高速電氣化鐵路接觸網防雷問題的探討

安娜　吳積欽　仇龍剛

摘 要：目前，我國高速電氣化鐵路地理區域跨度大，且無備用設備，接觸網位于高鐵線路的最上方，極易遭受雷擊引起損壞。文章結合接觸網遭受雷擊的影響及其危害，分析了避雷針、避雷器、沿線架設避雷線的防雷原理及保護范圍，并從接觸網系統的可靠性及經濟性出發，提出了應在不同的情況下采取相應的接觸網防雷措施的建議。

關鍵詞：接觸網系統；高速鐵路；耐雷水平

引言

我國高速電氣化鐵路跨越區域大，多集中于南部和東部沿海等雷電活動強的地區。如，京滬高鐵就跨越了江蘇省、上海市和安徽省三地。高鐵接觸網有80%左右線路架設于高架橋上，相比普通的電氣化鐵路，高鐵接觸網遭受雷擊的概率更大；絕緣防護方面，高鐵接觸網卻依照普通鐵路絕緣水平標準設計，耐雷水平只達到幾千安培，出現雷電過電流的概率在90%以上；同時接觸網是無備用設備，雷擊一旦出現將影響供電區段的運行，因此應高度重視接觸網的防雷設計。

1 接觸網遭受雷擊危害及造成影響

雷電放電作為一種強大的自然力的爆發是難以制止的，產生的雷電過電壓可高達數百千伏，如不采取防護措施，將引起電氣化鐵路接觸網系統的故障，影響供電區段的運行。京滬高鐵全線有244座橋梁占總長約，其余為平均高度左右的高路堤和路塹。圖1、2分別為不同高架橋高度下，京滬高鐵沿線直擊雷雷擊情況及AF線懸式絕緣子雷擊損壞情況圖。

正因為京滬高鐵地勢較高，雷擊發生時，會在接觸網線索上產生過電壓即雷擊過電壓。當雷擊過電壓超過線路絕緣水平時，接觸網線路發生絕緣閃絡。當接觸網線路發生絕緣閃絡時，雷擊閃絡必然轉化為穩定的工頻電弧，造成接觸網線路跳閘，嚴重時將會發生接觸網斷線事故。根據京滬高鐵相關規定，在接觸網跳閘后，不管重合成功還是強送電成功，都需要對本線和鄰線進行限速，必將會對列車運行秩序造成影響。

2 接觸網的防雷方式

目前，人們主要是設法去躲避和限制雷電的破壞性，基本措施就是加裝避雷針、避雷線、避雷器、防雷接地、電抗線圈、電容器組、消弧線圈、自動重合閘等防雷保護措施。

2.1 避雷針的防雷原理及保護范圍

2.1.1 避雷針的防雷原理

避雷針是明顯高于接觸線的金屬支柱，其針頭采用圓鋼或鋼管制成，其作用是吸引雷電于自身，并將雷電流迅速泄入大地，從而使雷電流安全可靠地引入大地。避雷針一般用于保護發電廠和變電所，可根據不同情況裝設在配電構架上，或獨立架設。

2.1.2 避雷針的保護范圍

我國使用避雷針的保護范圍的計算方法是根據小電流雷電沖擊模擬試驗確定的，并根據多年經驗進行了校驗，保護范圍是按照保護概論99.9%確定的空間范圍（即屏蔽失效率或繞擊率0.1%）。對于單支避雷針來說，保護范圍由下式決定：

Rx-避雷針在hx水平面上的保護半徑，單位為m；

hx-被保護物的高度，單們為m；

h-避雷針的高度，單位為m；

p-高度影響系數

2.2 避雷線防雷原理及保護范圍

2.2.1 避雷線防雷原理

沿線架設避雷線可降低直擊雷，對流入桿塔的雷電流有分流作用，降低塔頂電位；耦合導線，使導線上的感應過電壓降低，保護輸電線路少受雷擊。

架設的避雷線高于接觸網系統，當有雷云時，避雷線頂端率先形成向上的迎面先導，故雷電僅對避雷線放電，若為避雷線提供良好的接地裝置，將雷電流順利引入大地，最終將大大降低接觸網遭受雷擊的概率。

2.2.2 避雷線保護范圍

避雷線使得保護物在保護范圍內不遭受雷擊，傳統的避雷線保護范圍大都通過運行經驗及模擬試驗來確定。為了排除很多偶然因素的影響，使被保護物不受雷擊，一般情況下采用0.1%的雷擊概率。

在架空輸電線路上多采用保護角來表示避雷線對導線的保護程度，保護角是指避雷線同外側導線的連線與垂直線之間的夾角，如圖3所示。角？琢越小，導線就越處在保護范圍的內部，保護也越可靠。在高壓輸電線路的桿塔設計中，一般取？琢=20°～30°，就認為導線已得到可靠的保護。

結合架空輸電線路上采用保護角的原理，在接觸網線路上方全線架設避雷線，避雷線采用柱頂方式安裝，安裝示意圖如圖4所示。

假設支柱本體高度EF=8.0m，橫腕臂（承力索）高度AF=6.78m，承力索與正饋線的水平距離大約4.0m，如圖4，我們取AB=2m，則：

EG=AF+CA-EF

當？墜=20°時，EG=4.274

當？墜=30°時，EG=2.232

EG的取值范圍為：2.234～4.274

由計算數據可知：在既有支柱上焊接2.234～4.274m高的桿架設避雷線，即可防護包括支柱上設備和包括沿線接觸網在內的所有設備。

2.2.3 架設避雷線后的感應過電壓分析

架設避雷線后，因為避雷線的電磁屏蔽作用，故降低了接觸網導線上的感應過電壓，計算公式為：

2.3 避雷器的防雷原理

避雷器是專門用以限制線路傳來的雷電過電壓或操作過電壓的一種防雷裝置。避雷器實質上是一種過電壓限制器，與被保護的電氣設備并聯連接，當過電壓出現并超過避雷器的放電電壓時，避雷器先放電，從而限制了過電壓的發展，使電氣設備免遭過電壓損壞。避雷器的常用類型有：保護間隙、排氣式避雷器、閥式避雷器和金屬氧化物避雷器。

2.4 線路雷害事故發展過程及防護措施

綜上所述，不論選擇避雷線、避雷針或是避雷器，最終目的都是為了防止雷電對接觸網的危害，提高接觸網系統的可靠性，根據線路雷害事故發展的不同情況，選取的防雷措施如下：

只要能設法制止上述發展過程中任一環節的實現，就可避免雷擊引起長時間停電事故。

3 結束語

高速電氣化鐵路的接觸網系統無論采取什么措施都難以百分之百達到防雷的目的，只能根據具體線路做具體分析，以便減少雷電引起的故障概率或跳閘概率。在高地、高架橋、重要樞紐線路應將接觸網系統的可靠性放在第一位，可以采取沿路架設避雷線、安裝避雷器，抬高保護線PW線等相結合的措施；在一般平原地段、偏遠地區，應從經濟與可靠性兩方面出發，宜采取安裝避雷器、抬高保護線PW線等方式，上述兩種情況都應做好避雷裝置的引雷接地工作，確保雷電流能順利流入大地。

參考文獻

[1]邵立，王國梁，白裔峰.高速鐵路接觸網防雷措施及建議[J].鐵道工程學報，2012（10）：80-83.

[2]于萬聚.交流電氣化鐵道接觸網設計基礎[M].北京：中國鐵道出版社，1980.

[3]蘇冬冬.京滬高鐵接觸網防雷問題的探討[J].上海鐵道科技，2011（4）：52-53.

[4]陳金萍.鐵路接觸網防雷技術的研究[J].山西建筑，2009（13）：173-174.

[5]李康，劉家軍，卓元志等.高速電氣化鐵路接觸網防雷研究[J].電網與清潔能源，2012（7）：39-45.

[6]于喜林，陸軍.城市軌道交通接觸網防雷技術應用[J].電氣化鐵道，2011（4）：46-50.

[7]劉明光，李光澤，孔中秋.論接觸網上避雷器的應用[J].電氣化鐵道，2005（5）：28-30.

作者簡介：安娜，女，漢族，湖南婁底，西南交通大學電氣工程學院碩士研究生；研究方向：弓網關系及其評價。

吳積欽，男，漢族，西南交通大學電氣工程學院碩士生導師；研究方向：弓網關系及其評價。

仇龍剛：男，漢族，西南交通大學碩士研究生。