浩吉铁路接触网防雷系统改造方案

邓小桃 胡 卫

（1.武汉铁路职业技术学院,湖北 武汉 430205；2.中铁大桥勘测设计院集团有限公司武汉分公司,湖北 武汉 430027）

浩吉铁路湘赣段接触网的原防雷措施主要为避雷器，安装于分相、绝缘关节以及长大隧道、桥梁两端等关键部位，侧重对感应雷进行防护，对直击雷防护能力不足，雷击引起的绝缘子闪络或击穿、线索烧损等故障时有发生。为保障铁路运输生产安全，对浩吉铁路湘赣段接触网进行防雷改造是十分必要的。本文以浩吉铁路HJ49牵引供电单元为研究对象，对接触网防雷改造进行方案研究。

1 既有线现状及存在的主要问题

1.1 浩吉铁路区域雷暴情况

浩吉铁路HJ49牵引供电单元所在铁路线路为单线区段，采用带回流线的直接供电方式，包含太坪牵引变电所至樟山线路所和吉安站间电分相区段接触网供电臂，跨越江西省上饶、赣州、吉安等区域，属于重雷区（年平均雷暴日大于60 d）。江西省部分地区年平均雷暴日如表1所示。

表1 江西省部分地区年平均雷暴日数统计表

1.2 接触网悬挂形式

浩吉铁路湘赣段接触网设备于2019年9月投入使用，该段线路为单线区段，采用全补偿简单链形悬挂、带回流线的直接供电方式，正线接触线悬挂高度6 000 mm，结构高度1 400 mm，接触悬挂导线由承力索、接触线和回流线等组成。

1.3 接触网防雷现状

浩吉铁路湘赣段属于多雷区，年雷暴日约为60 d。统计显示，2020—2021年，HJ49供电单元因雷雨季节发生闪络跳闸次数为13次，造成绝缘子闪络损伤、线索烧损40处以上，对接触网设备造成了损害，影响铁路运输生产。2020年3月—2021年8月，该区段接触网雷击跳闸统计情况如表2所示。

表2 2020年3月—2021年8月浩吉铁路湘赣段HJ49供电单元接触网雷击跳闸统计表

1.4 存在的主要问题

（1）雷击跳闸对接触网设备构成安全隐患，易引发绝缘子击穿、线索烧损等故障。

（2）夏季牵引供电雷击跳闸频繁，给查找与处理故障增加了额外的工作量和维护成本，扰乱了正常检修作业计划实施。

（3）该区段现有防雷设施为避雷器，从多年运营情况分析，避雷器的防雷能力极其有限，无法从根本上解决防雷问题。

2 防雷措施

2.1 以避雷线为主进行雷电防护

《铁路电力牵引供电设计规范》（TB 10009—2016）第5.3.1条规定：

接触网大气过电压保护应根据雷电日及运营经验设计，并应符合下列规定：

（1）年均雷暴日超过40 d的下列重点位置应设避雷器：分相和站场端部绝缘锚段关节；长度2 000 m及以上隧道的两端；供电线上网点；需要重点防护的设备。

（2）高速铁路雷暴日不小于40 d地区的接触网宜设避雷线或将回流线/保护线适当抬高兼起防雷功能，其他铁路年均雷暴日超过60 d的接触网应设避雷线或将回流线/保护线适当抬高兼起防雷功能[1]。

2.2 接触网招雷击绝缘闪络特点及防雷措施选择

接触网AF线或T线遭受雷击时，耐雷水平低于4 kA，其90%以上的雷击都会导致接触网绝缘闪络，即当接触网遭受直击雷时，造成绝缘子闪络概率较高。通过电磁耦合作用在AF线和T线上产生感应过电压，AF线和T线感应雷耐雷水平一般大于45 kA，在这种情况下，接触网因感应雷引起的跳闸率较直击雷引起的跳闸率低得多，因此，单纯感应雷造成绝缘子闪络概率较低。根据《高速铁路牵引供电系统雷电防护技术导则》（TB/T 3551—2019）一般性原则，接触网防雷保护应以防直击雷为主，兼防感应雷[2]。实验证明，架空避雷线对防直接雷击效果明显。

2.3 避雷线防雷特性及安装要求

2.3.1 避雷线保护范围

避雷线保护范围根据滚球法进行确定。方法如下：

（1）距地面hr（避雷线安装高度）处作一平行于地面的直线；

（2）以避雷线为圆心、hr为半径，作弧线交于平行线的A、B两点；

（3）以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该两弧线相交或相切并与地面相切。从该弧线起到地面止即为保护范围。如图1所示

图1 典型避雷线保护范围示意图

2.3.2 安装要求

避雷线是一种设计施工简单、效果明显的雷电防护措施，接触网设置避雷线可将雷击跳闸率大幅降低。在支柱上方架设避雷线后，对AF线和T线形成屏蔽，只有低幅值雷电才能绕过避雷线击中导线，但概率很小。避雷线接闪雷电后，雷电流经避雷线和支柱分流入地，只有当雷电流幅值较大时才会引起绝缘子反击闪络。

避雷线屏蔽效果与保护角有关，保护角越小，屏蔽效果越好。对接触网支柱顶端避雷线，架设位置越高，对AF线或T线保护角越小，但避雷线本身的引雷作用会随着高度的增加而增强。

为了提高浩吉铁路湘赣段HJ49供电单元接触网防雷能力，减少雷击对供电设备造成危害，本方案对接触网设备进行防雷改造，采用以避雷线为主的措施进行雷电防护，降低安全风险，维护正常运输秩序。

避雷线高度确定要权衡屏蔽作用与引雷效果。独立避雷线宜架设在支柱顶端，根据《高速铁路牵引供电系统雷电防护技术导则》（TB/T 3551—2019）要求，对于AT供电方式区段，避雷线对地高度较AF线高出2～2.5 m；对于直接供电方式区段，避雷线对地高度较T线高出1.5～2 m[2]，其中浩吉铁路HJ49牵引供电单元原接触网为直接供电方式。

避雷线采用增高肩架安装，以非绝缘形式设于支柱顶端。避雷线以抱箍的形式安装在横腹式预应力混凝土支柱或格构式钢柱上。

由于防雷接地改造是在既有线路上进行，避雷线肩架安装受诸多条件限制，考虑到不改动既有接触网设备的安装形式和位置，避雷线肩架订制、安装须根据每根支柱上具体设备安装情况确定。避雷线安装须避开装有电动隔离开关的接触网支柱。

雷电保护范围如图2所示。

图2 雷电保护范围

2.4 防雷接地要求

对于路基区段，防雷接地采用双根1 kV 70 mm2绝缘铜电缆引致独立接地极；对于桥梁区段，避雷接地引下线接至地面独立接地极，确保防雷接地与信号防雷接地屏蔽分离。其中，避雷线至桥墩顶面采用双根1 kV 70 mm2绝缘铜电缆，桥墩顶面至地面采用双根横断面积不小于200 mm2镀锌扁钢，沿桥墩侧壁竖直引下。

避雷线按不大于500 m间距要求接地一次，一般在避雷线锚段两端下锚处和锚段中部适当位置增设接地极，接地电阻不大于10 Ω。

3 改造方案

（1）对浩吉铁路湘赣段HJ49供电单元接触网进行防雷改造，即在既有接触网支柱上架设避雷线。

（2）避雷线采用增高肩架安装，以抱箍的形式安装在支柱顶部，增高肩架高度按避雷线悬挂点比柱顶高出1.5 m控制。

（3）避雷线采用50 mm2镀铝锌钢绞线。避雷线每隔不大于500 m接地一次，路基区段防雷接地采用双根70 mm2绝缘铜电缆引至独立接地极（石墨接地材料），桥梁区段采用双根镀锌扁钢沿桥墩引下接至地面独立接地极，接地体的接地电阻应不大于10 Ω，与电务专业接地点间距离不小于15 m。

4 避雷线安装注意事项

（1）当避雷线架设过程中，遇有隔离开关、避雷器等设备时，避雷线采用普通肩架形式安装，避开相关设备。

（2）在接地极制作完成后，应采用接地电阻仪对接地电阻值进行测量确认。当避雷装置接地电阻超标时，应分析原因并采取措施，必要时进行开挖检查。如果受地质条件限制无法满足相关电阻值要求时，可考虑采用接地模块的接地形式。在雷电活动强烈的地区，应增加避雷线接地装置的检查次数。

（3）接触网单独设置的防雷接地体在贯通地线上的接入点与其他设备在贯通地线上的接入点间距不应小于15 m。

（4）在施工时，接地线连接圆钢或扁钢应根据现场情况确定其长度，接地连接圆钢或扁钢地下部分埋深不得小于0.3 m；接地连接圆钢或扁钢在接地连接线夹处和螺栓连接处应连接可靠，并涂抹电力复合脂；接地线采用铜电缆时，接地电缆与接地极之间的连接采用铜铝过渡线夹或铜铝过渡接地端子。

5 改造前后对比分析

2022年2月至5月，浩吉铁路浩吉线HJ49供电单元接触网防雷改造工程，架设避雷线40.47条公里，工程地点K1783+870 m—K1812+507 m，施工范围为浩吉线盘古至洞源至吉安区段（含部分吉安疏解线）。2020—2021年，HJ49单元因雷雨季节发生闪络跳闸次数为13次，2022—2023年架设避雷线后全年HJ49单元跳闸次数为0，说明安装避雷线防雷效果明显，方案可行。

6 结语

根据浩吉铁路湘赣段接触网HJ49供电单元防雷改造实践与改造效果分析，可重点从两方面加强接触网的防雷。

（1）对处于强雷区的接触网，应优先采用避雷线防雷。对新建线路，宜直接架设避雷线，一次到位；对既有运营线路，则可考虑将回流线/保护线适当抬高兼作避雷线，既节省投资，又提高接触网耐雷水平。接触网避雷线应按不大于500 m间距要求接地一次，以充分降低接地电阻。一般在避雷线锚段两端下锚处和锚段中部适当位置增设接地极接地，接地电阻不大于10 Ω。

（2）进一步完善接触网防雷标准。在雷害发生后，铁路供电部门应加强对接触网雷害的统计分析，积累接触网防雷实践数据，设计部门则应在设计前期尽可能全面收集地方雷电资料和铁路运行部门的相关雷击资料，加强分析研究，逐步掌握接触网雷害发生规律，进一步完善接触网防雷标准，不断提高接触网防雷水平。