大西高铁接触网防雷优化措施研究

肖志刚

大西高铁接触网防雷优化措施研究

肖志刚

为保证接触网运行的高可靠性，在分析德国、日本接触网防雷措施的基础上，针对大西高铁部分线路遭受雷击频繁状况，进行跳闸统计分析，提出大西高铁接触网系统防雷的改建建议，根据其特定状况，在技术可行、施工方便、投资适中、影响行车小，可靠可实施的防雷措施要求下进行增减措施，以便达到良好的防雷效果。

大西高铁；接触网系统；防雷

0 引言

随着我国客运专线的建设，高架桥被大量采用。相对普通电气化铁路，高铁接触网对地高度和收集雷击的宽度加大，遭受雷击的概率增大，同时高速铁路对供电可靠性要求比常速铁路要高很多。接触网是无备用系统，雷击一旦形成永久性故障将造成供电区段的停运，为了保障线路的供电安全，降低对列车的运行影响，提高接触网雷害防护水平就显得极为迫切[1～2]。

大西高铁太原管段自联调联试、试运行至2014年7月1日正式运行以来，在雷雨天气确定为雷击或疑似雷击的跳闸故障有10件，其中4件已找到故障点，6件未找到故障点。据统计，太原局管内雷击或疑似雷击跳闸故障共计23次，所有雷击跳闸均重合成功，未对正常行车造成影响，但因雷击造成了部分绝缘子损坏，正馈线烧伤等事故。

1 大西高铁接触网现状及现有防雷措施

大西高速铁路原运段设牵引变电所10座、分区所11处、AT所18处。高速正线除引入太原枢纽采用带回流线的直接供电方式以外，其余均采用AT供电方式。

根据初步设计批复以及施工图文件，大西高铁处于多雷区，接触网根据《铁路电力牵引供电设计规范》以及《高速铁路设计规范》确定现有防雷措施：在供电线上网点、电分相处、绝缘关节处、隧道口、部分高架桥处设置氧化锌避雷器[3]。

2 大西高铁接触网雷击特性计算分析

大西高速铁路接触网的线路结构有2种：直接供电加回流线的供电方式和AT供电方式。

雷击有直击雷过电压和感应雷过电压2种形式。线路防雷性能的优劣主要由耐雷水平及雷击跳闸率来衡量[4～6]。

2.1 大西高铁接触网直击雷闪络概率分析

对直击雷击中接触网的情况进行计算。

接触网是没有避雷线保护的线路，当雷击导线时，其等值电路如图1所示。

Z0为雷电通道波阻抗，Z/2为雷击点两边导线的并联波阻抗。加在线路绝缘上的电压峰值为

图1 等值电路图

计算模型如图2所示。

图2 计算模型图

对无避雷线的接触网可近似计算接触网波阻抗为455 Ω。如果Um大于绝缘子的冲击放电电压U50%，就会发生闪络。因此求得接触网线路的耐雷水平为

由此，可以得出雷电流大于或等于2.56 kA出现的概率：

计算得P = 94%，可见耐雷水平是相当低的。

依据文献[7]计算得出复线的年雷击跳闸次数为4.25次/(100 km·年)，雷电日按40 d考虑。由此可见接触网耐直击雷水平较低，小于4 kA，而高于线路耐雷水平的雷电出现概率高于90%，绝大多数的线路落雷都会导致绝缘击穿闪络。

2.2 大西高铁接触网雷电感应闪络概率分析

采用前述分析方法分析了接触网附近落雷时线路雷电感应闪络的发生概率。对于AF线安装瓷棒悬式绝缘子的线路来说，AF线绝缘子雷电冲击电压较小，但同时感应雷的闪络概率也与线路高度相关，因此在计算时综合考虑两种因素，选取合适的对象。

3 牵引供电系统接触网雷电防护方案

3.1 大西线接触网接地要求

（1）对距接触网带电体5 m以内的既有金属结构物均应实现安全接地（新建结构一次性接地），接地电阻达到表1要求。

（2）隔离开关、避雷器等设备双接地，一端接综合地线、另一端接保护线。

（3）独立供电线支柱成排时设架空地线集中接地，个别支柱接接地极单独接地。

（4）接地电阻值不应超过表1所列范围。

表1 最大接地电阻值表

（5）避雷线每500 m左右设接地引下线1处，分别引至综合接地线和PW线。避雷线与综合地线连接，确保在综合地线上的接入点与其他弱电设备在贯通地线的接入点间距不应小于15 m，接地引接线采用规格为1×VV-1kV-1×70的铜芯电缆。

3.2 提高防护直击雷水平

提高接触网防直击雷水平可改善接触网整体防雷水平，但其基本要求是要提高整个接触网绝缘配合标准。现行可参照的最低标准和经验就是电力系统110 kV等级绝缘配合标准。避雷线、带串联间隙避雷器和绝缘子并联保护间隙是目前电力系统110 kV线路常用的线路防雷措施。这3种措施的防护效果得到电力系统多年运行经验的肯定，接触网防雷可作为借鉴。

结合大西高速铁路接触网的雷击特性，针对不同线路类型，分别提出3种雷电防护方案：安装避雷线；安装避雷针；安装避雷器。

3.3 提高防护感应雷水平

上述分析得出，大西高速铁路接触网绝缘水平基本能满足防大部分感应雷。进一步提高防护感应雷水平现在可行的方案只有增设避雷器，但增设的效果如何很难评估，有待实践检验。

4 接触网直击雷防护方案效果

（1）方案一：安装避雷线。安装避雷线可对AF线和T 线产生屏蔽，AF线和T线直接落雷（绕击）的次数将大大降低，但是避雷线落雷的雷电流幅值较高时会造成AF线和T线绝缘子反击闪络。另外AF线和T线绝缘子仍存在雷电感应闪络的可能。

计算模型如图3所示。

图3 安装避雷线防雷方案计算模型图

架设避雷线后（保护角20°），耐雷水平由下式可求得：

式中，K为避雷线与导线间的耦合系数，一般取0.2～0.3；β为钢支柱分流系数，取0.9；R为接地电阻，取10 Ω；Lt为钢支柱电感，电感可按0.05 μH/m计算，支柱高度取8.5 m，Lt= 0.05×8 = 0.425；h为导线平均高度。经计算I = 30.99 kA。由式（3）计算得P = 51.64%，可见架设避雷线时耐雷水平提高。跳闸率n = 0.535。

（2）方案二：安装避雷针。根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010附录四“滚球法确定接闪器的保护范围”。滚球半径的确定：根据《建筑物防雷设计规范》第3.0.3条9款“预计雷击次数大于0.05次/a的部、省级办公建筑物和其他重要或人员密集的公共建筑物以及火灾危险场所。”该段接触网划为第二类防雷建筑物，滚球半径选为45 m。《建筑物防雷设计规范》附录第0.7条中规定“所画的地面也可是位于建筑物上的接地金属物、其他接闪器。”因线路已进行综合接地，故以路肩面作为基准面进行接触网防雷计算。

单支避雷针保护范围见图4。计算基础条件为支柱高度7.5 m，避雷针高1 m。由图4可见，单支避雷针可保护AF线，不能保护承力索。

图4 单支避雷针保护范围示意图

在对侧支柱也安装避雷针时，保护范围见图5所示。由图5可见，承力索、AF线均在避雷针的保护范围内。

图5 侧支柱保护范围图

（3）方案三：安装避雷器。在支柱上安装线路避雷器可以降低雷击跳闸概率，雷击跳闸的概率随避雷器数量的增多而降低，只有当避雷器安装比较密集时，才能达到很好的防雷效果。高速铁路一个锚段长度一般为1 400 m，如果每个锚段中间设置一处避雷器，相当于每隔约28个支柱，雷击跳闸概率PB(28) = 0.453。

在雷击分布比较均匀的线路，需要在支柱上安装很多避雷器，如果再考虑到避雷器的维护和老化问题，从经济上看密集地安装线路避雷器不是很好地选择。如果选择那些雷击比较集中的地段安装线路避雷器，可以达到很好的防雷效果。

5 大西高铁接触网防雷优化措施建议

防雷与线路所在地形、气象条件密切相关，不同的地域差异较大，同一地域中线路经过的不同地形也有一定差别，因此应在防雷设计时充分考虑这些因素；同时也应清楚认识到，由于雷击发生的时间和地点以及雷击强度的随机性，对雷击的防范难度很大，要达到阻止和完全避免雷击事故的发生是不可能的，只能将雷电灾害降低到最低限度，大大减小被保护的接触网和牵引变电设备遭受雷击损害的风险。根据以上分析，并参照电力系统架空输电线路的雷电防护经验以及结合大西高速铁路接触网的现状，提出接触网防雷优化措施。

5.1 针对太原南至运城北段的防雷优化措施

（1）增设避雷线。架设避雷线是降低接触网雷击跳闸概率和避免绝缘子损坏最有效的措施之一，但是基于大西高速接触网的现状，受支柱高度所限，若需避雷线将正馈线、接触网全部保护到位，一种是按折角法计算，避雷线增高肩架高度须在柱顶以上约2.5 m（按45°保护角考虑），一方面增高肩架尺寸和重量较大、在支柱上固定困难、施工安装难度大，另一方面对支柱的稳定性有较大的影响。另一种是按滚球法计算，避雷线增高肩架高度须在柱顶以上约1 m，对支柱稳定性影响较小，易于工程实施。新增避雷线可与正馈线、保护线同时对向下锚（利用支柱顶板，设一高度不大于300 mm的下锚底座），共用拉线基础，且不再增加拉线。采取该措施后，线路直击雷闪络概率可降低50%左右，线路闪络概率降低约7～9次/(100 km·年)。

（2）柱顶装设避雷针。对已发生雷击点的顺线路两侧600 m范围，按每对支柱装1处避雷针。

太原至运城段已开通运营，在支柱顶加设避雷针，其高度、重量、结构、安全、施工等受到限制；支柱绝缘子的安装高度约0.9 m，目前已装在独立供电线柱上的避雷针是1 m，故避雷针维持该高度，比一般的AF线高约2 m。

雷击跳闸经常发生的区域的地貌特征为周边空旷的长大桥上，且雷击有相当大的分散性，结合雷击点周边的状况，本次在雷击点两侧0.6 km范围内设避雷针，按每对支柱装1处引雷针，形成引雷针“之”字布置方式，并根据现场情况优先设置在易发生雷击位置。

（3）对成排远离铁路、高于接触网的供电线，必须按原设计架设架空地线。

（4）对于零星高于接触网的供电线柱增设1.5 m的简易避雷针。

（5）适当增设金属氧化物避雷器。除原设计、已出联系单需装避雷器外，在发生雷击点的高架桥按（全桥）隔1锚段增加一组避雷器，待进一步积累运营经验后再逐步完善。避雷器一般只能防止安装避雷器位置附近的感应雷，不能防止直击雷。

（6）在AF线对锚处，已发生雷击跳闸并找到雷击点的有4处发生在AF线对锚的支撑绝缘子上，将AF跳线支柱绝缘子的立式改为水平式。

5.2 针对原平西至太原北段的防雷优化措施

（1）对成排远离铁路、高于接触网的供电线，供电线柱在原高度基础上增高1.5 m（原容量、基础不变），原架空地线作用为避雷线，避雷线高度比供电线高约3 m。

（2）对于零星高于接触网的供电线柱增设1.5 m的简易避雷针。

（3）AF线对锚的垂直柱式绝缘子改为普通悬挂，调整PW线距离。

（4）近邻线路所内避雷针当高度接近时，其应高于接触网。

（5）除原设计避雷措施外，在上院跨朔黄铁路特大桥（4 724 m）、柴家庄跨北云中河特大桥（10 626 m）、白石牧马河特大桥（4 665 m）、寺庄特大桥（连接桥）（8 989 m）等4桥架设避雷线。

6 结语

上述防雷优化建议措施是适于大西高铁特定状况的，在针对技术可行、施工方便、投资适中、影响行车小可靠可实施的防雷措施要求下进行增减措施，以便达到良好的防雷效果。下一步对防雷优化措施实施效果还须进行现场验证分析，对高铁防雷建设积累经验。

[1] 于万聚. 高速电气化铁路接触网[M]. 成都：西南交通大学出版社，2002.

[2] 吉鹏霄. 接触网[M]. 北京：化学工业出版社，2009.

[3] 铁路电力牵引供电设计规范[S].

[4] 李清泉. 雷电防护设计与应用[M]. 北京：科学出版社，1990.

[5] 吴泉源.接触网防雷系统[M]. 湖南：国防科技大学出版社，1995.

[6] 史慧.铁路站场雷电防护[J]. 微计算机信息，2008.

[7] 吴广宁，曹晓斌. 轨道交通供电系统的防雷与接地[M].北京：科学出版社，2011.

In order to guarantee high reliability of operation of overhead contract line equipment, on basis of analyzing the lightning protection measures for overhead contract line equipment in Germany and Japan, with reference of the statistical analysis of tripping of part of Datong-Xi'an high-speed rail line which is liable to frequent lightning strike, the paper puts forward a lightning protection proposal on reconstruction of overhead contract line equipment of Datong-Xi'an high-speed railway. According to the specific conditions, measurements are increased or decreased on basis of feasible technology, convenient construction, moderate investment, minor influence on train operation and reliable implementation of measures so as to achieve good lightning protection effect.

Datong-Xi'an high-speed railway; overhead contract line system; lightning protection

U226.8

：B

：1007-936X(2015)05-0010-04

2015-05-12

肖志刚.太原铁路局供电处，工程师，电话：18518095944