高速铁路牵引供电接触网雷电防护措施研讨

邵诗鹏

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

牵引供电接触网是高速铁路的重要组成部分，由于接触网大多数时间暴露在自然中，不但容易出现老化、受损等情况，还可能受到雷击等自然灾害。高速铁路牵引供电接触网受到雷击时，侵入波过电压会通过接触网进入牵引变电所中，可能会对变电所中的相关设备造成损伤。因此，在这种情况下，必须要对高速铁路牵引供电接触网的防雷优化设计给予高度重视，采取可行、有效的雷电防护措施，从而预防雷电可能造成的事故，维持高速铁路的正常、稳定运行。

1 雷击对高速铁路牵引供电接触网的危害性

1.1 雷击危害特点

高速铁路受到雷击的影响因素较为复杂，例如地质条件、地形条件、周围环境等。同时，不同的环境条件会导致雷电的频率、强度发生一定的变化，供电线路在雷电的影响下可能发生跳闸、断电，影响列车的正常运行。高速铁路的雷击危害主要分为以下两方面：第一，高速铁路的相关线路受到雷击影响，即过电压；第二，线路周围的地面受到雷击，即感应雷过电压，多数情况下是由于电磁感应导致的。当线路受到雷击时，若雷击的是供电线路，由于绝缘设施的存在，能够起到一定的保护作用，但一旦受到雷击过电压的影响，绝缘设施的保护作用会明显降低。

1.2 雷击危害产生的根本原因

雷击对高速铁路产生危害的根本原因可以分为以下三方面：第一，牵引供电接触网安装结构。牵引供电接触网的保护线、正馈线的高度存在一定的差异，正馈线的位置较高，两种线的保护装置未严格按照要求设置，导致对雷击的预防能力较低，正馈线与接触网之间未做好有效的隔离措施，导致雷击的风险较大。或线路的宽度、密度设置未达到要求，为闪络的出现埋下了风险。此外，保护线的高度过低、未安装避雷线等，均有可能造成雷击危害；第二，建设工程环境。目前我国高速铁路的运行区域内每年会发生大量的雷击事件，而雷击的发生率与高速铁路所在区域的雷电天气密切相关。由于高速铁路周围的环境较为复杂，一般在高架桥梁或空旷处，一旦出现雷电天气，接触网极易受到雷击；第三，位置。接触网最易受到雷击的位置主要为承力索、正馈线、保护线。其中承力索和正馈线会安装不同形式的绝缘子，而保护线则采用非绝缘安装的方式。当承力索、正馈线受到雷击时，绝缘子的承受力会呈现出逐渐下降的趋势，因此多数雷击都会引发闪络现象。在正常情况下，若正馈线的位置高于承力索，正馈线就会形成保护角，在雷电天气时极易被击中。若正馈线被击中时，绝缘子被击穿，会增加钢柱上的电位，导致承力索与钢柱之间的电位差超过正常水平，引发承力索绝缘子闪络。

1.3 雷击危害的影响因素

雷电直击对高速铁路造成的重要危害主要体现在以下三方面：第一，承力索。当承力索直接被雷电击中后，绝缘子会产生闪络；第二，正馈线。当正馈线直接被雷电击中后，会引发悬式绝缘子闪络；第三，保护线。当保护线直接被雷电击中后，会引入综合接地系统。

我国疆土广阔，南北之间地理环境的差异较大，不同的地区天气、土壤情况也有所区别。高速铁路的建设需要横跨多个地区，这意味着会面临不同的土壤、地质条件，会形成多种雷电参数，雷电对高速铁路造成的影响也需要进行针对性的分析，因此工程人员在建设高速铁路的过程中应当根据铁路所在区域的实际情况，设计相应的雷电防护措施。但从实际情况来看，多数高速铁路建设时设计人员没有考虑到雷电可能造成的影响，在雷电防护措施方面存在着种种漏洞，难以达到理想的雷电防护效果。

此外，当高速铁路长期运行后，极易出现线路绝缘老化的情况，导致运营维护人员对高速铁路进行日常维护时容易发生触电，严重影响了高速铁路的稳定性。在这种情况下，运营维护对接地电阻的要求不断提高，因此目前我国的高速铁路大多采用了综合接地系统。

2 高速铁路牵引供电接触网雷电防护措施经济型分析

2.1 避雷器

线路避雷器目前是我国应用较为广泛的雷电防护措施，尤其是在电力系统输电线路的保护方面。因此，在高速铁路中，避雷器也具有一定的价值，可以将其直接安装在接触网上，从而对接触网起到一定的保护作用。对于安装在接触网上的避雷器，应在维持其功能的前提下，尽量减轻避雷器的重量，缩小避雷器的体积，从而减轻支柱的机械负荷。另一方面，还需要对传统避雷器的结构进行调整，保证结构的紧凑，以便后续避雷器的安装、维修、更换等。在接触网上安装避雷器时，应注意对避雷器保护距离的调整，适当减少避雷器的分布密度，从而降低接触网雷电防护的成本。但避雷器的安装流程与施工环境均较为复杂，会涉及到山区等复杂位置，不仅安装难度大，且后续的维修、更换也需要消耗巨大的人力、物力，因此在选择避雷器时应当注重对质量与性能的检查，尤其是避雷器的机械强度与密封性。从理论上分析，避雷器的最佳安装位置是接触网的支柱上，但这种安装方式需要消耗巨大的成本，因此可以改为在风口、山顶等位置安装，不仅能够起到良好的雷电防护效果，同时还能够降低安装、维修、更换的成本，经济效益良好。另一方面，对于存在一定安全隐患的支柱，也需要设置相应的避雷器，避免因闪络影响高速铁路的正常运行。

2.2 避雷线

避雷线具有一定的屏蔽作用，能够有效减轻直击雷对高速铁路造成的影响。当接触网与避雷线之间形成耦合作用后，能够有效降低雷电压幅值，避免结缘子被击穿，降低闪络的发生率。我国目前假设避雷线的方法主要有以下三种：第一，对于无加强线的区域，大多选择在支柱顶部设置架空地线肩架，高度一般在1 m左右，新增一根架空地线。这种架设方式的结构较为简单，操作可行性高，且成本较低，能够起到一定的保护作用，但这种架设方式也会增加支柱的负荷；第二，对于有加强线的区域，由于加强线的位置一般较高，因此更容易受到雷电的影响，此时架设避雷线前，应当先去除加强线与T线之间的电连接。同时，还需要在固定加强线时，对支柱绝缘子短接，并将电气连接线的位置设置为接地螺栓之间；第三，抬高PW线。通过适当抬高PW线，能够使其起到一定的避雷线的作用，至少要抬高至F线以上，这样不仅不会对PW线的正常作用造成影响，还能够提高一定的避雷效果，是成本最低、可行性最强的方式。

2.3 并联间隙

并联间隙指的是在接触网绝缘子的位置假装并联间隙，此时发生雷击时，会先击穿间隙之间的空气，电弧不经过绝缘子表面，不会对绝缘子表面造成损伤，能够起到一定的保护作用，提高线路的稳定性与安全性。并联间隙的成本较低，即使大规模安装，也不会造成巨大的经济压力，因此可以根据地区的实际情况与雷电防护需求，适当增加并联间隙的数量，部分雷电密集的地区甚至可以在每个支柱上安装。并联间隙的不足主要表现在放点间隙击穿电压明显小于绝缘子电压，可能会对接触网的绝缘水平造成影响，增加雷击跳闸的发生率。因此该方法应主要用于不重要的线路。

3 高速铁路牵引供电接触网雷电防护优化措施

3.1 优化接触网安装形式

目前我国多数高速铁路的供电系统为AT供电系统，同时还会在PW线路上设置AF线路。在这种结构下，想要对直接落雷闪络概率进行计算，必须要采用先导发展模式和电气集合模式。在计算时应以绝缘子——U50%为闪络依据。同时，还要考虑到当地的天气，对雷暴日进行推算。虽然接触网的雷击闪络影响因素较多，但其中最关键的因素是接触网线路的暴露宽度与地闪密度，这也是计算时的核心参数之一。计算时想要求得百公里线路每年闪络的次数，可以将线路的长度设为100 km，以便计算。再根据公式引入相关的参数，即可得到准确的T线与AF线闪络次数。在实践过程中，可以适当增加PW线的安装高度，从而达到一定的避雷效果，不仅能够降低避雷的成本，还能够降低百公里的闪络频率。

3.2 采用合成绝缘子

当线路受到雷电直击后，绝缘子会受到烧蚀，导致接触网无法自动重合闸，严重影响了高速铁路供电的稳定性。因此，在对牵引供电接触网进行设计时，应尽量避免绝缘子烧蚀情况的发生，可以采用安装避雷线或避雷器的方式，预防工频电弧、线路闪络等情况的发生，达到保护绝缘子的效果，还可以采用疏导工频电弧的方式保护绝缘子。以上两种方法均能够达到明显的效果，但为了更好地预防绝缘子烧蚀情况的发生，还应当注重对绝缘子质量的提升，加强绝缘子的抗烧蚀能力。从目前的情况来看，合成绝缘子的工艺已经较为成熟，在抗烧蚀方面也有着良好的效果。硅橡胶材料是合成绝缘子的主要材料之一，但发生烧蚀情况小时，硅橡胶受热会分解为气体，分解过程中能够吸收一定的热量，达到减轻烧蚀的作用。另一方面，合成绝缘子面临烧蚀时不会在短时间内炸裂，能够为线路绝缘的恢复提供宝贵的时间，有利于提高高速铁路的稳定性与安全性。和瓷绝缘子相比，合成绝缘子烧蚀后伞群不会在短时间内脱落，依然能够发挥一定的绝缘作用，而瓷绝缘子伞群则会直接脱落，不再具备绝缘功能，导致线路无法顺利合闸，引发接触网故障。

虽然合成绝缘子有着种种优势，但仍无法规避烧蚀带来的负面影响，在烧蚀作用下合成绝缘子的材料结构会发生一定的变化，容易分解的成分逐渐挥发，可能在表面形成氢氧化铝，导致合成绝缘子抗污性减弱。此外，烧蚀部分的质量、性能也会出现明显的下降，在后续的使用过程中更容易发生脱落、破裂等不良情况，不利于高速铁路的稳定运行。因此，高速铁路牵引供电接触网不仅需要安装合成绝缘子，还应当定期对合成绝缘子进行检查、维修、更换，保证合成绝缘子的有效性。

3.3 防雷接地设计

接触网的支柱一般是通过钢材料制作的，而钢材料属于导电材料，一旦受到雷击，即使未安装避雷器、避雷线，支柱自身也具有导体的属性，可以将电流导入低下。在设计防雷接地系统时，可以采用综合接地系统，将所有的支柱与地线相连接，从而达到理想的雷电防护效果。

在设计时，应当重点关注防雷接地装置与其他设备在贯通地线的接入点间距。一般情况下，间距至少应当控制在15 m，此时才能达到理想的雷电防护效果。此外，为了尽量减少防雷接地系统的建造成本，在设计时还应当重视防雷接地系统的综合性，充分利用高速铁路工程的特点与供电系统，采用综合贯通地线的方式，即高速铁路中所有设备的共同接地体，提高防雷系统的科学性与有效性，从而达到更好的雷电防护作用，是一种适合推广应用的高性价比方式。

4 结语

高速铁路牵引供电接触网的雷电防护是高速铁路的重要内容之一，通过以上雷电防护措施的应用，能够有效减少因雷电引发的故障，但也很难完全规避这个问题。因此设计人员在对接触网雷电防护进行分析时，应当考虑多种雷电防护措施的联合应用，同时还需要结合当地的环境、天气情况，选择性价比最高的措施，从而提高高速铁路牵引供电接触网的雷电防护效果。