高速铁路牵引供电接触网雷电防护策略分析

杨昱旻

（中国铁路上海局集团有限公司南京供电段，江苏南京 210011）

0 引言

在高铁牵引供电系统接触网线路中，设置雷电保护系统的首要目的是为行车人身安全提供最基本保护，现已成为高铁牵引供电系统及接触网线路工程设计中的重点。切实做好高速铁路牵引供电接触网的防雷电工作是高速铁路事业健康与可持续发展的关键，经过长期的技术创新发展，我国的高速铁路科技一直处于国际领先地位，高速铁路的技术应用直接推进了我国铁路事业的发展。需注意的是，雷电防治工作一直是高速铁路项目运营过程中的重点问题，牵引供电接触网的维护工作直接关系到高速铁路的行车和人身安全，必须对牵引供电接触网的雷电防治技术进行优化升级，保障高速铁路事业的发展。

1 高速铁路牵引供电接触网的雷电防护中存在的不足分析

1.1 冲击接地电阻的安全问题分析

与普通铁路相比，高速铁路具备较多的特点，其中，最主要的是高速铁路的牵引电流相对较大，使得钢轨的漏电阻也相对较大。以客运高速铁路来举例说明，与钢轨的电位相较而言，常速既有线路的相关要求较低，使得高速铁路线路沿线的维修人员在正常作业中时常会发生触电安全事故，铁路线路的绝缘设施老化现象较为严重，在一定程度上对高速铁路牵引供电接触网产生影响[1]。当前，我国的高铁基本采取的是综合接地的方法，以避免雷击危害的产生，即在线路的局部位置打接地极，对接地电阻进行高标准的要求。现阶段的高速铁路运输作业过程中，当高速铁路线路遭受雷电袭击时，会产生较为强烈的电流，在有限区域内进行泄流作业，会使接地电阻超过正常值范围，导致高速铁路线路的绝缘子出现一定的闪络现象。

1.2 对直击雷布置的相关防护问题分析

高速铁路中配置的牵引供电系统，在电压等级上基本与35kV 等级的电力系统相当，在针对防雷措施研究制定的过程中，可以借鉴35kV 电压等级的输电线路技术应用标准规范，并与铁路牵引供电接触网的设计应用标准相结合。若在高速铁路牵引供电接触网线路中未能全部配置防雷设备时，则应对接触网中的关键性部件加设防雷设备。高速铁路基础设施建设中基本会建设高架桥来穿越特殊地貌，其接触网的布置应参考110kV 架空线布设标准来实施，若未布置防雷设施，因其高度原因极易遭受直击雷的袭击。一般来说，在遭遇直击雷时会从三个方面侵入，当承力索遭受直击雷袭击时，雷电击中时其腕臂绝缘子会产生一定的闪络现象；正馈线遭受直击雷袭击时悬式绝缘子会产生闪络现象；一旦发生反击时，正馈线绝缘子和承力索绝缘子均会发生闪络现象[2]。

1.3 区域间不同标准的雷电防护差异问题分析

在不同的地区之间，对于雷电防护以及土壤的参数存在一定的差异性。在对高速铁路项目的设计建设过程中，铁路线路呈现出线路长、范围广且跨度较大的特点，在高速铁路线路沿线，一般会存在较多的土壤参数信息，不同的土壤参数信息对于雷电所造成的危害强度也存在一定的差异性，因此，在针对雷电直击进行防护过程中应有针对性地、因地制宜地进行分析设计。在实际操作过程中对部分区域差异性情况考虑不够，使得雷电防护措施制定得不够完善，防护雷电的功能性发挥得不够充分。

2 高速铁路的牵引供电接触网雷电防护的相关要求及重要性分析

首先，高速铁路中牵引供电接触网布设的区域不同，周边环境存在一定的差异，使得其积累电流的相关强度也存在高低区别。针对此类现象，应在分析设计工作中不断加强差异化技术策略分析，将针对雷击防护以及跳闸次数的统计数据进行充分融合，在不同的区域内进行个性化设计，利用数据信息制定出符合区域性质的技术方案。其次，对牵引供电接触网的雷电保护工作并不是一件单一性的工程，在对其进行雷电防护时需要从全局进行整体考虑，防护雷电策略应做到全方位、全面性，规避在区域连接过程中的技术性错误，给行车安全带来一定的隐患。最后，针对整体性的雷电防护工作，不仅要考虑到地区间的差异，同时还要对其遭受雷击的时间范围进行数据统计分析，将分析出来的数据及时应用到整体设计中，制定出最契合线路特点的雷电防护策略。牵引供电接触网示意图见图1。

图1 高速铁路牵引供电接触网示意图

当高速铁路牵引供电接触网被雷电击中时，会直接切断高速火车的供电，影响高速火车的正常运营，同时，还会产生列车安全事故，严重时会直接出现人员伤亡并造成较大的经济损失[3]。在以往的火车运营发展历程中，因遭受雷击造成行车事故的现象不胜枚举，例如甬台温特铁路事故发生时仅7min，遭受雷击的次数约百余次。由此可见，防雷策略的研究分析对于保障高速铁路牵引供电接触网的正常运转有重要意义。

3 牵引供电接触网的防雷体系概念和原则分析

高速铁路中牵引供电设施主要包括变电设施、接触网设施以及远动系统设施等。其中，变电设施主要由变电所、开闭所以及分区所三部分组成。牵引供电接触网的主要作用在于保障不间断行车供电，牵引供电能力只有在和高速铁路运输能力相匹配时，才能满足高速火车的密度、运行速率以及重量方面的相关要求[4]。当前，尽管我国的变电设施方面的防雷技术相对完善，在安装防雷设备时，仅在较为关键的区域和部分安装了避雷设施，例如在高速铁路的火车隧道口和变电站出入口等地方。在修建高速铁路轨道时，通常采用高架的方法通过河流或者谷地区域，由于高架中接触网支柱结构基本上和桥墩的钢筋结构相互连接，一般情况下，在接触电阻处会存在一定的缺陷，容易发生绝缘闪络现象。因此，搭建高速铁路的防雷体系除了在关键区域和部件处增设避雷设施外，还需对高架桥以及其他可能遭受雷击的区域增设避雷设施，以保障高速火车的运营安全，为高速铁路的正常运行秩序提供基础保障。

在防雷原则中，首先，需区别分析客运以及客货混合运输线路的供电方案，有针对性地制定各线路的防雷策略，确定各个线路的供电方案。其次，防雷策略的明确还需对区间和站场的差异化特点进行综合考量，将收集到的实际跳闸数据和雷区划分相结合。最后，发挥避雷针以及避雷线的设备优势，在综合考虑地质条件差异、气候差异的基础上，确定科学合理的布设范围和密度，发挥高速铁路的经济效益，保障运输安全。

4 高速铁路牵引供电接触网的雷电防护策略分析

在对高速铁路牵引供电接触网进行设计时，接触网常常会受到区域地形地质、天气等方面的影响，对线路区域进行地域信息收集整理工作。为避免出现异常和损坏，应对其电压值及地面设计工作引起重视，确定接触网的电磁感应。为了规避雷电对于高速铁路运营产生的负面影响，杜绝安全隐患产生，在对高速铁路牵引供电接触网雷电防护设计时应严格遵循相关原则和标准来进行，积极应用先进技术手段规避安全事故的发生[5]。

4.1 对牵引供电接触网进行分析和计算

当高速铁路牵引供电接触网布设环境中存在雷电日较多的区域时，可能遭受雷电袭击的概率就会大幅度上升。一般情况下，每平方公里内地面遭受雷击的频次是随着年平均雷电日数量增加而增大的，因此，须对遭受雷击的次数进行数据运算，可以按照国际大电网会议推荐的算法进行运算分析。当供电接触网遭受雷击时，雷电袭击产生的雷电流就会流经支柱接触地面，流经过程中支柱会产生冲击过电压，冲击过电压、支柱接地电阻、雷电增幅值、等值电感之间呈现出非线性的正比特点[6]。此外，由于遭受雷击现象会使电磁场发生变化并形成与雷电流极相反的感应电压，该感应电压的幅值将随着雷流的平均数值以及通过接触网供电线路的高度增大而上升。此外，当接触网支柱的接地电阻大幅度上升时，雷电流幅值和绝缘子闪络现象的可能性也相应上升。

4.2 牵引供电接触网的防雷措施分析

首先，应加强线路中多雷雨区域以及相对开阔区域、高架桥等地段上的雷击防御意识，在设置绝缘避雷针和避雷线等设备工作中，应根据区域内接触网的所遭受通信设备的雷电强度和实际线路跳闸数等实际状况，对所布设的防雷接地设备密度进行确定，同时可与放电间隙适当结合，对雷击情况加以有效防范。

其次，必须在区间牵引电力接触网线路的顶部布置避雷线，避雷线的布置数量必须根据雷电日数量来加以判断，借助数据公式运算得出避雷针和避雷线有效设防区域。

再次，对接触网柱两侧的高压带电区域，主要通过在柱顶布线的方法对直击雷现象加以防范，以降低直击雷对高压区域造成的放电量影响。

最后，通过架设的避雷线绝缘和避雷针单独接地的方式，减少支柱直击雷和反击雷等对高压部分放电量造成的负面影响。需要注意的是，在站场接触网供电系统周围所设置的防雷接地装置，如果可以与附近的建筑物防雷设备有效融合，将在一定程度上提高防范雷击的功能，也可以在车站接触网供电系统中相对关键的部位单独加设防雷设备，以取得更好的防雷作用，保障接触网可靠性供电的正常运转[7]。

4.3 绝缘子破坏的保护性方法

当高速铁路中接触网的绝缘子在遭受雷击时，会因雷电电流产生一定的闪络现象，绝缘子工频闪络不断就会造成损坏，给铁路运输行业的发展带来一定的经济损失。因此，针对接触网中的绝缘子进行保护也是其中的主要方面，通常情况下，可把保护缝隙安装在水平绝缘子和悬式绝缘体上，还可以在保护缝隙上安装避雷针或定位雷击闪络，借此疏散工频电弧从而达到防护绝缘子的作用。应用该方式保护绝缘子，在发生雷击时有较大概率会产生跳闸现象。

4.4 加强雷电监测并实行差异化防雷作业

在高速铁路中应用的雷电监测系统是一种在线形式的系统，该系统能够实现全自动、全方位、实时监测，是当前阶段应用极为有效的雷电监测手段。需注意因地区区域性差异以及实际地质情况的不同，雷电监测系统应用的适用性和精确性还有待进一步提升，在地区应用中应采取差异化、针对性的雷电防护措施，确定雷电参数并在直击雷和感应雷的防护上实现差异化应用。

5 结语

高速铁路快速发展的前提是能够安全平稳地运行，当前，高速铁路牵引供电接触网的雷电防护技术，需积极应用较为先进的技术手段，制定出适宜的防雷措施，不断提升接触网的抗雷击能力，为高速铁路的运营提供基础性保障。高速铁路牵引供电接触网的安全可靠性直接关系到高速铁路的正常运营。因此，在深入理解和掌握防雷体系概念及重要性的基础之上，不断增强相关部门和人员的防雷意识。针对当前高速铁路牵引供电接触网防雷体系中存在的不足之处，应从正馈线以及承力索防雷技术、避雷线过电压、绝缘子保护等方面不断研究和分析防雷技术要点，搭建雷电监测差异化防护工作体系，以此提升高速铁路牵引供电接触网的防雷击能力。