电气化铁路接触网防雷研究

马 健

（中国铁建电气化局集团第二工程有限公司，山西 太原 064000）

0 工程概况

该文以某高速铁路建设项目作为研究案例，该铁路是我国高速铁路系统中的关键性组成部分，高速铁路的行车速度设计为200km/h。建设沿线设计有6 个汽车客运站点，沿线总长度设计为292km，沿线设计有96 座桥梁，其中，桥梁的总长度设计为152km。该段高速铁路的运营长度为199.633km，沿线管辖5 个工区，接触网施工人员的数量为93 人。

1 接触网防雷设计

1.1 避雷线架设高度的设计

结合我国电力系统既往运营状况来看，在电力系统中设置避雷线能提高电力线路耐雷性能。由于电力线路的绝缘等级要求非常高，感应雷电压虽然也有一定的可能会导致绝缘子出现闪络现象，但是这种现象出现的可能性非常小，设置避雷线的核心目的是防避雷击。接触网自身的绝缘能力不是很强大，一旦遇到接触网遭雷击，所有的绝缘子过电压都会出现闪络现象。因此，在接触网中设置防雷装置不但需要避雷线发挥出规避雷击的作用，同时应兼顾防感应雷的实际效能。通常情况下，避雷线的安装位置主要在支柱上侧和承力索上侧这2 个部位。

方式一：将避雷线安装在支柱的上侧。避雷线安装的高度须保证其可以屏蔽承力索，基于此，考虑避雷线安装的实际成本问题，在保证避雷效果的同时应兼顾经济性原则。

方式二：将避雷线安装在承力索的上侧。若安装在此部位，则需要适当将避雷线做倾斜处理，同时承力索的保护角应满足现行规范要求。

从避雷线的保护角度来说。汉宜高铁建设工程项目中，承力索的均值为6867mm，将避雷线安装在8300mm 部位，简单来说是避雷线高于承力索1400mm，在该情况下，避雷线的保护角计算表达式如下。

tg=3000/（8300-6867），=64.47°可以发现，该计算值大幅度超过标准保护角度（200°～300°），这种结果必然会增大雷击的可能性。如保护角控制在30°以内，避雷线与承力索之间的高度差距为5192mm，避雷线的实际安装高度则是12059mm。如保护角控制在200°以内，避雷线的高度应高于承力索8242mm，实际安装高度为15109mm。虽然保护角满足规范要求，但是接触网的支撑柱高度会超过常规性支柱的2 倍，这就意味着施工单位须承担的成本大幅度增加，还会涉及设计图纸变更。

根据该情况，通过加高支柱降低保护角不符合施工项目的经济性原则。当避雷线安装在承力索的上侧时，雷击打在避雷线上时会产生高强度的电压，假若电压超过了承力索与避雷线之间的击穿电压，则会出现闪络现象。根据我国现行管理规范要求来看，雷击现象出现后，应该保证避雷线与导线的距离达标，如采用第二种施工方法，当避雷线受到雷击，原材料会因为受到雷击产生电压，假若电压值非常高，会导致闪络现象出现。避雷线的跨中距离须满足以下要求：

式中：为避雷线与导线之间的距离；为跨距。

假若取值为60m，那么承力索与避雷线之间的距离不得低于1720mm，二者之间的高度差异则不得低于1070mm。结合相关机构的调研结果来看，当避雷线与接触网产生电磁耦合效应时，耦合系数与防治感应雷之间的关联性为正比关联性。假若将避雷线安装在承力索上方，则可以提高耦合系数，在这种情况下，耦合系数主要与线索之间的距离存在关联性，当避雷线与接触网之间的距离越大，耦合系数则越小。在保护角一致的情况下，将避雷线安装在承力索的上侧时，其所对应的耦合系数明显超过支柱上侧的耦合系数。假若建设沿线的地面受到雷击，接触网、避雷线则会产生感应过电压，绝缘子两侧的电位是相同的，当电压差距减少以后可以规避闪络现象。

根据滚球计算方法来说。根据计算基本原理进行分析，从图1 中可以发现，当避雷线在高度、平面内时，可以按照以下表达式计算保护半径：

图1 滚球法计算避雷线保护范围

式中：r为避雷线在h高度保护半径（m）；为避雷线的按照高度（m）；h为滚球的半径（m）；h为被保护物的高度（m）。

结合以上信息可以发现，假若想要计算出避雷线的高度，应确保承力索处于被保护状态，由此才可以确定接触网的其他线索仍处于被保护状态。以常规性的中间柱对应的承力索来说，承力索的滚球半径为=30m，利用h=5.33+1.66=6.9m，r=3.2m 可以计算出避雷线的安装高度，确定为10m，支柱的高度按照9.5m 进行计算，在该情况下，施工人员只需要将避雷线安装在支柱顶部以上50cm 处即可。

假若滚球紧贴在地表上或需要使用导线，当球体（、）只触及到大地和被保护的导线（接触线T、馈线F）时，经过支柱中心线方向与球体的交点得到避雷线最低架设高度，当需要同时保护接触线T、馈线F 时，计算中取2 个高度中较大值作为避雷线的最后架设高度，馈线F 和接触线T均在避雷线的保护范围内。

图2 单线铁路避雷线高度计算图

以点部位作为避雷线安装位置进行计算，可整理出公式（2）和公式（3）。

进一步可得到公式（4）。

因此，点位的避雷线高度如公式（5）所示。

式中：为接地引下线（m）；为F 线与地面之间的高度（m）；R为假设的滚球半径（m）；为避雷器高度（m）；为避雷线最低高度（m）；为接触线水平支架的长度；h为馈线F 线到地面的垂直高度；h为接触线T 线到地面的垂直高度；为T 线与支柱之间的水平距离（m）；为T 线与地面之间的高度（m）；T 为保护接触线。

如图3 所示，首先利用滚球、、沿着被保护的导线滚动，确定避雷线的安装高度的保护范围。

图3 复线铁路避雷线高度计算图

利用滚球在铁轨上进行移动，观察避雷线是否可以保护T 线。将滚球的半径确定为30m，并带入至表达式中进行计算，得出T 线处于保护范围以内。通过进一步分析，发现在对铁路进行防雷设计的过程中，不需要对T 线保护进行防雷设计。

避雷线的高度主要由滚球半径的数值确定，根据我国现行的防雷管理规范要求，滚球半径主要有以下3 种标准：30m、40m、60m。具体情况见表1。

表1 滚球半径对应的避雷线高度（单位：m）

假如区域内的雷击时间、雷暴时间比较短，则可以将滚球的半径确定为60m，该标准下的施工成本比较低，且能够满足规范要求。

1.2 接触网雷电过电压仿真

国内外研究学者加大雷电流的研究力度，在研究的过程中构建出很多研究模型，其中使用比较频繁的研究模型是双指数函数研究模型。该文选择使用双指数函数研究模型对问题进行进一步调研。结合大数据技术所收集的数据进行分析，目前全世界范围内的电流波形基本相同，尚未表现出较大的差异，通常情况下，波头的长度大概为2.6m，波长为50m，在实际模拟的过程中，仍然选择使用该数值进行计算。

结合我国电气化铁路接触网的实际情况，假如天气状况比较恶劣，那么出现雷击接触网的可能性非常大。当接触线与承力索用吊绳连接时，在采用模拟试验的过程中可以将接触线与承力索看作一个整体，将2 条线看作一条线，不对其进行区分处理，通过试验总结出以下观点。1）在出现雷击现行之前或雷击接触线之后，接触线的电压值并未发生比较大的波动，始终处于稳定状态。2）在出现雷击现行的瞬间，正馈线与接触线会形成较大的过电压，该部分电压甚至可以高达数百千伏，具备较大的破坏性。

结合实际情况来说，正馈线往往安装在农田一侧的支柱上，直接与承力索安装在一起，接触线与正馈线的安装高度应该是相同的。通过调研，总结出以下观点。1）当正馈线出现雷击现象时，接触线的过电压与有效值明显低于正馈线的数值。2）接触线的过电压数值大概为34V，正馈线的过电压约为53V。3）雷击现象产生的过电压对应钢轨电压造成的影响非常大。

2 接触网防雷具体实施方案

2.1 增设架空避雷线

当前，我国的铁路接触网防雷设计是根据滚球法、保护角来计算出接闪器的安装位置，结合实际情况来说，使用这2 种方法确定出来的接闪器位置可能会与实际情况产生较大的差异。现行规范明确提出，不鼓励采用保护角法来确定接闪器的位置，建议利用滚球法确定接闪器的位置。

根据高铁运营的具体状况来看，地线安装位置及保护范围应根据滚球法确定。滚球半径为=30m，利用滚球半径计算出地线的保护范围为22.5m。

采用滚球法进行计算，通常将避雷线安装在中间柱的位置，假如承力索、正馈线全部处于保护范围中，只需要将地线设置在导线肩架上侧即可，通过计算得出地线肩架上侧的距离为70cm。

针对锚段节点部位尤其是绝缘锚段节点部位，为了保证该部位拥有足够的缝隙，需要适当提升承力索，当承力索高度提高，地线也随之提高，经过计算得出地线肩架柱顶以上距离为1.3m。

为保证施工人员安装作业的便利性，该文将地线肩架的安装高度确定为1.3m。

为保证雷电流穿过地线时不会对弱电设备造成影响，需要对地线做绝缘处理，将绝缘子安装在地线表面，以达到隔离弱电设备的目的。

地线的下侧锚固点与线段保持相同。隧道外侧的地线应该安装在隧道口。

架空地线接地措施如下。1）接地装置的安装间距设计为200m，所有的接地装置须单独做接地处理。2）路基区段，避雷线的接地至少外沿出路基20m，将接电线与独立接地极进行连接，接地极的阻值控制在10Ω 以下。3）桥梁区段，假如该路段的环境比较理想，可以适当提高墩台的高度，在施工条件运行的情况下安装独立接地极。假若施工条件不允许，可以采取就近安装的原则。将砖基础、墩台的接地钢筋作为接地极进行使用。4）为了保证地下引线与第界限连接足够牢固，应结合现场的实际情况合理选择引线材料，引线优先选择使用铜芯电缆，该材料具备良好的绝缘性。

结合电力系统的管理要求来看，架空避雷线往往选择使用镀锌钢绞线，该原材料的性能比较强大，可以满足电力系统的管理要求。设置避雷线的核心目的是保证高速铁路的接触网不会受到雷击影响，同时需要兼顾扩大导线的横截面积，提升导线的抗拉伸强度，因此在实际选择避雷线原材料时，首选镀锌钢绞线比较合适。进一步来看，结合防雷管理要求及设计要求，使用镀锌钢绞线作为避雷线时，保证避雷线的横截面不得低于50mm。此外，为有效提高避雷线的张拉力，该文建议选择使用5mm 的镀锌钢绞线。

2.2 适当增加避雷器

以下关键部位必须要安装避雷器：1）区间车站的战场区域、区间分段区域的绝缘锚段节点部位；2）长度超过2km的隧道以及隧道两侧的进出口部位；3）供电线路的长度小于其冲击特性长度时,电缆线路应在两端分别装设避雷器；4）基接触网的各个网点、控制开关等关键性构建及路段。

2.3 该方案取得的效果

2005 年，汉宜高速运营单位对防雷设置进行改造施工，改造的核心内容为“一所两臂”，上行接触网、下行接触网的避雷线改造工程，沿线总长度为82.902km，总计52 个避雷线锚段。避雷线安装的实际效果如下。通过对沿线变电所的雷击跳闸次数进行分析，2012 年总计出现2 次雷击跳闸事件；2013 年总计出现2 次雷击跳闸事件；2014 年总计出现1 次雷击跳闸事件；2015 年时总计出现1 次雷击跳闸事件。发生雷击跳闸事件的部位位于施工单位以内，但是当时尚未竣工。通过2015 年改造以后沿线出现雷击跳闸事件的发生率为0%，改造取得了良好的效果，同时论证了上文的研究结果。

3 结语

综上所述，高速铁路接触网防雷设计的质量在很大程度上影响高速列车运行过程中的安全性与稳定性。在实际设计过程中，必须结合铁路沿线的雷电发生规律、特点、环境、地形等多个影响因素展开设计，面对不同的影响因素采取不同的应对措施，不仅需要保证避雷线线路设计的合理性，同时应该保证避雷线架设高度的合理性，在必须达到要求的情况下可以增设其他设备作为补充，保障高速列车安全、顺利通行。