接觸網防雷設計與應用分析

唐海峰

摘? 要：作為輸電線路的接觸網是架設在沿線鐵路上空的一種以特殊形式向電力動車進行輸電的手段。目前我國鐵路地理區域跨度大，氣象條件差別較大，并且高速鐵路主要以高架橋為主，接觸網遭受雷擊的概率就會更大，接觸網一旦遭受雷擊性故障將會嚴重影響鐵路運行安全。結合目前接觸網防雷現狀，給出接觸網防雷分析思路，提出關于接觸網防雷的措施建議，為接觸網防雷提供了參考依據。

關鍵詞：接觸網;防雷;雷暴日;地閃密度

1 引言

鐵路接觸網需要將通過牽引變電所得到的電能直接輸送給電力動車，這是一個巨大而又極其重要的任務。作為無備用供電系統的接觸網因為設備露天布置，所以受環境氣候等自然條件影響較大[1]。近幾年來，我國電氣化鐵路和高速鐵路不斷發展，雷電對接觸網的危害也越來越嚴重，相關接觸網遭受雷擊統計數據表明，雷電災害嚴重危害了我國鐵路的安全運營，是維護鐵路安全上的最大障礙之一[2-6]。

2 接觸網防雷設計概況

2.1 國外接觸網防雷設計

在設計電氣化鐵道接觸網的過程中，日本綜合雷擊頻率的數據以及把線路按照重要程度劃分，最終得到一份按防雷等級劃分國土的結果，他們將其劃分為A.B.C三個區域，而且還根據雷擊程度制定出了相應的防雷措施。A區是重點保護區域，需要做到全面防雷來保證安全，該區域全線有避雷線的保護并且將避雷器安裝在牽引變電所出口、接觸網隔離開關兩側、架空線與電纜連接處以及架空線的終端;B區則是要保護重要的線路以及重點設備，是對有選擇性，有針對性的區域進行防雷保護，避雷線設置在有需要的特別場所接觸網架上，而避雷器的設置與A區幾乎相同;C區為除A和B以外的區域，還著重保護牽引變電所的出口、隔離開關的兩側以及架空線與電纜的連接處，在這些地方設置了避雷器[6，7]。

與日本在設計電氣化鐵道接觸網時不同的是，德國收集每100km接觸網一年中可能遭受1次雷擊的實際數據，避雷器只是在雷電頻繁發生的地區設置，從而達到限制雷電過電壓的效果，其他較為安全的區域則是不設置避雷器[6，7]。

2.2 國內接觸網防雷設計

《鐵路電力牽引供電設計規范》（TB 10009-2016）、《高速鐵路設計規范》（TB 10621-2014）、《高速鐵路牽引供電系統雷電防護技術導則》（TB/T 3551-2019）、《鐵路防雷及接地工程技術規范》（TB 10180-2016）以及類似規定給國內接觸網防雷提供了設計方向。

《鐵路電力牽引供電設計規范》（TB 10009-2016）將雷暴區分為少雷區，中雷區，多雷區以及強雷區，少雷區域年平均雷暴日<=25天;中雷區域年平均雷暴日25<天數<=40;多雷區年平均雷暴日40<天數<=90;強雷區年平均雷暴日>90[8]。

接觸網防雷措施具體為[8，9]：根據年均雷暴日的天數定位，對于年均雷暴日超過40天的地區將避雷器設置下列的終點位置，比方說分相和站場端部絕緣錨段關節、長度2000m及以上隧道的兩端、供電線上網點、需要重點防護的設備等等地方;對于雷暴日不小于40 d地區的高速鐵路則應該將避雷線或者回流線/保護線的位置適當抬高從而達到防雷的效果，而對于年均雷暴日超過60天的其他鐵路，也應該抬高回流線/保護線或者設立避雷線來起到防雷作用。

《高速鐵路牽引供電系統雷電防護技術導則》（TB/T 3551-2019）中明確雷電防護一般性原則：當接觸網無防雷措施時的雷擊跳閘率大于4次/（100 km·a） 時，應采用架空地線措施進行雷電防護[10]。

3 接觸網系統防雷

3.1 接觸網系統雷害

目前根據雷擊接觸網系統的不同部位，將雷擊接觸網線路分為三種情況[6]：雷擊接觸網附近地面;雷擊接觸網支柱;雷直擊接觸網。前兩種情況是由于雷擊導致接觸網附近電磁場的劇烈變化，在接觸網上產生感應過電壓引起絕緣子閃絡;第三種情況是由于雷擊導致流經接觸網很大的雷電流所形成的過電壓。

3.2 架空避雷線設置

避雷線是一種設計施工方便、效果明顯的接觸網雷電防護措施。架空避雷線位于支柱上方，能很好地保護接觸導線及AF線，能大大降低接觸網雷擊跳閘概率。

（1）避雷線保護范圍確定

雙線電氣化鐵路是高速鐵路的一般形式，采用AT供電方式。避雷線保護范圍需將承力索、接觸線、正饋線等接觸網設施覆蓋在內，降低接觸網的雷擊概率。圖1很好的展示了避雷線的保護范圍，詳情可見下圖。

《建筑物防雷設計規范》（GB50057-2010）附錄D.0.6很明確的規定了避雷線的保護范圍，在避雷線的作用上有很好的引導作用。確定單根避雷線的方法是：在距離地面hr處作一平行線，其平行于地面;然后再以避雷線為圓心、hr為半徑畫弧，所做的弧線與平行線相交于A、B兩點;然后以A、B為圓心，hr為半徑再作弧線，兩弧相交或相切并且要與地面相切。保護范圍也就是該弧線到地面的這個范圍。圖2很好的展示了單根避雷線的范圍。

確定兩根避雷線之間的保護范圍步驟如下：以A、B兩避雷線為圓心，hr為半徑作圓弧交于O點，以O點為圓心、hr為半徑作圓弧交于A、B點，同樣的，保護范圍就是從弧線到地面的這個范圍。圖3很形象的展示我們所說的步驟。

根據避雷線保護范圍計算，避雷線設置在支柱頂端，對地高度較AF線高出2-2.5m即可滿足對接觸網及正饋線的保護。

（2）避雷線接地方式確定[3]

在架空線路中，雷電波擁有約為300m/μs的傳播速度，而波頭的時間一般被認定為1.2μs，雷電流在波頭時間內的傳輸距離可以這樣計算得出：L = vt = 300×1.2 = 360 m。因此避雷線接地按每隔300m左右設置一處接地極。采用雙根70 mm2絕緣銅導線作為接地引下線以此來保證同支柱絕緣，避免發生危險。

在橋梁區段，避雷線引下線與貫通地線相連，但是也要保證在貫通地線接入時，引下線的接入點與其他弱電設備的接入點間距小于等于15m。在路基區段，避雷線引下線單獨設置接地極，接地引下與獨立接地極在距離路基20m相接，接地電阻也有限制，要保證不大于10Ω。

3.3 避雷器設置

何為避雷器？事實上它就是一種防雷擊的設備，它的作用就是保護電力系統中的電器設備以防它們受到損害，通常與被保護設備并聯設置。避雷器設置數目與線路遭受雷擊時的跳閘率成反相關，數目越多，跳閘率越低，隨之而來的是項目投資會相應增加，也給運營維護部門增加了運營成本。

因此除架設避雷線之外，可在接觸網重點設備、長大隧道兩端等設置避雷器。參考《鐵路電力牽引供電設計規范》（TB 10009-2016）相關規定，一般在正線絕緣關節處、電分相處、供電線上網處、隧道兩端、電纜轉架空處、隔離開關處等設置避雷器。

3.4 絕緣子選擇

復合絕緣子具有良好的耐污穢和抗電弧燒蝕性能。雷擊引起絕緣閃絡后，一般不會燒損傘套至其破碎、斷裂，從而產生永久接地故障。

對于供電線懸掛、接觸網下錨、附加導線下錨、絕緣關節、電分段等處采用硅橡膠絕緣子，以降低雷擊接觸網后故障后果。

3.5 可靠接地

作為接觸網防雷的關鍵重點環節，接地技術需要依靠地能的接入才能使雷電流的釋放能夠更加順利。接地技術按照性質能夠劃分為工作接地和安全接地兩種方式。

被我國廣泛應用在高速鐵路中的綜合貫通地線實際上是一個沿鐵路線敷設的共同接地體，這種接地系統的電阻應該小于等于1Ω。在施工完成后對于接地電阻進行測試是很有必要的，采取可靠有效的降阻措施，降低接地系統電阻可以有效提高接觸網系統的耐雷電水平。

4 結語

接觸網系統防雷已成為影響列車安全運行的重要因素之一，在接觸網防雷設計中應首先考慮以下措施：

（1）根據相關雷暴日、雷擊跳閘率等資料合理確定架設避雷線范圍。

（2）避雷線可以獨立，同時也可以抬高保護線來達到避雷的效果，這也是一種可采取的技術方案。

（3）在接觸網關鍵設備或關鍵部位設置避雷器，氧化鋅避雷器的技術參數也可以適當提高來更好的防護。

（4）根據項目情況，合理選擇復合絕緣子應用范圍。

（5）接觸網防雷接地措施也必須要做好，以此來保障安全。

在工程實踐中應考慮線路環境、雷暴日、雷擊跳閘率等情況，接觸網防雷措施要相對制定，重點防護，確保鐵路的安全可靠運營。

參考文獻

[1]于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網[M].成都：西南交通大學出版社，2002.

[2]李德勝.高速鐵路接觸網落雷特型及防雷技術的探討[J].電氣化鐵道， 2013，3：1-4.

[3]魯相來， 陳軍喜， 豆強.架空避雷線在武廣高鐵接觸網防雷系統的應用[J].電氣化鐵道， 2015，4：1-3.

[4]曹曉斌， 田明明， 張血琴， 李瑞芳.PW線升高或加設避雷線雷電防護效果綜合評估[J].高電壓技術， 2015，41（11）：3590-3596.

[5]邊凱.高速鐵路牽引供電接觸網雷電防護研究[D]. 北京：華北電力大學，2014：1-2.

[6]李學武， 陳樂瑞.電氣化鐵路接觸網防雷技術研究[J].電氣化鐵道， 2015，1：8-10.

[7]卲立， 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.

[8]TB 10009-2016? 鐵路電力牽引供電設計規范[S].

[9]TB 10621-2014? 高速鐵路設計規范[S].

[10]TB/T 3551-2019 高速鐵路牽引供電系統雷電防護技術導則[S].