电气化铁路接触网防雷技术研究

李学武，陈乐瑞

电气化铁路接触网防雷技术研究

李学武，陈乐瑞

分析了国内外接触网防雷现状，对接触网雷害和相关防雷技术进行分类讨论，并结合京沪高铁接触网系统防雷存在的缺陷提出了改进措施。

接触网系统；电气化铁道；防雷

0 引言

我国电气化铁路横跨东西纵贯南北，所经地区地理气候千差万别，情况复杂，尤其是高速铁路采用高架桥形式，接触网成为小区域内的相对高点，使得其遭受雷害的几率大大增加，一旦遭受雷击则易造成绝缘闪络断裂、线路跳闸等事故，严重时会导致列车停运，对铁路运输造成巨大影响。因此，接触网的防雷是实现电气化铁路安全、稳定、不间断供电的一个重要环节。

1 防雷设计概况

1.1 国内接触网防雷现状

根据铁道电气化设计相关规定[1]：针对重雷区应该安装避雷装置。重点安装部位包括：分相和站场端的绝缘关节、长度超过2 000 m隧道两端、供电线或AF线连接到接触网上的连接处。

统计表明，目前国内对接触网线路的防雷措施并不完善，因接触网遭雷击而引发的雷害现象时有发生，尤其是雷害活动频繁的路段。例如2011年7—8月京沪高铁因雷击造成的跳闸达到213起，占跳闸总数的93%，导致列车大面积晚点，给铁路运输造成了重大损失。

1.2 国外接触网防雷措施

在德国，接触网防雷措施的出发点是：每100 km接触网在一年时间内可能遭受1次雷击，并且不考虑直击雷的防护。仅在雷电频繁发生的地区采用避雷器实现对雷电过电压的限制，而在其他区域则不设置防雷装置。

日本是典型的海洋岛国，雷电活动频繁。以雷击频度及线路重要程度为基准，用A、B、C三个区域划分国土的防雷等级，规定了相应的防雷措施。如表1所示[2]。

2 接触网系统雷害分类

根据雷击的部位不同，雷击接触网线路可分为3种情况：雷击接触网地面；雷击支柱；雷直击接触网。前两种情况都是由于电磁场的剧烈变化，在接触网上产生感应过电压；后者则是由于流经接触网很大的雷电流所形成的行波过电压[2]。

2.1 雷击接触网附近地面

当雷击点距接触网的距离S＞65 m时，接触网上的感应过电压最大值可由式（1）计算[3]：

50%闪络电压是衡量绝缘子耐雷水平的重要参数，即当绝缘子上的电压超过该值时即发生闪络。以盘式绝缘子和棒式绝缘子的50%闪络电压U50%为临界值，则接触网的耐雷水平为

2.2 雷击接触网支柱

雷击接触网支柱也会引起绝缘子闪络。当雷击支柱时，雷电流通过支柱流入大地形成反击过电压，再加上接触网导线上产生感应过电压，将会产生很高的雷电过电压。

表1 日本防雷等级及措施一览表

雷击支柱时，支柱上产生的冲击电压为

雷击支柱时，雷云放电使得电磁场迅速变化，由电磁感应使得线路上产生感应电压，且其极性与雷电流相反。按照一般惯例，在防雷设计中，雷电流波形取斜角平顶波，波头长度2.6 μs，其值按式（4）计算：

式中，U2为感应电压；h为导线离地高度，m。

接触网棒式绝缘子实际承受的电压为雷击产生的反击过电压与接触网上的感应过电压之和[4]，即：

由式（5）可看出，线路绝缘子串上的雷电过电压与陡度、电流、导线高度和支柱接地电阻有关。如果U大于或等于接触网棒式绝缘子串U50%雷电冲击放电电压时，支柱将对线路产生反击，线路的耐雷水平为

2.3 雷直击接触网

如图1所示，雷击于A点。雷电流将沿接触网两侧流动，由于接触网很长，可认为分布在两侧的雷电流是对称的。假设雷电流幅值为I，根据雷电流的定义，沿雷云放电通道袭来的电流幅值就为，若雷电通道的波阻抗为Z0，线路导线的波阻抗为Z，其等效电路如图2所示，按照彼德逊法则，则雷击点A的直击雷过电压为

粗略估计时，可取Z = 2Z0，对于架空线路，有关规程推荐雷击导线时，取线路波阻抗Z = 400 Ω，则雷击点过电压为[4]

则耐雷水平为

图1 雷直击接触网示意图

图2 等效电路图

3 接触网系统防雷

3.1 接触网防雷原则

通过分析研究，接触网需遵循的防雷原则[5]：划分雷区等级，记录雷击跳闸率，二者结合，制定合理的防雷措施；战场防雷和站房接触网防雷相结合；接地系统和接触网防雷改造相结合；各种避雷装置互相结合，实现优势互补；避雷器和接闪器相结合。

3.2 防雷关键技术

由国内外的防雷措施和防雷经验可知，现阶段防雷技术主要有以下几点[6]：

（1）安装避雷线防雷。经验表明架设避雷线有助于提高耐雷水平。架设避雷线主要是防直击雷，由于接触网系统的绝缘等级较低，在雷电过电压引起的绝缘子闪络中，感应雷过电压引起的闪络占绝大部分，故架设避雷线除了防直击雷外，还应该具有防感应雷的功能。避雷线可以安装在承力索上方或者支柱上方。

（2）安装避雷器防雷。避雷器数目越多，雷击跳闸率就越低，因此要达到较好的避雷效果，避雷器就要密集安装。然而，避雷器对过电压的保护是有限的，并不适合所有区段，因此在雷击比较集中的地段安装线路避雷器，效果比较理想。

（3）选用合适的绝缘子。雷电使绝缘子损坏后绝缘性能无法恢复是导致牵引供电系统故障的重要原因。污秽环境会使绝缘子耐受雷电过电压的能力下降，因此，在污染严重或风沙较大的地区应采用大爬距、抗污性能好的复合绝缘子；雷雨天雨水在绝缘子表面形成的水流造成绝缘闪络也是常见的情况，故可选用伞裙结构和大爬距的绝缘子。

（4）可靠接地。接地技术也是防雷技术的关键环节，可靠地接地使得雷电流顺利释放。从工作性质上接地可分为工作接地和安全接地。

4 现有防雷体系的缺陷以及改进措施

根据《高速铁路设计规范》和《铁路电力牵引供电设计规范》，结合京沪高铁防雷措施存在的缺陷[7]，本文在充分分析和研究基础上提出了以下改进措施。

（1）加强对直击雷防护。京沪高铁接触网防雷设计主要参考电力系统35 kV输电线路，全线大部分都未设置避雷线。由于现行的接触网系统仅在关键部位增加避雷器和接触网本身的架设高度，导致现行的防雷体系在实际运行中对直击雷和感应雷的防范效果并不好，尤其是对直击雷。改进措施是增加避雷线。

（2）采用避雷器在线监测技术。京沪高铁目前安装的避雷器大都采用氧化锌避雷器，这种避雷器存在的缺陷是电阻片随着动作次数而老化引起失效现象。采用避雷器在线监测技术是将泄漏电流监测装置和避雷器放电计数器整合在一起进行监测，通过监测避雷器漏电流大小和计数器动作次数，及时掌握避雷器的运行性能。

（3）考虑不同区域雷电防护的差异性。京沪高铁全线长1 318 km，同一线路不同地区雷电频度、强度和土壤电阻率差异很大。建议根据不同区域历年雷击跳闸数据，气象数据，土壤参数等因地制宜，设计安装不同类型和规格的避雷装置。

5 结语

结合京沪高铁现有的防雷体系，分析雷电对接触网造成的危害、防雷重点部位、防雷措施等，发现其中的缺陷并进行针对性的改进，这些措施对京沪线上防止接触网雷击跳闸，提高接触网防雷性能，保证铁路运输的可靠性具有指导意义。

[1] 王明邦，王常余，王哲斐. 电气化铁道接触网防雷[J]. 现代建筑电气，2012，（6）：27-31.

[2] 陈纪纲. 带回流线的直线供电方式接触网防雷技术的研究[D]. 西南交通大学，2005.

[3] 李康，刘家军，卓元志，等. 高速电气化铁路接触网防雷研究[J]. 电网与清洁能源，2012，（7）：39-45.

[4] 吴广宁.电气化铁道高电压工程[M]. 北京：中国铁道出版社，2011.

[5] 刘立方. 电气化铁路接触网防雷措施的探讨[J]. 价值工程，2013，（11）：50-53.

[6] 张倩. 高速铁路接触网防雷设计研究[J]. 电气化铁道，2013，（6）：9-11.

[7] 高峰. 高速铁路牵引供电系统雷击选择性的影响因素研究[D]. 西南交通大学，2013.

The article analyses the current situation at home and abroad contract s lightning, makes a classified discussion on lightning disturbance and relevant lightning protection technology, and points out the defects of lightning protection in our country nowadays, provides some guidance for catenary system lightning protection.

OCS; electric railway; lightning protection

U225.4

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1007-936X(2015)01-0008-03

2014-06-28

李学武.郑州铁路职业技术学院，副教授，电话：13937101281；

陈乐瑞.郑州铁路职业技术学院，助教。