高速铁路牵引供电接触网雷电防护研究

孙艺洋

（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062）

高速铁路的运行，牵引供电接触网起到了关键作用，但因接触网长时间在外部环境中暴露，所以很容易发生老化和损伤，而且还会受到自然灾害的影响。例如，牵引供电接触网遭遇雷击，侵入波过电压经过接触网直接进入牵引变电所，损害相关设备。所以，高速铁路牵引供电接触网需要做好雷电防护，通过切实可行的防雷电方法，预防雷电可能造成危害，还可以保护高速铁路运行的稳定性。然而，结合目前高速铁路牵引供电接触网在雷电防护方面的实施情况发现，很多地区并未在雷电防护方面提出多元化且针对性的策略，导致接触网很容易受雷击影响，不仅会造成设备故障，还会埋下安全隐患，威胁高速铁路的安全与稳定运行。鉴于此，本文对高速铁路牵引供电接触网的雷电防护工作展开分析，介绍防雷的重要性，阐述雷电防护现状，提出接触网雷电防护有效方法，对高速铁路的正常运行提供保护。

1 高速铁路牵引供电接触网雷电防护意义

高速铁路的牵引供电设备有接触网、牵引变电所、远动装置等，其中牵引供电设备所尤其重要，可以在不间断行车情况下，确保供电质量。换言之，当高速铁路的牵引供电能力、线路输送能力达成高度匹配，方可从列车速度、密度、重量等方面满足基本要求。尽管变电所的直击雷防护系统已经十分完善，户外受到雷击且造成设备损害的概率不高，但是，雷击防雷系统在运行中形成雷电放电、电磁脉冲，或者雷电过压经过金属管道与电缆时，同样会形成电磁干扰，对系统运行造成影响。基于此，高速铁路的高架桥两端部位尤其需要放置避雷装置，这是加强高架桥段牵引供电接触网耐雷性能的有效方法。

一旦高速铁路牵引供电系统受到雷击，将会中断列车的供电，容易造成严重安全事故。比如，发生于2009年D5673 次动车事故的发生，便是因为雷电导致动力接触网发生断裂，从而使列车车厢断电；再如2011 年京沪高速铁路通车之后，当G151 次高速列车行驶到曲阜东至滕州东至枣庄这一路段，便受到雷雨天气影响，下行线接触网发生故障，致使火车断电终止行驶。基于此，高速铁路牵引供电接触网雷电防护工作至关重要。

2 高速铁路牵引供电接触网雷电防护现状

2.1 接触网遭受雷击形式的计算

按照当前接触网受到雷击已有的研究成果，发现若接触网所在地的年平均雷电日多，其受到雷击频度相应较大，即每平方公里一年所受到的雷击次数和年平均雷电日数之间为正比例关系。按照国际大电网会议提出的计算方式，将承力索距离轨面平均高度设定为7m，接触网侧面限界3m，由此可得出计算公式如下：（1）单线接触网受到雷击次数的公式为N-0.122×Td×1.3；（2）复线接触网受到雷击次数的公式为N=0.244×Td×1.3。上述两个公式中的Td 是年平均雷电日数。

一旦接触网受到雷击，当时便会有过电压形成，雷击接触到网支柱，此时，雷电流沿着支柱入地，并且在支柱上方形成冲击过电压。由此可以确定，过电压值、支柱冲击接地电阻、雷电流幅值、支柱之间息息相关，但却属于非线性正比。此外，雷电通道形成了电磁场变化后，还会产生感应电压，其与雷电流极性相反，感应电压值、雷电流平均值、接触网导线高度之间为正比例关系。冲击过电压、感应过电压相加后，叠加值也与接触网支柱接地电阻存在联系，一般是接地电阻高，叠加值也会增加。当接触网支柱接地电阻增加后，导致闪络的雷电流幅值、绝缘子闪络概率也会受其影响而增加。当雷击接触网支柱，此时产生的雷电流沿着支柱入地，计算冲击电压的公式为U1=R·I+L（dI/dt）。公式中R为支柱冲击接地电阻，为10Ω，I 是支柱等值电感。

接触网受到雷击是形成过电压的基本条件，若过电压值已经达到接触网要求的绝缘子冲击放电电压，便会有绝缘子闪络形成，雷电流入地后便会逐渐降低过电压。综上，计算接触网的过程相对繁琐，但通过计算可以为总结牵引供电接触网雷电防护措施提供参考，从而保证高速铁路运行安全。

2.2 高速铁路防雷设计现状

目前，我国在接触网防雷设计方面获得了比较显著的成效，通常电气化铁道接触网防雷设计是以《铁路防雷、电磁兼容及接地工程技术暂行规定》（铁建设[2007]39号）和《铁路电力牵引供电设计规范》（TB 10009--2005）等规定为依据，按照一年中发生雷电日的具体数量，将其划分为少雷区（年平均雷电日不超过20 天）、多雷区（年平均雷电日20 ～40 天）、高雷区（年平均雷电日40 ～60 天）、强雷区（年平均雷电日超过60 天）。

3 高速铁路牵引供电接触网雷电防护策略

为了规避雷电对高速铁路的干扰，保证高速铁路的安全，牵引供电接触网雷电防护务必受到重视。目前，我国牵引供电接触网雷电防护在实践中虽然已经获得了比较成熟的经验，但是在技术层面依然有很大的进步空间。所以，下面主要围绕高速铁路牵引供电接触网雷电防护提出建议，规避高速铁路运行中的安全事故。

3.1 结合所在区域实际制定应急方案

如果高速铁路处于多雷电区以及重点防护区，那么很容易受到外界环境因素的干扰，提高遭遇雷击的发生率，还会因此导致供电系统故障。一旦发生此类故障，而且没有及时制定处理方案，将会导致严重的后果，特别是对于高速铁路，很容易对其平稳运行造成影响。所以，当面临因雷击而引发的突发性故障时，务必要有应急方案马上处理，只有如此，才能够维持高速铁路稳定运行。建议针对多雷电区和重点区域制定雷击处理的应急方案，而且应加强方案的针对性，与所在区域的实际情况相符，在预案设计中综合考虑所有可能性，以便及时应对突发性事件。

制定应急预案时，需要对高速铁路的施工条件加以重视，尽可能地减少大型机械设备数量，优先采用更换、替换等形式，完成完整维修、临时性维修。尤其需要注意的是，一旦遇到恶劣天气，很有可能对维修人员的人身安全造成威胁，所以设计阶段应对维修人员的安全加以防护。为了保证雷击相关事故可以妥善得到解决，后续的维修保养流程不能过于烦琐，加强设备铺设网络结构合理性，可以在有限空间内将设备安装在合适的位置，为设备维修与替换创造便利条件，使所有设备维修、更换时的问题可以及时得到解决。若是在安装防雷击设备时应用绝缘架，应保证单相接地，此方法可以预防直接雷、反击雷对牵引供电接触网高压环节造成的威胁，以免发生放电事故，最大程度降低因雷击造成的损耗，并且有效降低线路跳闸等不良事故的发生率。

3.2 规范安装接触网

现阶段，高速铁路供电主要采用的是AT（电力牵引AT 供电方式，auto transformer supply system of electric traction），并在PW 线路（伪线）中设置 AF线路（正馈线）。采用此安装方式，如果需要计算接触网线路直接落雷闪络概率，通常会选择构建电气几何模型、先导发展模型，同时计算还需满足如下条件：（1）自然雷90%呈现负极性，所以直击雷过电压同样是负极性。计算时应用绝缘子U50%是闪络判据；（2）如果将计算条件设定为雷暴日20d、40d，那么，U50 代表的是绝缘子50%雷电冲击放电电压。根据表1 数据便可得知，接触网绝缘子正负极性标准雷电冲击50%放电电压，而且通过数据分析，雷击闪络的实际次数、线路暴露宽度、地闪密度之间关系非常紧密。线路引雷面积可按“线路总暴露宽度×线路长度”进行计算，年雷击闪络次数按“线路引雷面积×地闪密度”的公式计算，如果线路长度是100km，按照上述公式便可得到线路百公里年闪络次数。

表1 接触网绝缘子正负极性标准雷电冲击50%放电电压

3.3 采用合成绝缘子进行雷电防护

如果线路遭受雷电直击，必然会使绝缘子发生烧蚀，接触网因此不能自动重合闸，对高速铁路供电造成影响。所以，制定牵引供电接触网的防雷方案，需要规避绝缘子烧蚀状况，建议安装避雷线、避雷器等装置，起到防范工频电弧、线路闪络等事故的作用，还可以采用疏导工频电弧对绝缘子加以保护。上述方法在应用中效果均比较明显，要想获得更为理想的绝缘子烧蚀预防效果，还需要不断提高绝缘子质量，优化绝缘子本身的抗烧蚀性。基于当下的状况，合成绝缘子技术的成熟度已经很高，抗烧蚀性能在操作中也可以获得比较理想的效果。合成绝缘子的材料包括硅橡胶，如果烧蚀现象不是非常严重，硅橡胶在受热后，将会分解成为气体，其间便会吸收一部分热量，减轻烧蚀严重性。另外，合成绝缘子在烧蚀状况下，一般不会快速炸裂，这便可以为恢复线路绝缘争取时间，使高速铁路的运行更加可靠。合成绝缘子与瓷绝缘子对比，前者烧蚀之后伞群一般不会快速脱落，可以很好地保证绝缘效果，但瓷绝缘子伞群在同样的情况下将很快脱落，失去绝缘功能，致使线路不能合闸，还会因此诱发接触网故障。尽管合成绝缘子在应用中有诸多优势，但是很难完全避免烧蚀导致的消极影响。受到烧蚀作用的影响，还会改变合成绝缘子材料结构，导致其分解成分挥发，在表面有氢氧化铝形成，这是降低合成绝缘子抗污性的重要原因。对于被烧蚀的部位，其质量和性能必然会受到直接影响，还有可能发生脱落和破裂等现象，给高速铁路运行埋下隐患。所以，高速铁路牵引供电接触网在安装合成绝缘子的基础上，还必须定期对其进行检查，确保合成绝缘子的性能与质量始终在最佳状态。

3.4 优化接触网防雷接地设计方案

接触网支柱以钢材料为主，钢材料本身具有导电性，如果遭遇雷击，在没有安装避雷器和避雷线等防雷击设备的情况下，支柱被赋予了导体属性，依然可以使电流导入至地下。那么高速防雷接地系统在设计阶段，建议选择综合接地系统，支柱和地线连接，有利于进一步优化雷电防护的实际效果。注意设计环节的重点在于控制贯通地线接入点防雷接地装置和其余设备之间的距离，建议将间距控制在15m 左右，可以保证雷电防护的实际效果。对于防雷接地系统成本的控制，建议设计过程中对防雷接地系统综合性能加以关注，其间需要融合高速铁路工程特征、供电系统，应用综合贯通地线。换言之，高速铁路设备均可作为共同接地体，使防雷系统性能不断优化，以此来增强雷电防护性能，而且该方法的性价比也比较高。

4 结语

综上所述，高速铁路牵引供电接触网雷电防护至关重要，也是接触网安全管理非常重要的一部分。结合当前牵引供电接触网雷电防护的实施经验，建议结合高速铁路所在区域的实际情况，制定有的放矢的防雷击策略。一方面，可以保证雷电防护的实施效果；另一方面，也能够切实加强牵引供电接触网的安全性，为高速铁路的稳定运行夯实基础，这也是今后高速铁路牵引供电接触网制定安全防护策略需要参考的重要内容。