铁路接触网的避雷线高度设计策略

穆松林

（中国铁道科学研究院 北京 100081）

随着我国高铁的发展，运营里程不断增长。未来我国高铁网络进一步完善，我国已建铁路覆盖全国主要发达地区。高铁涉及专业广泛，牵引供电专业逐渐受到重视。高铁牵引供电系统是向列车提供稳定电能的重要途径，接触网设备受到外界因素影响易造成线路跳闸，雷击跳闸是高铁线路跳闸主要原因。我国高铁牵引供电系统接触网大部分未设置避雷线，随着我国高铁的快速发展，一些地区在接触网上增设专用避雷线。接触网防雷设计中，避雷线架设高度是关键参数，研究接触网防雷改造措施，有效降低线路雷击跳闸率，对确保铁路牵引供电安全具有重要现实意义。

1 铁路接触网避雷线防雷研究

我国电气化铁路经过多年发展拥有最高速度的高铁网，高铁建设不断拉动沿线周边城市发展。随着我国高铁的不断建设开通，对铁路安全运行提出更高的要求，需要牵引供电系统消除安全隐患，要不断提高接触网设备质量［1］。接触网是高铁牵引供电系统的重要部分，高铁安全运行受到接触网状态的影响。我国采用高架桥形式建设高铁，接触网比附近地势更高，高铁接触网跳闸大部分由于雷击造成。在夏季雷雨天气里，高铁接触网经常被雷电击中，严重威胁动车组安全运行，需要研究高铁接触网的有效避雷技术措施。

电气化铁路主要由接触网及变配电组成，接触网架设在铁路线路两旁，接触网出现设备问题会影响动车组正常供电。接触网是向电力机车提供能源的设备系统，主要包括支柱基础、接触悬挂与定位装置等［2］。接触网在自然环境下暴露使用，受限于技术费用，不能有后备系统，要求保证列车正常运行，必须满足机车设计速度正常受电；设备零部件要具有较高的可替换性，节省有色金属材料使用。电气化铁路接触网易受到雷击，雷电是强对流天气灾害，每年造成人员伤亡3000～5000 人［3］。雷电活动对牵引供电系统危害日益严重，提高铁路防雷性能具有重要意义。

雷击根据形成原因分为直击雷与感应雷。当前，对雷击已有全面的认识，但电气化铁路专业对雷电伤害原因存在很大空白，随着我国经济迅速发展，电气化铁路防雷相关理论需要深入研究［4］。雷电高电压作用在接触网设备时，会对电气化铁路设备造成损害。对电气化铁路防雷设置非常必要，可以借助某些设备将雷电能量引导阻截引入大地，降低雷击过电压对牵引系统的伤害。接触网架设避雷线，可以降低雷击跳闸概率，中铁公司组织专家论证架设避雷线、确定接闪器为主的防雷原则。我国高铁接触网采取防雷措施依据《铁路牵引供电设计规范》等相关规定。避雷线包原理是，架设在输电线上方，对下部形成屏蔽作用，抑制雷电在输电线上形成感应过电压幅值。

牵引网上方架设避雷线防止雷电流侵害设备，主要理论包括先导与雷电屏蔽理论。雷云向地面发展称为下行先导，下行先导将随下行先导在空间位置变化。先导通道下某处因静电感应作用产生电荷分离过程，先导发展到接近地面进入主放电阶段。主放电阶段电流是通道下向上发展，通过先导放电开辟电离通道发生电荷中和。先导发展组后阶段击中物体间距离为击距，先导首先击中最近物体，要求避雷线线路阻波抗小，雷电直击避雷线电流通过引流线泄漏到大地，接地电阻大引起对被保护绝缘损坏。

2 铁路接触网避雷线设计分析

20世纪60年代，有学者研究建立雷电屏蔽性能分析电气几何模型，通过调整避雷线高度可保证为导线有效屏蔽。我国相关规程将滚球法作为标准设计方法［5］。滚球法在EGM模型基础上演化，铁路两边分布桥梁等复杂情况可以有效推广，EGM应用需要确定暴露宽度等参数，球体无法触及处为避雷线保护范围。

滚球法可以分析避雷线防雷效果，高铁主要以AT供电方式为主，通过滚球法分析避雷线架设高度，需要选择合适的高度架设避雷线。单线接触网下球体触及保护导线，支柱中心线方向与球体交叉点得到最低架设高度，计算取接触线较大值为避雷线最后架设高度；利用几何关系计算得到避雷线高度，避雷线设计高度以较大值为依据；利用滚球沿被保护导线滚动，分析发现按第一类滚球半径30m计算复线接触网仅考虑对馈线F线保护；分析得到避雷线设计高度计算方法，单线铁路需考虑避雷线对接触线的保护，复杂情况考虑对馈线的保护；滚球半径与避雷线高度成反比；分析避雷线高度与防雷性能关系选取适合滚球半径。避雷线高度与滚球半径的关系如图1所示。

图1 避雷线高度与滚球半径的关系

接触网架设避雷线后雷电防护性能与接地方式密切相关，大多数接触网支柱利用埋在地下基础内金属部分进行自然接地，沿线经山区接地困难路基路段，利用自然接地电阻较大。铁路沿线电阻率较高，随着时间推移，接地电阻不断增高。雷电强度较小地区采用自然接地时，雷电跳闸率可以满足规程要求。对支柱接地改造导致投资费用过大，可结合地区雷电活动强度分布提出适合的接触网支柱接地方式［6］。接触网支柱通过自然接地方式接地，假设避雷线后易遭受反击，降低支柱接地电阻是防止反击的主要措施，提出采用间隔接地改造方式，可以降低工程投资与施工难度。

3 避雷线高度对接触网雷电防护性能影响

耦合系数是防雷计算的重要参数，采用麦克维斯方程组求解耦合参数，导线耦合系数计算不能直接采用电力系统公式。馈线与接触网通过绝缘子与地绝缘，计算不考虑支柱压降，计算得到馈线、接触线耦合系数。馈线F耦合系数大于接触线T，F距离接近避雷线，根据所给参数得到馈线耦合系数为0.45左右，馈线与接触线耦合系数随避雷线高度增加减小。单线铁路雷击跳闸率详见表1。

表1 单线铁路雷击跳闸率

计算单复线铁路雷击跳闸率随避雷线高度变化情况，复线铁路接触线T 线雷击跳闸率为0，复线铁路馈线绕击跳闸率为单线铁路馈线的2 倍。表2 为单线铁路雷击跳闸率。避雷线引雷范围大导致反雷击跳闸率增加。根据我国防雷相关规范划分滚球半径。避雷线高度设计中可以采用规程推荐滚球半径计算，避雷线高度计算结果见表3，雷暴不频繁地区可降低避雷线设计高度。

表2 单线铁路雷击跳闸率

表3 避雷线高度计算结果

4 铁路接触网避雷线接地方式分析

接触网架设避雷线后，雷电防护性能与接地方式有关，目前，大多数接触网支柱利用地下基础金属部分自然接地，沿线经山区接地困难路基铁路土壤电阻率达3000Ω·m 以上。接地方式不同，安装地点电阻不同，利用自然接地对接地电阻较大，随着时间推移，接地电阻增高。有些地区雷电强度弱，采用自然接地雷击跳闸率可以满足规整要求。支柱进行接地改造造成工程建设不合理。可以结合地区雷电活动强度分布等提出适合的接触网支柱接地方式。

铁路避雷线接地可采用间隔与部分绝缘改造方式，接触网支柱通过自然接地电阻较大，接触网支柱形式确定后，支柱接地电阻值影响接触网反击耐雷水平。降低支柱接地电阻措施为增加接地极数量。提出采用间隔接地改造方式，可以降低工程投资与施工难度。雷击支柱有80%以上雷电流通过支柱分流，易造成地电位反击。未进行接地改造支柱接地电阻较大，提出避雷线采用部分绝缘架设方式，避免接触网遭受反击。采用部分绝缘改造实施是对未接地改造支柱采用绝缘架设方案。避雷线采用非绝缘架设，通过金属肩架支撑，支柱采用绝缘架设方案可以避免雷线通过钢支柱接地。

避雷线采用间隔接地改造间距影响防雷性能，自然接地电阻不同，选取电阻R=30～120Ω的情况进行研究，对未解答改造支柱编号。避雷线架设采用接触网支柱间隔接地，不同电阻率地区采用不同间隔接地改造，改造后，支柱反击耐雷水平提高到68.3kA，改造支柱相邻支柱反击耐雷水平改善。接触网支柱接地改造密集耐雷水平高。应根据当地雷暴天气等条件选择接地改造间距。雷电活动强度不同地区采用不同间距接地改造，架设避雷线后接触网雷击跳闸率计算方法，考虑不同自然接地电阻下雷击跳闸率变化。分析支柱在不同自然接地电阻下接地改造间距与雷击跳闸率关系，计算60d下不同自然接地电阻雷击跳闸率变化，雷击跳闸率随接地改造间距增大趋于平缓。土壤电阻率较大地区可缩短接地改造间距。

5 结语

本文结合高铁接触网结构特点，提出避雷线高度设计方法，确定接触网耦合系数计算方法，推导单复线铁路接触网避雷线高度设计计算公式；总跳闸率随避雷线高度增加降低。避雷线高度设计推荐采用三类球半径设计。高铁牵引供防雷措施应以提升防雷性能为出发点，应参考当地雷电活动特征，选择防护效果更佳的措施。建设高铁由于地形条件差异大，采取雷电措施应充分考虑相关因素，降低雷电对牵引供电系统造成的损害。