF线2.5 m安装方式较架空地线高于AF线2 m的安装方式，可降低约50%的绕击率。

(2)减小保护角对降低接触网绕击率影响显著，保护角调整为0，可将绕击率降低至万分之一～万分之四，保护角设定为25°与TB/T3551—2019 《高速铁路牵引供电系统雷电防护技术导则》架空地线高出AF线2 m方案相比可降低约70%的绕击率。

因此，建议在工程设计中，在确保接触网上下行地线间的距离不应大于AF线与地线垂直距离5倍的条件下，架空地线对边AF线的保护角按20°～30°设计。

2.7 杆塔分流系数与冲击接地电阻的关系

铁路行业标准与架空输电线设计规范对杆塔接地电阻的要求，如表4所示。

表4 各标准接地电阻比较

从各规范对比可以看出，架空输电线设计规范对工频接地电阻的要求较铁路行业标准更为宽松，保证雷电流有效散流的前提下，采取局部提高线路绝缘水平和设置线路避雷器的措施提高线路耐雷水平，在山区高土壤电阻率的普速铁路更容易实施。

利用经验法计算不同接地电阻的接触网支柱分流系数，计算结果如图8所示。

从图8可以看出，降低接触网支柱的冲击接地电阻可以提高架空地线对雷电流的分流系数，降低杆塔绝缘上的感应电压，有助于提高接触网的耐雷水平。

图8 杆塔分流系数与冲击接地电阻的关系

2.8 接触网的耐雷水平

铁路行业标准与架空输电线设计规范对线路耐雷水平的要求，如表5所示。

表5 各标准耐雷水平比较

从各规范对比可以看出，仅GB/T 50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》给出了各电压等级雷击杆塔时的耐雷水平。

利用经验法计算雷击接触网附近大地时，接触网耐雷水平，计算结果如图9、图10所示。

从图9、图10可以看出，接触网不设置架空地线时感应雷耐雷水平大于132.5 kA，设置2 m架空地线后感应雷耐雷水平大于176.8 kA，雷击接触网附近大地时感应过电压一般不会引起接触网跳闸。

图9 接触网感应雷耐雷水平

图10 接触网超过绝缘子击穿电压的概率

当接触网跨距55 m、冲击接地电阻10 Ω时，利用经验法计算雷击杆塔时的耐雷水平，计算结果如图11所示。

图11 雷击接触网柱顶的耐雷水平

从图11可以看出，随着接触网轨面高度的升高，接触网耐雷水平从24.14～16.02 kA呈现下降趋势。架空地线高于AF线2 m的安装方式接触网耐雷水平提高至46.98～31.33 kA，架空地线高于AF线2.5 m安装方式，得益于双地线对耦合系数的影响，接触网耐雷水平提高至48.36～33.21 kA。

与GB50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》雷击塔顶时的反击耐雷水平对比，接触网按TB/T3551—2019《高速铁路牵引供电系统雷电防护技术导则》设置架空地线后，其耐雷水平与66 kV架空输电线路耐雷水平相当。

2.9 接触网的雷击跳闸率

利用接触网落雷次数、绕击率、建弧率、击杆率经验公式，计算雷暴日T=40 d时，接触网的雷击跳闸率，计算结果如图12所示。

图12 典型高铁接触网雷击跳闸率T=40 d

从图12可以看出，在多雷山区，轨面高度高于15 m时，接触网百公里的年雷击跳闸次数大于4次，不满足TB/T3551—2019《高速铁路牵引供电系统雷电防护技术导则》需进一步采取加强措施。

将架空地线的保护角调整至25°，其他所有参数不变(忽略耦合系数变化)，重新计算T=120 d时接触网的雷击跳闸率，计算结果如图13所示。

图13 改善保护角后高铁接触网雷击跳闸率T=120 d

从图13可以看出，即使在T=120 d的强雷区，轨面高度为20 m，接触网百公里的年雷击跳闸次数均可以满足TB/T3551—2019《高速铁路牵引供电系统雷电防护技术导则》的要求。

3 结论

高速铁路接触网与架空输电线路防雷规范在多个方面存在差异。架空输电线路防雷规范中重视架空地线保护角、高土壤电阻率的山区不盲目降低杆塔接地电阻的理念值得借鉴。

接触网绝缘水平、全线设置架空地线后的耐雷水平与66 kV架空输电线路相当，建议接触网保护角、支柱接地电阻等关键指标可参照执行。

复线架空地线的架设高度，应满足两根地线间的距离不应超过地线与AF线间垂直距离的5倍，以确保架空地线上下行正线接触网T线的防护效果。