高速电气化铁路接触网防雷问题的探讨

安娜　吴积钦　仇龙刚

摘 要：目前，我国高速电气化铁路地理区域跨度大，且无备用设备，接触网位于高铁线路的最上方，极易遭受雷击引起损坏。文章结合接触网遭受雷击的影响及其危害，分析了避雷针、避雷器、沿线架设避雷线的防雷原理及保护范围，并从接触网系统的可靠性及经济性出发，提出了应在不同的情况下采取相应的接触网防雷措施的建议。

关键词：接触网系统；高速铁路；耐雷水平

引言

我国高速电气化铁路跨越区域大，多集中于南部和东部沿海等雷电活动强的地区。如，京沪高铁就跨越了江苏省、上海市和安徽省三地。高铁接触网有80%左右线路架设于高架桥上，相比普通的电气化铁路，高铁接触网遭受雷击的概率更大；绝缘防护方面，高铁接触网却依照普通铁路绝缘水平标准设计，耐雷水平只达到几千安培，出现雷电过电流的概率在90%以上；同时接触网是无备用设备，雷击一旦出现将影响供电区段的运行，因此应高度重视接触网的防雷设计。

1 接触网遭受雷击危害及造成影响

雷电放电作为一种强大的自然力的爆发是难以制止的，产生的雷电过电压可高达数百千伏，如不采取防护措施，将引起电气化铁路接触网系统的故障，影响供电区段的运行。京沪高铁全线有244座桥梁占总长约，其余为平均高度左右的高路堤和路堑。图1、2分别为不同高架桥高度下，京沪高铁沿线直击雷雷击情况及AF线悬式绝缘子雷击损坏情况图。

正因为京沪高铁地势较高，雷击发生时，会在接触网线索上产生过电压即雷击过电压。当雷击过电压超过线路绝缘水平时，接触网线路发生绝缘闪络。当接触网线路发生绝缘闪络时，雷击闪络必然转化为稳定的工频电弧，造成接触网线路跳闸，严重时将会发生接触网断线事故。根据京沪高铁相关规定，在接触网跳闸后，不管重合成功还是强送电成功，都需要对本线和邻线进行限速，必将会对列车运行秩序造成影响。

2 接触网的防雷方式

目前，人们主要是设法去躲避和限制雷电的破坏性，基本措施就是加装避雷针、避雷线、避雷器、防雷接地、电抗线圈、电容器组、消弧线圈、自动重合闸等防雷保护措施。

2.1 避雷针的防雷原理及保护范围

2.1.1 避雷针的防雷原理

避雷针是明显高于接触线的金属支柱，其针头采用圆钢或钢管制成，其作用是吸引雷电于自身，并将雷电流迅速泄入大地，从而使雷电流安全可靠地引入大地。避雷针一般用于保护发电厂和变电所，可根据不同情况装设在配电构架上，或独立架设。

2.1.2 避雷针的保护范围

我国使用避雷针的保护范围的计算方法是根据小电流雷电冲击模拟试验确定的，并根据多年经验进行了校验，保护范围是按照保护概论99.9%确定的空间范围（即屏蔽失效率或绕击率0.1%）。对于单支避雷针来说，保护范围由下式决定：

Rx-避雷针在hx水平面上的保护半径，单位为m；

hx-被保护物的高度，单们为m；

h-避雷针的高度，单位为m；

p-高度影响系数

2.2 避雷线防雷原理及保护范围

2.2.1 避雷线防雷原理

沿线架设避雷线可降低直击雷，对流入杆塔的雷电流有分流作用，降低塔顶电位；耦合导线，使导线上的感应过电压降低，保护输电线路少受雷击。

架设的避雷线高于接触网系统，当有雷云时，避雷线顶端率先形成向上的迎面先导，故雷电仅对避雷线放电，若为避雷线提供良好的接地装置，将雷电流顺利引入大地，最终将大大降低接触网遭受雷击的概率。

2.2.2 避雷线保护范围

避雷线使得保护物在保护范围内不遭受雷击，传统的避雷线保护范围大都通过运行经验及模拟试验来确定。为了排除很多偶然因素的影响，使被保护物不受雷击，一般情况下采用0.1%的雷击概率。

在架空输电线路上多采用保护角来表示避雷线对导线的保护程度，保护角是指避雷线同外侧导线的连线与垂直线之间的夹角，如图3所示。角？琢越小，导线就越处在保护范围的内部，保护也越可靠。在高压输电线路的杆塔设计中，一般取？琢=20°～30°，就认为导线已得到可靠的保护。

结合架空输电线路上采用保护角的原理，在接触网线路上方全线架设避雷线，避雷线采用柱顶方式安装，安装示意图如图4所示。

假设支柱本体高度EF=8.0m，横腕臂（承力索）高度AF=6.78m，承力索与正馈线的水平距离大约4.0m，如图4，我们取AB=2m，则：

EG=AF+CA-EF

当？坠=20°时，EG=4.274

当？坠=30°时，EG=2.232

EG的取值范围为：2.234～4.274

由计算数据可知：在既有支柱上焊接2.234～4.274m高的杆架设避雷线，即可防护包括支柱上设备和包括沿线接触网在内的所有设备。

2.2.3 架设避雷线后的感应过电压分析

架设避雷线后，因为避雷线的电磁屏蔽作用，故降低了接触网导线上的感应过电压，计算公式为：

2.3 避雷器的防雷原理

避雷器是专门用以限制线路传来的雷电过电压或操作过电压的一种防雷装置。避雷器实质上是一种过电压限制器，与被保护的电气设备并联连接，当过电压出现并超过避雷器的放电电压时，避雷器先放电，从而限制了过电压的发展，使电气设备免遭过电压损坏。避雷器的常用类型有：保护间隙、排气式避雷器、阀式避雷器和金属氧化物避雷器。

2.4 线路雷害事故发展过程及防护措施

综上所述，不论选择避雷线、避雷针或是避雷器，最终目的都是为了防止雷电对接触网的危害，提高接触网系统的可靠性，根据线路雷害事故发展的不同情况，选取的防雷措施如下：

只要能设法制止上述发展过程中任一环节的实现，就可避免雷击引起长时间停电事故。

3 结束语

高速电气化铁路的接触网系统无论采取什么措施都难以百分之百达到防雷的目的，只能根据具体线路做具体分析，以便减少雷电引起的故障概率或跳闸概率。在高地、高架桥、重要枢纽线路应将接触网系统的可靠性放在第一位，可以采取沿路架设避雷线、安装避雷器，抬高保护线PW线等相结合的措施；在一般平原地段、偏远地区，应从经济与可靠性两方面出发，宜采取安装避雷器、抬高保护线PW线等方式，上述两种情况都应做好避雷装置的引雷接地工作，确保雷电流能顺利流入大地。

参考文献

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作者简介：安娜，女，汉族，湖南娄底，西南交通大学电气工程学院硕士研究生；研究方向：弓网关系及其评价。

吴积钦，男，汉族，西南交通大学电气工程学院硕士生导师；研究方向：弓网关系及其评价。

仇龙刚：男，汉族，西南交通大学硕士研究生。