鐵路牽引供電接觸網直擊雷防護分析

劉建軍

（中鐵電氣化局集團第一工程有限公司，北京 100070）

1 引言

相關調查顯示，列車在運行期間接觸網遭受雷擊的發生率偏高，這已經成為不容忽視的問題。例如，京滬高鐵由北京發往上海方向的列車因為接觸網遭受雷擊而癱瘓2 h，造成了一定的經濟損失。由此可見，為保證列車正常運行，需要完善符合我國實際情況的接觸網直擊雷防護技術，這也是本次研究的主要目的。

2 防雷技術

2.1 架設避雷線

架設避雷線，可以形成扇形屏蔽區域，達到規避直擊雷的目標。與傳統技術相比，該技術可以改善雷電感應過電壓的參數值，有助于強化防雷效果。根據現有工程項目經驗，避雷線通常安裝在塔桿頂部位置，設定保護角20°～30°，與橫腕臂相距1.7 m，與地線連接。上述結構可確保雷擊后的電壓快速泄漏至大地，達到保障安全的目的[1]。

2.2 安裝放電間隙

安裝放電間隙是在腕臂絕緣子上采用雙重絕緣并增設放電間隙。在雷擊發生后，保護間隙中的空氣往往先被擊穿，安裝放電間隙用于防止絕緣子在工頻續流電弧的燒蝕作用下發生炸裂、破損等故障，并使重合閘成功，保證供電的可靠性。通過在現有防雷系統中安裝放電間隙具有操作簡單、成本低等優點，但是相關人員要警惕絕緣水平下降等情況。

2.3 設置避雷器

目前，在高速鐵路上常見的避雷器為無間隙氧化鋅避雷器，在正常工況下流過壁壘的電流量幾乎可以忽略不計。但是在雷擊發生后，因為避雷器具有非線性特性，瞬間通過避雷器的電流量可能達到數千安培，此時避雷器為導通狀態，可以短時間內釋放電壓能量，最終降低雷擊的傷害[2]。

3 實例分析

3.1 案例項目簡介

某鐵路供電段共設置6 個變電所以及33 個供電單元，根據2018－2020 年的相關數據統計顯示，近幾年雷擊跳閘次數明顯增加，相關數據如表1 所示。

同時，案例項目的調查結果顯示，牽引變電所供電臂雷擊跳閘集中度的相關數據如表2 所示。

表2 供電臂雷擊跳閘集中度的數據統計結果

結合當地氣象信息等資料展開進一步分析后發現，當地鐵路牽引供電接觸網雷擊現象與惡劣氣候數量呈正比例關系，因此，可認為雷雨等惡劣天氣與雷擊跳閘之間存在相關性。

3.2 防雷措施

在案例項目中所采取的防雷措施主要包括以下幾種。

3.2.1 設置避雷器與避雷針

設置避雷器與避雷針是案例項目的主要防雷措施。通過在供電線上網處以及長度超過2 km 的隧道或者隧道群兩端位置、車站絕緣關節處等特殊部位設置避雷器（電氣化專用氧化鋅避雷器），這種方法可以控制雷電波幅值，同時在各牽引變電所以及分區所在位置設置避雷針，這種設計方案的主要目的是減少建筑物、主要電氣設備所遭受雷擊傷害。

3.2.2 接地措施

該項目的主要接地措施主要包括：（1）在橋梁與路基的鋼支柱接地孔位置做接地，接地線與地線端子連接。（2）隧道內所有吊柱底座通過“上部接地跳線”接地連線與保護線（PW線）相連接，隧道內的吊柱底座經上部接地連線與PW 線（保護線）連接，PW 線與綜合地線系統連接，保證了防雷接地效果。（3）車站及旅客密集區域，設置GW 線（架空地線）為閃絡保護地線。PW 線與支柱絕緣系統通過車站的旅客密集區域，在車站周圍設置GW 線（架空地線）為閃絡保護地線，并每隔500 m 位置連接綜合地線，連接小于或等于10 Ω 的接地極，或者與小于或等于10 Ω 的接地極對接。

3.2.3 電氣幾何模型

為更深入了解案例項目雷擊相關問題，通過構建電氣幾何模型（EGM）來分析整個系統雷擊情況。該模型的基本原理為：在雷擊發生后，雷電先導向地面發展，當達到線路的臨界擊穿距離屏蔽的范圍時，即向該條線路放電。在該集合模型中，擊距是影響雷擊效果的重要物理量，不容忽視。

同時根據當前水平導體的模擬內容可知，傳統的工作中主要將水平導體等效為中心位置線電荷，而在實際上，受到下行先導作用影響，導線表面上的電荷分布存在明顯的差異性，一般沿著Y 軸方向，可能存在n 個離散的線電荷，導致電氣幾何模型所模擬的內容更加復雜。

3.2.4 架設避雷線

該項目在接觸網未架設避雷線之前，接觸網處于完全暴露在雷電先導的情況下，影響防雷效果，所以在架設在接觸網的上下行支柱上各設置獨立避雷線。此時理論上最大耐雷理論水平達到了300 kA，此時接觸網導線雷擊跳閘率可以按照式（1）驗算：

式中，Rk為雷擊跳閘率；γ 為落雷密度值；Td為雷電日；η 為建弧率，接觸網AF 線取0.95，T 線取0.73；Imin為最小耐雷理論水平，最大值≤3.0 kA；Imax為最大耐雷理論水平；P（I）為雷電流概率密度函數；ΔI 為變化量，本次研究中取值為1.0 kA；D（I）為導線引流寬度。

根據式（1）的相關數據計算架設避雷線前后案例項目的雷擊閃絡情況后，相關數據如表3 所示。

表3 安裝避雷線前后的雷擊跳閘數據

根據表3 的相關數據可以發現，在安裝避雷線后，線路發生雷擊跳閘的次數明顯減少，提示該技術措施可以取得滿意的防雷接地效果，所提出的“在接觸網的上下行支柱上各設置獨立避雷線”技術具有可行性。

需要注意的是，在鐵路牽引供電接觸網直擊雷防護中，架設避雷線前，原防雷接地系統隨著雷暴時間的增加，接觸網的直擊雷閃絡問題更為嚴重，而高架橋高度的增加與直擊雷跳閘率之間存在相關性。因此，為了進一步提升防雷保護效果，建議在雷暴日超過60 d 的地區架設專門的避雷線。

3.2.5 改善接地方案

接觸網接地系統的廣泛使用可以強化直擊雷防護效果。根據相關規定，當前綜合接地系統的接地電阻的參數應小于或等于1Ω，所以在改進方案中也應該考慮到該數值的影響[3]。根據案例項目的勘察結果可以發現，當前的綜合接地系統中電阻的相關參數滿足防雷接地的技術要求，但是受到雷電流沖擊作用的影響，在該接地系統中可以實現有效泄流的構件少，最終導致沖擊接地電阻水平異常，最終導致閃絡問題，所以可采用優良接地模塊或者在系統中設定獨立接地極等方法進行改進。

因為案例項目的地質結構復雜，土壤電阻率高，存在降阻難度偏高的問題。結合該項目某段的勘察結果和相關部門的檢測結果發現，土壤電阻率的數據差異較為明顯。

而根據相關研究可知，根據土壤電阻率的數據差異，可以選擇的接地裝置也存在差異。其中復合型接地裝置適合電阻率偏高地區，射線形接地裝置適合土壤電阻率中等地區，而方框形接地裝置適合土壤電阻率較低的區域。在綜合成本等因素后，該項目決定采用差異化的防雷接地裝置。

3.2.6 安裝絕緣子并聯保護間隙

根據前文對案例工程項目的研究可知，該工程并未采取絕緣子并聯保護裝置。為了能夠強化直擊雷防護，決定采用安裝絕緣子并聯保護間隙的方法，在接觸網T 線與F 線安裝保護間隙，此時線路絕緣水平比現實情況下降約20%，同時取直擊雷水平為現實情況的80%。計算結果顯示，在做出上述調整后，系統的直擊雷閃絡率有明顯下降，從0.69%下降至0.02%，取得了預期效果。

3.3 綜合防護方案

根據案例項目的實際情況，提出以下直擊雷綜合防護方案：

1）在距離支柱頂端約（1.50±0.50）m 位置增設避雷線，并且在T 線與F 線絕緣子上增設保護間隙，這種設計方案可以避免雷擊閃絡發現，系統重合成功的概率更高；

2）在F 線絕緣子上增設串聯間隙避雷器，在T 線絕緣子上增設保護間隙。

而針對雷電活動更為強烈的區域，在案例項目中可采取的綜合措施為：抬高PW 線為避雷線，并且在絕緣子上增設串聯間隙避雷器，這種設計方案可以進一步增強整個系統的防雷保護效果，理論上的雷擊閃絡率為0%，并且該設計方案兼顧了防雷保護的經濟效益要求。

3.4 效果評價

最終案例項目于2021 年3 月開始進行鐵路牽引供電接觸網直擊雷防護改造，改造前后的相關數據顯示，AF 線的閃絡率從改造前的25.340 下降至0.009；T 線閃絡率從改造前的0.678 下降至0.000，取得了滿意效果。

4 結語

當前鐵路牽引供電接觸網直擊雷防護成為保障鐵路安全的重要組成部分。根據案例項目的經驗，通過結合實際情況對直擊雷防護方案進行改進后可以顯著提升系統安全性，有效改善閃絡頻率，取得了預期效果，對于類似鐵路電氣防雷系統方案改造有一定的借鑒作用，值得做進一步推廣。