接触网雷电危害及防护

余 韬

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

1 概述

接触网大多为露天供电装置，雷击事故较为频繁，如果缺少有效防护，可能导致绝缘子损坏，击穿支柱混凝土保护层，造成线路跳闸等，影响电气化铁路的运营，因雷击导致人员伤亡、设备损坏的事故也屡见不鲜。由于接触网无备用冗余的特殊性，为了铁路安全运行，应采取必要的防雷措施。本文通过详细分析雷电对接触网的危害形式，并根据相应的危害形式提出对应的解决措施和计算方法。

2 雷电防护相关概念

2.1 雷电的形成

雷电是雷云之间或雷云对地面放电的一种自然现象。雷云对地放电虽然少，但对接触网系统而言，雷电事故均来源于此，该放电过程可分为三个阶段。

(1)先导放电阶段

由于静电感应，雷云电荷在地面感应出异性电荷，两者之间构成一个巨大的空间电容器。当雷云中的电场强度达到25～35 kV/cm时，空气开始游离，成为导电通道，叫做雷电先导。雷电先导分上行先导和下行先导，如图1，图2所示。

(2)主放电阶段

图1 雷电下行先导

图2 雷电上行先导

地面异性电荷经过先导通道与雷云电荷发生强烈中和，瞬时产生极大电流并发出光和声。主放电阶段一般为50～100μs，电流可高达数十万安培。

(3)余辉阶段

主放电阶段结束后，雷电中的残余电荷继续经放电通道泄流阶段。余辉电流一般为100～1000 A，持续时间一般为0.03～0.15 s。

2.2 雷击导线的临界距离

对于某一幅值为I的雷电流，当雷电下行先导距导线较近时，在假定不考虑导线周围支柱及避雷针等影响的条件下，由于导线的引雷作用，雷电将击在导线上，形成直击雷过电压;若下行先导距导线较远，雷电可能直接击向大地，在导线上感应出过电压。针对雷击导线的临界距离，本文引入“击距”的概念。

击距是指先导头部与被击点间的平均电场强度达到临界放电场强时二者的距离。先导对导线的击距r，先导对大地的击距h，根据IEEE推荐的击距公式［1］

式中:I为雷电流幅值/kA。

如图3所示，以导线为中心，半径为r的M1M3圆弧;高度为h1，平行于大地的M1M2。当雷电下行先导击在M1M3圆弧上，将因导线的引雷作用而击在导线上。击在M1M2的雷电将导向大地。

图3 雷击导线的临界示意

假设雷电下行先导垂直落向大地，则导线与M1的水平距离s称为雷击大地临界距离

2.3 雷电危害

雷击对接触网的破坏作用可分为一次效应和二次效应作用。

一次效应是直接雷击接触网承力索、接触线或附加导线等，使接触网产生很高电位，引起过电压，流过数十万安培电流，导致接触网设备或支柱烧损。

二次效应是感应雷击或雷电反击造成的破坏。感应雷击是雷电作用在接触网附近，雷击放电产生强大的变化电磁场，使得磁场内的接触网产生感应过电压。雷电反击是雷电作用在接触网支柱上，在支柱上产生冲击电压，并在接触网上产生感应过电压。二次效应的电压可达数十万千伏，引发接触网跳闸或绝缘子闪络。

3 防雷措施

通过分析雷击过电压的危害，本文将根据不同的过电压进行防护。

3.1 直接雷击和感应雷击的防护措施

当前防止直击雷击、感应雷击的技术措施可以采用设置避雷器，增加接触网绝缘子的雷电冲击耐受电压和设置避雷线。

(1)设置避雷器

当雷击发生在设置避雷器的电气化铁路时，只要避雷器冲击放电电压低于接触网绝缘(空气间隙和绝缘子)或电力机车车顶保护电器(保护间隙和车顶避雷器)的冲击放电电压，避雷器就会动作，以避免馈线断路器跳闸。由于避雷器动作后吸收了雷电能量，绝缘子、支柱的等值阻抗上受到的冲击电压仅为避雷器的残压，提高了接触网的耐雷电冲击水平。

当前接触网用避雷器一般采用阀式避雷器(SiC电阻片)和氧化锌避雷器(ZnO电阻片)。后者因为优异的非线性伏安特性(图4)而在避雷器中广泛采用［2］。

图4 避雷器伏安特性曲线

设置避雷器对提高接触网的防雷击水平有一定作用，但也存在不足。电气化铁路全线如要防止雷击，几乎需要在每根支柱上都安装一台避雷器［3］，如此密集安装避雷器则每年的预防试验和维修工作量极大，维修费用也将大大增加。此外牵引变电所馈线侧设有避雷装置且设有自动重合闸装置，即使雷击造成馈线断路器跳闸，1～2 s后自动重合闸可恢复供电。

因此，接触网上安装避雷器只能作为牵引供电系统防雷技术措施的一种补充。在接触网上安装避雷器时，应根据线路及其具体情况，充分分析安装避雷器的利弊，综合考虑，适量安装。

(2)增加接触网绝缘子的雷电冲击耐受电压

相对于瓷绝缘子，复合材料绝缘子有良好的憎水性，不致形成连续的表面积垢。对经常发生雷击或重污秽区段的绝缘子进行定期清扫，在高雷区和重污区采用复合材料绝缘子和加大绝缘子的爬电距离等措施，均可以有效的提高雷电冲击耐受电压。

(3)设置避雷线

《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》［4］中对避雷线的保护范围进行了定义:

①当hx≥时

式中:rx为每侧保护范围的宽度/m;P为高度影响系数，h≤30m，P=1。

②当hx时

如图5中，假定避雷线距离承力索高度为2m，通过公式(3)，避雷线距离承力索水平距离应不大于0.94m，避雷线保护角为25.17°。但是该方式可能因悬挂等故障使避雷线搭在接触网腕臂上，导致漏电等安全隐患，目前接触网悬挂一般不采用该方式。

图5 避雷线安装示意图

如果采用架空地线柱顶正上方安装兼避雷线功能时，假定支柱侧面限界3m，即rx=0，通过公式(3)计算，避雷线距离腕臂底座高度应不小于6.38m。目前接触网支柱顶部距接触悬挂安装上底座露头高度一般不大于300 mm，因此柱顶架空地线时，只起到耦合地线的作用，防雷效果有限。

3.2 雷击反击的防护措施

可以采用降低接触网支柱接地电阻和缩短保护地线接地间距的防止雷电反击技术措施。

(1)降低接地电阻

借用《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中定义的钢筋混凝土支柱电杆等值电感0.84μH/m，假定采用9.2m支柱，承力索距地面高度8m，绝缘子湿闪电压150 kV。

绝缘子闪络的概率可表示为

式中:R为支柱的冲击接地电阻/Ω;L为支柱的等值电感/μH;hc为导线平均高度，m。

分别采用1Ω、10Ω和30Ω时，接地电阻阻值越小，绝缘闪络概率(见表1)就越低。

表1 绝缘闪络概率

目前我国高速铁路均采用综合接地系统，该系统要求接地电阻不大于1Ω，因此接触网接入综合接地后能大幅减少绝缘子闪络。

(2)缩短保护地线的接地间距

我国电气化铁路中一般采用架空地线、回流线或保护线(AT供电方式)作为保护地线，并每隔一段距离与接地极或钢轨相连进行接地。架设保护地线时，雷击接触网支柱时的耐雷水平参考《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中的计算公式

式中:U50%为绝缘子的50%冲击放电电压/kV;ha为保护地线肩架对地高度/m;ht为接触网支柱高度/m;hg为保护地线对地高度/m;hc为承力索对地高度/m;k为接触网与保护地线的耦合系数;k0为接触网与保护地线的几何耦合系数;β为支柱分流系数;有

式中:Lg为支柱两侧保护地线电感并联值/μH;对单保护线约等于0.67l。l为雷击点至接地极(接钢轨)处的长度/m。

在多雷区通过缩短保护地线的接地间距，相当于降低了接触网支柱的接地电阻，可以防止雷击反击对接触网的侵害。

3.3 国内规范中的防雷措施

我国电气化铁道接触网防雷设计主要依据《铁路电力牵引供电设计规范》［5］和《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)的相关规定。

①吸流变压器的原边应设避雷装置。

②高雷及强雷区下列位置设避雷装置:分相和站场端部的绝缘关节、长度2000m及以上隧道的两端、长度大于200m的供电线或AF线连接到接触网上的连接处。

③强雷区设置独立避雷线，保护角为0°～45°，其接地电阻值不大于10Ω。

4 结论

接触网大多为露天供电装置且无备用冗余，一旦发生雷击事故，将影响铁路的正常运营，因此需要采取必要的防雷措施。本文通过说明雷电的产生和雷击导线的临界距离，引出感应雷击、雷击导线、雷击反击三种接触网雷电危害形式，提出并计算分析了不同的防护措施:

①设置避雷器可以提高接触网的防雷水平，但保护距离和发挥的作用有限，在雷电频繁区域或上网点等重点区段，可局部增设避雷器。

②采用复合材料绝缘子，加大绝缘子的爬电距离，定期清扫既有线路绝缘子，以便减少绝缘子的闪络。

③设置并调整避雷线的高度，具有有限的防雷效果。

④降低接地电阻阻值，特别是采用综合接地系统，可以大幅减少绝缘子闪络。

⑤在多雷区可以通过缩短接地间距对接触网进行雷电防护。

［1］Transmission and Distribution Committee of the IEEE Power Engineering Society．IEEE guide for improving the lightning performance of transmission lines［M］．New York:The Institute of Electrical and E-lectronics Engineers lnc，1997

［2］张雪原．接触网安装避雷器的防雷效果研究［J］．铁道工程学报，2010(9)

［3］刘明光，李光泽，孔中秋，等．论接触网上避雷器的应用［J］．电气化铁道，2005(5)

［4］电力工业部科学技术司．DL/T620—1997 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合［S］．北京:中国电力出版社，1997

［5］铁道部建设管理司．TBl0009—2005 铁路电力牵引供电设计规范［S］．北京:中国标准出版社，2005