高速铁路牵引供电接触网雷电防护策略分析

徐平，邓梦

（中铁武汉电气化局集团上海电气有限公司，上海 201700）

1 引言

中国的铁路运输工业在社会经济发展中起着重要作用。到2020 年年底，中国高速铁路的运行里程达到3.9×104km。因高速铁路牵引供电系统无备用设备，如果牵引供电系统在雷电下跳闸，会直接影响高速铁路的运行。为了保证牵引供电的稳定性，必须对供电系统进行有效的防雷保护，避免雷击对牵引供电系统造成的断电等不利影响。

2 雷击的危害性

2.1 危害特点

雷雨天气导致高铁被雷击中的影响因素构成复杂，地质条件、地形问题和周围的环境均可诱发雷击。不同的环境条件也会形成不同的雷电频率和强度，这跟特殊的自然环境有关，供电线路会因为闪电发生跳闸断电，影响列车运行。其主要表现形式如下：

1）相关的线路受到雷击影响产生反应，也被称为过电压；

2）线路周围的地面受到雷击，这种情况也被称为感应雷过电压，通常是因为电磁感应而发生。线路被雷击时，如果雷击直接击中供电线路，绝缘设施可抵消部分危害，但因受到雷击过电压的影响，绝缘效果会随之下降。

2.2 危害产生原因

2.2.1 接触网的安装结构

保护线、正馈线存在高度差异，正馈线在保护线上，二者保护装置未到位，防雷能力过低，正馈线和接触网线未被有效隔离，极易导致被雷击中。线路的宽度和密度控制不当，易增加闪络风险。保护线的安装高度过低或未设置避雷线，都易引起雷击。

2.2.2 建设工程的复杂环境

根据以往运行情况来看，在高速铁路运行的区域内每年均有大量的雷击事件发生，受雷击的频繁与高铁所在区域每年雷电的天数具有相关性，二者为正相关关系。高铁沿途环境复杂，大多数为高架桥梁及空旷处所，尤其在雷电高发区段，接触网易遭受雷电袭击。相关研究显示，每年每平方千米雷击的数量与每年平均雨天的数量成正比。

2.2.3 高发位置

通常情况下，最容易受到雷击影响的位置有3 种：承力索、正馈线和保护线。前2 种是带各种形式绝缘子的绝缘安装，保护线一般为非绝缘安装（无绝缘子）。正馈线和承力索被直击雷击中后，绝缘子的承受力会持续降低，因此，大多数直击雷可引起闪络现象。在正常情况下，当正馈线比承力索高时，正馈线会形成一个保护角，遭受雷击时正馈线很容易被击中。正馈线被雷击中后，若正馈线绝缘子被击穿，会在一定程度上增加钢柱上的电位，而承力索与钢柱之间的电位差将超过标准负荷，从而导致承力索绝缘子发生闪络现象。

2.3 影响因素分析

2.3.1 直击雷引起的危害

在正常情况下，直击雷主要对以下地点具有较强危险性：

1）承力索，被雷击中后，绝缘子发生闪络现象；

2）正馈线，雷击引起悬式绝缘体发生闪络现象；

3）保护线，直击雷命中了保护线引入综合接地系统。

2.3.2 地区雷电差异大

由于我国幅员辽阔，南北之间的地理环境差别大，不同地区的土壤、雷电情况也不尽相同。因高速铁路的建设横跨度大，在整体铁路运行的过程中土壤地质方面均有不同，会形成多种雷电参数，雷电所造成的影响存在差异，所以工程建设人员要根据实际的情况设计雷电的防护措施。在高速铁路的实际设计过程中，大多数设计人员没有充分考虑这些差异，导致雷电防御措施存在许多漏洞，因此，未能达到预期的防雷效果[1]。

2.3.3 电阻问题

高速铁路是铁路运输的重要形式，与普通铁路运输相比具有显著优势。但长期运行的线路绝缘老化率相对较高，高速铁路运营维护人员在日常工作中更容易发生触电的情况，对高速铁路牵引系统的日常运行产生了重大影响。在这种情况下，运营维护对接地电阻的要求不断提高，所以现代高速铁路普遍采用了综合接地系统，以保证铁路运营的人身和设备安全[2]。

3 防雷优化策略

3.1 合理计算防雷参数

3.1.1 接触网受雷击次数

接触网雷击次数计算N：根据相应的计算理论，承力索与轨道表面之间的垂直距离为6.9 m，接触网的侧面距离3.1 m，得到N=0.122×Td×1.3，其中，Td为年平均雷电日数；然后复线接触网受到雷击次数将是N=0.244×Td×1.3[3]。

3.1.2 防雷接地电阻

式（1）～式（3）中，Sa1为空气中距离，m；Sel为地中距离，m；Ri为独立接闪杆、架空接闪线或网支柱处接地装置的冲击接地电阻，Ω；hc为承力索高度，m。

以常见的接触网防雷为例，承力索的高度一般为6.9 m 左右，接地装置的冲击接地电阻要求为Ri≤10 Ω，在实践中一般均能做到1～10 Ω。现取临界值Ri=1 Ω、Ri=6 Ω、Ri=10 Ω。

接触网取高度为6.9m，Ri=3 Ω、Ri=6 Ω、Ri=10 Ω，则：

根据公式分析可以得出，其他条件不变的情况下，产生雷击后，空气中放电距离分别与接地电阻及接触网高度成正比。因此，在设计施工过程中，合理降低接地电阻或接触网高度可以对雷击防护起到直接的影响。

3.1.3 避雷线防护范围计算

根据复线铁路并行时架设接触网避雷线后的保护范围如图1 所示，图1 中S 为左侧支柱柱顶标高，S′为右侧支柱柱顶位置；C 为左侧承力索标高，C′右侧承力索标高；E 为承力索在避雷中线位置，F 为支柱柱顶在避雷中线位置；BD 界面为左侧支柱的大地补雷面，B′D′界面为右侧支柱的大地补雷面。根据避雷线复线防护范围计算公式[4]：

图1 复线铁路并行时架设接触网避雷线后的保护范围示意图

式中，I 为雷电流幅值，kA；rs、rc、rg分别为雷电对避雷线、承力索和大地的击距；a 为侧面限界；l 为两股道间距；d 为A 点到轨面的垂直距离；hs为避雷线距离轨面高度。

以连镇高速铁路为例，连镇接触网的参数：接触线高度5.3 m，承力索高度6.9 m，侧面限界3.1 m；一般柱顶高度距轨面高度7.2 m。结合保护能力与经济性，按雷击电流幅值1 kV计算，避雷线安装高度为8.2 m，选取避雷线安装柱顶肩架高度为1 m。根据现场运营情况，连镇铁路接触网架设避雷线区段对雷击的防护效果显著。

3.2 合理选择安装方式

在为接触网设计避雷防护时，需要注意以下几点：

1）对于区间接触网，在接触网的顶部安装单独的避雷线，有效降低雷电击中接触网概率。

2）降低电阻可以有效地降低闪络发生的可能性。即使受到雷击的影响，牵引供电接触网防雷措施也会大大降低对设备的影响，所以在防雷保护时应采取有效的降阻措施。

3）在接触网支柱上架设避雷设备。避雷器和其他设施都须在距离接地柱15 m 以上的地方放置。在特殊部位可以安装独立的避雷器，设置独立的接地电极或接地系统，降低被雷击中的概率，提高安全性能。

4）接触网雷电防护的设计人员须查阅接触网所在区域的雷暴情况。根据雷击强度和闪络次数统计雷电防御措施的可靠性，再加上经济和技术的比较分析，进行综合考虑，不断提高雷电防御措施的可行性，完善相关技术。

3.3 采取差异化技术

在制定接触网防雷措施时，可以使用差异化技术：

1）客运专线或客货专线应制定针对性措施，根据实际条件线路和速度来选择符合情况的措施；

2）雷区的数据分析不能仅仅只依靠日常的雷电数量进行总结，还要根据闪络情况进行分析，确保雷电防护能够适应该地区的实际运行情况。

4 结语

总而言之，高速铁路牵引供电系统受雷电的影响较大，技术局限性较明显。为提升高铁运行安全性与稳定性，应加强防雷措施，提高防雷水平，及时更新技术并加强工程技术把关，保证高铁安全运行，改善高铁防雷效果，为高速列车稳定运行提供良好的保障。