高速铁路接触网防雷与改造研究

张德玉

摘要：接触网是铁路牵引供电系统的重要组成部分，绝大部分裸露于自然环境中且没有后备能力，需要采用必要的大气过电压防护措施。如果缺少雷电防护措施或者措施不当，可能引起绝缘子损坏、造成线路跳闸，直接影响电气化铁道运营安全;同时雷击产生的侵入波过电压可以通过接触网传入牵引变电所，进而引起站内电气设备损坏造成更大的事故。

关键词：高速铁路接触网防雷;改造

目前我国高速铁路地理区域跨度大，且多采用客运专线运行，多数路段架设在高架桥上，相较普速铁路，高速铁路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;但绝缘配置方面，高铁接触网绝缘水平与普通铁路标准相当，耐雷水平并没有根据高速铁路线路的特殊性进行显著加强，雷害一旦形成将严重影响牵引供电系统的可靠性，造成供电区段的停运，进而影响运营安全。

一、雷害基本机理

1.雷云对地放电受到气象、地质和地形等众多自然因素影响，雷电活动的频繁程度也因地域而异。供电线路雷击跳闸主要分为两种形式：一种是雷直击线路引起的，称为直击雷过电压;另一种是雷击线路附近地面，由于电磁感应所引起的，称为感应雷过电压。雷击线路时，线路绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值称为耐雷水平。高于耐雷水平的雷电流击于线路击穿接触网绝缘，造成绝缘损坏或击穿闪络放电，引起牵引变电所保护动作跳闸。

通常情况下接触网F线或T线遭受直击雷的耐雷水平低于4kA，因此在90%以上的雷击都会导致接触网发生绝缘闪络，而且一般F线悬挂高度大于T线高度，F线对T线构成了负保护角屏蔽，雷电击中F线的概率远大于击中T线的概率。当雷击中F线引起绝缘闪络后，钢支柱顶部电位抬升，在T线绝缘子两端电位差超过绝缘耐压水平时，T线绝缘子也会闪络。造成F线和T线绝缘同时闪络的最小直击雷电流幅值随大地土壤电阻率的提高而降低。雷电击中接触网附近大地或高耸物体时，通过电磁耦合作用在F线和T线上产生感应过电压，F线和T线感应雷耐雷水平一般大于45kA，接触网因感应雷引起的跳闸率较直击雷引起的跳闸率要低得多。

2.供电设备雷害主要特征。雷害对供电设备影响的特征基本都要反映到牵引变电所保护装置动作跳闸上。通过对全路34条主要电气化铁路供电设备雷雨天气跳闸数据进行分析，可以发现供电设备雷害呈现明显的规律性。高铁雷雨跳闸季节性特点明显，一般5—9月为高发期，其中8月跳闸件数最多（见图1）。

（见图1）

二、高速鐵路接触网防雷改造

1.避雷器防雷。雷电击中接触网时，如果产生的电压大于避雷器的放电电压，避雷器会立即将雷电流释放出来，并在工频电压下表现出高电阻，截断工频续流，避免绝缘子出现闪络的情况，使接触网持续稳定的工作下去。通过将避雷器安装在接触网支柱上，可以有效降低雷击跳闸的概率。从避雷器的工作原理上可以看出，避雷器安装的密度越大，防雷效果越好。但是作为接触网重要的防雷设备，是线路开通后运营检修工作的重点，且避雷器经过长期使用会出现老化，密集的安装避雷器会极大抬高建设投资成本及运营检修成本，并不科学。因此为了保证避雷效果，通常将避雷器安装在需要防护的重点位置及雷击相对集中的地方。

2.合成绝缘子的使用。接触网受到雷击后，会出现重合闸失败的情况。究其原因，主要是绝缘子被工频续流电弧灼烧后出现破损、炸裂，无法自

动回复线路绝缘性，导致重合闸失败。为了避免绝缘子被烧毁，首先要疏导工频电弧，避免电弧在绝缘子的表面燃烧。其次，使用避雷器和避雷线来避免工频电弧和线路闪络建立。此外还要要注意提高绝缘子的抗灼烧能力。当前输配电线路中主要使用合成硅橡胶绝缘子和瓷绝缘子两种，在抵御灼烧能力方面，合成绝缘子具有明显的优势，当合成绝缘子被工频电弧灼烧时，喷出的气体会发挥吹弧效果，使电弧从绝缘子的表面离开。此外，在局部受热的情况下，硅橡胶材料不会马上炸裂，有助于恢复绝缘线路。在经过烧灼后，合成绝缘子伞群不会脱落，并且具有良好的绝缘效果，使线路达到了重合闸的效果。而瓷绝缘子如果被灼烧，伞群落会全部掉落，绝缘效果会完全丧失，线路就不能重新合闸成功。虽然，合成绝缘子有良好的抗灼烧能力，但工频电流弧仍会破坏合成绝缘子。经灼烧后硅橡胶材料成分会产生变化，一些容易分解的物资受热后会挥发，致使绝缘子的增水性和抗污性降低。在以后的运行过程中，灼烧部分很有可能会出现老化脱落情况，严重影响线路运行的安全。综合以上分析可以看出，合成绝缘子虽然可以提升线路重合闸成功的概率，但不能根本性的解决线路防雷问题。因此，要使用其他防护措施对其进行补充。

3.接地防雷。接触网接地措施主要分为安全接地措施和工作接地措施两种：对于安全接地，距离接触网带电体五米以内的金属结构物都需要进行安全接地处理;接触网隔离开关、避雷器等设备应进行双接地，即一端要接入回流线或保护线，另一端要接入综合地线或者独立的接地极;接触网钢柱可通过架空地线或单独接地极实再安全接地，架空地线下锚及长度超过1000m的锚段中间应单独设置接地极。对于工作接地，新建高速铁路接触网通常设置综合接地系统，接触网基础与综合接地系统连接，回流线或保护线非绝缘悬挂安装，接触网吸上线与信号完全横向一般不超过1500m进行一次连接。

三、接触网防雷改造建议

1.为了避免直接雷害，建议处于平均雷暴日在40天以上的高速铁路全线线架设避雷线。对于雷暴日不足40天的中雷区或者少雷区，要分析和统计沿线雷害情况，对雷害多发区和重要设备位置可以架设独立的避雷线，并相应相应增加将避雷线安装高度，保证接触悬挂的防雷安全。

2.建立完善的接地系统。为了充分发挥出防雷措施的作用，要在关键的位置和区段保证接地电阻值，并定期检测电阻值。在综合接地系统中接入防雷设施时，要和其他接入设备贯通点之间的距离保持在15m以上。安装避雷器及计数器时，相关设备要绝缘安装。安全接地和工作接地不可以使用通一个电流通道。

3.适当增加避雷器的设置。在无避雷线设置的区段，为避免感应雷害可在重雷区和高雷区的各个锚段设置避雷器。并统计分析少雷区沿线雷害情况，将避雷器设置在雷害多发区。此外，还需要保证在线路敏感位置布置避雷器，例如长度超过2000m的隧道两端、站场和分相端部的绝缘锚段关节、封闭声屏障的两侧、电缆与架空转换处等重要区域。

4.避雷针防雷。避雷针是一种将雷电引向自身并泄入大地使被保护物免遭直接雷击的针型防雷装置，避雷针通过导线接入地下，与地面形成等电位差，利用自身的高度，使电场强度增加到级限值的雷电云电场发生畸变，开始电离并下行先导放电;避雷针在电场作用下产生尖端放电，形成向上先导放电;两者会合形成雷电通路，随之泻入大地，达到避雷效果。因此在沿线较特殊的地段，如较长供电线上、高架区区域、高路基区域、可增设接触网用避雷针，避免保护对象直接遭雷击。

综上，结合目前高速铁路已采用的多种防雷手段及运营记录结果可以看出，不管使用什么样的防雷措施，也只能降低因雷电造成的跳闸概率和故障概率，无法根本性的杜绝雷电对接触网造成的伤害。因此有效研究雷害整治措施，并通过线路防雷设施改造效果分析，提出供电设备雷电防护技术路线具有重要意义。

参考文献：

[1]陈健.铁路客运专线接触网防雷研究[J].铁道工程学报，2019，（8）.[2]于增.接触网防雷技术研究[J].铁道工程学报，2020，（01）：

89-94.