浅析高速铁路接触网防雷技术与措施

浅析高速铁路接触网防雷技术与措施
发表时间：2019-02-27T09:57:03.830Z 来源：《防护工程》2018年第33期作者：罗焙成
[导读] 随着社会经济的快速发展，高速铁路运输能力和需求进一步提升，对设备性能和技术要求越来越高。

中铁电气化铁路运营管理有限公司杭州维管段浙江杭州 310000
摘要：随着社会经济的快速发展，高速铁路运输能力和需求进一步提升，对设备性能和技术要求越来越高。

然而高速铁路在运营的同时也出现较多问题，尤其在牵引供电接触网遭受雷击导致接触网跳闸方面，对列车安全运行和铁路运输造成极大影响。

关键词：接触网；杭深高铁；避雷线
在高速铁路牵引系统当中接触网属于重要组成部分，也是影响高速铁路安全稳定运行的重要因素。

然而因为接触网长期处于外部环境当中，遭受雷电天气影响，接触网设备雷击时时造成设备损坏等，会严重危害铁路稳定运行。

1.接触网防雷原则
高速铁路的主要特点在于线路长、区域跨度比较大、位于露天、高电压，因此极度依赖固有系统，没有备用系统。

供电系统在遭受雷电破坏之后可能导致短时间内无法恢复，使供电区域停止供电的情况。

根据现阶段高铁采用的防雷措施有避雷器及接地装置、避雷线等，避雷器可以防止沿输电线侵入变电所的雷电冲击波，称为侵入波保护；避雷线可以防止雷电直接击中被保护物体，称为直击雷保护；接地装置的作用是减少避雷线或避雷器与大地之间的电阻值，达到降低雷电冲击电压幅值的目的。

如接触网遭受雷电击中会出现过电压情况，可能发生雷电流从支柱进入到接触网，可能对接触网造成过电压值影响。

2.防雷计算及雷击统计
2.1.一般情况下，雷电次数发生率比较高的地区，接触网遭受雷击伤害的可能性就越高，以我段管内杭深线运行情况来说，杭深线接触网承力索标高在7m左右，侧面界限为
3.1m，因此在实施防雷设计时必须进行防雷计算。

第一，耐雷水平。

该项内容主要是在出现雷击伤害之后，线路绝缘部件不会产生导电通道和击穿受损，也不会出现最大雷电流幅值。

按照线路绝缘子50%冲击闪络电压进行耐雷水平计算，若耐雷能力比较弱，则容易发生闪络问题，雷击跳闸率提升。

第二，雷击跳闸率，按照 100km线路长度以及50个雷电日对跳闸次数进行计算，年平均每500m发生一次雷击跳闸，如雷电流幅值低于耐雷水平，此时绝缘子就不会发生闪络。

通过统计近四年杭深线雷击跳闸数据，发生雷击跳闸一般集中于5-9月份，且雷击跳闸相对较多，雷击已成为造成高铁牵引供电设备故障的主要危害之一。

杭深线2015年因雷击跳闸49件，2016年因雷击跳闸45件，2017年因雷击跳闸55件，2018年杭深线开始增设避雷线整治后雷击跳闸35件，呈明显下降趋势。

2.2.按照《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343-2004）关于地区雷暴日等级划分，我段杭深高铁管内2015年至2017年属于高雷区（年平均雷暴日＞40天，≤60天），2018年开展防雷整治后属于多雷区（年平均雷暴日＞20天，≤40天），不属于强雷区（年平均雷暴日＞60天）。

3.雷击引发设备故障典型案例
3.1.2015年9月5日14时57分，苍南变电所214DL、213DL过流出口阻抗I段动作，电调送电成功。

原因为雷击引起平腕臂绝缘子击穿，两端各破碎一片，铁件存在烧融现象。

4.雷击位置及原因分析
4.1雷击闪络位置
通过统计2015至2018年我段管内杭深高铁雷击跳闸184件，因雷击造成AF线绝缘子闪络115处，雷击造成供电线绝缘子闪络5处；雷
击造成斜腕臂绝缘子跳闸42处；雷击造成平腕臂跳闸22处。

分析对比发现雷击跳闸主要位于AF线和斜腕臂绝缘子处。

4.2跳闸原因分析
4.2.1.管内高铁大部分布置在高桥地段、露天区域，而我段杭深高铁管内属于多雷区（年平均雷暴日＞20天，≤40天）和高雷区（年平均雷暴日＞40天，≤60天），在设计时未设计避雷线，高桥地段的接触网未考虑防雷措施，仅通过上网点、绝缘关节、分相、上网点、上垮桥（上垮建筑物）、长度2km及以上隧道或隧道群两端等处所安装避雷器进行防雷，远远不能满足高铁防雷的需求。

4.2.2.杭深线AF线安装位于柱顶通过悬瓷悬挂安装，高度位于接触线和承力索的上方，而山区、大桥区段的柱顶结构为周边最高点，易吸引雷击行车雷击闪络的多发处所。

4.2.3杭深高铁接触网和供电线的绝缘子的绝缘泄漏距离≥1400 mm，上下行正线间分段绝缘子的绝缘泄漏距离为1600mm，平斜腕臂绝缘子的绝缘泄露距离在一致的情况下，受环境影响，斜腕臂绝缘子更接近机车和地面，机车在运行过程中弓网摩擦生产的金属粉尘会散落，同时机车在运行过程中，地面粉尘受车辆速度影响会漂浮在空中，而斜腕臂绝缘子高度相对平腕臂绝缘子低，绝缘子表层污染相对会严重一些，从而影响降低斜腕臂绝缘子的电气强度。

5.常见的接触网设备防雷措施分析
5.1避雷线防雷措施
5.1.1.通过增设避雷线起到防雷效果，将承力索、接触线、回流线、正馈线等接触网设施覆盖在避雷线的保护范围内，将雷电流迅速泄入大地，降低雷击引起的过电压，以达到降低接触网的雷击概率。

通过对比我段管内杭深高铁2015年至2018年雷击跳闸次数，在未增设避雷线前，平均每年跳闸约50次，2018年开展防雷措施整治增设避雷线后，雷击次数为35次，呈明显下降趋势，且杭深高铁36个供电臂，现阶段已增设4个供电臂的避雷线，如避雷线全部增设完成，雷击跳闸次数会进一步下降。

5.1.2.在选择避雷线可以考虑选择PW线。

由于PW线主要充当保护线架设，为二次系统提供接地保护。

但是近期高速铁路使用分析可以看出，PW线还可以当作避雷线使用，能够显现出较多应用优势。

一是节约成本，利用既有PW线即可，不需再增设避雷线。

二是高速铁路PW线主要应用在正馈线上方或者下方，通过滚球法计算接闪器保护范围，核算PW线的保护范围，调整安装高度，使其满足屏蔽雷击作用，起到防雷效果。

三是使用PW线作为避雷线时，可每间隔约200-500m设置一处接地，为避免避雷线的雷击电流对其他非接触网设施造成危害，推荐避雷线接地与其他系统相对隔离，采用单独接地。

线根 5.2避雷器防雷措施
5.2.1.避雷器属于接闪范畴，氧化锌材质避雷器是高速铁路接触网应用比较广泛的避雷器。

该避雷器属于过电压抑制电器，在正常工作状态下，避雷器会利用高电阻和小电流条件发挥出绝缘效果。

然而线路在运行期间电压过高，避雷器就会转化为低电阻状态，在保护电气设备时泄放电流，如果雷电过电压消失，避雷器能够自动恢复高电阻状态。

5.2.2.通常情况下避雷器设置在上网点、绝缘关节、分相、上垮桥（上垮建筑物）两侧、长度2km及以上隧道或隧道群两端等处所接触网支柱上，避雷器安装后可以有效降低雷电跳闸率。

需要注意的是，在安装避雷器时不能一味按照硬性标准，盲目增设避雷器，避雷器安装位置要具有合理性。

5.3提高线路本身的绝缘水平
绝缘部件的作用不仅体现在接触网线路电气绝缘上，还需要承担机械荷载。

对于电气绝缘来说，绝缘部件必须实现带电体及接地体的电气绝缘，而绝缘部件本身耐压性能、爬电距离等都会对防雷效果造成影响，增强绝缘部件的绝缘性能也能提升线路的防雷效果。

与此同时，还应当注重维护和绝缘子更换，每年对接触网线路周围2km以内的所有污染源进行调查，确定污秽等级，明确绝缘部件的监测监控及清扫维护要求。

5.4接地防雷措施与维护
该种防雷措施主要是由引下线和接地体组成，使用此种方法能够使地下形成接地网。

高铁区段，接触网接地装置基本连接于综合贯通地线，由于避雷器和隔离开关等形成单独接地体使用比较少，在使用在使用单独接地极时，需要对线路沿线土壤电阻率进行检测，易使用低电阻率土壤，以便接地极埋入后符合技术标准。

此外还需加强对接地装置的日常维护，每年雷雨季节前（4月份），应对防雷装置进行一次全面检测，确保接地装置状态及回路处于良好状态，接地电阻值符合技术标准。

6.结束语
综上所述，按照目前设计规范，现阶段我段管内高速铁路接触网还不具备完善的防雷措施，杭深高铁属于多雷区和强雷区，因雷击引发接触网设备故障也相当频繁，而目前避雷器不能有效抑制雷击过电压引起的跳闸，所以有必要从根本上和技术上提高高铁接触网的防雷设计标准，且我段杭深高铁通过2018年增设避雷线后，因雷击跳闸次数显著下降，所以增设避雷线是优先考虑的防雷措施，同时也需全面做好牵引供电设备防雷工作，确保铁路运输安全。

参考文献:
[1]《加装避雷线提升高铁接触网防雷水平方案分析》铁道技术监督,2017,45(03):36-39.
[2]《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343-2004）。