浅析高速铁路接触网防雷技术

摘 要：本文按照雷电危害形式，结合我国高速铁路接触网施工特点，对高铁接触网因雷电而导致的危害做了分析。探讨了接地、避雷线、避雷器等防雷、引雷技术，以此为高铁接触网防雷设计提出个人见解。

关键词：高速铁路；接触网防雷；避雷器；避雷线；接地；绝缘子

0 引言

众所周知，电气化铁道接触网的特点主要有露天设置，且无备用。因此，自然现象对其影响不可忽视，大气过电压危害极大，由其产生的雷电冲击波，其电压、电流幅值可达一亿伏、几十万安。

我国铁路电气化近几年发展迅猛，尤以高速铁路发展最为突出。高架桥形式优点明显，故被大量采用，如京津城际高架率达86%、京沪高铁达80%、武广高铁也达33.3%等等，而这种高架形式使得电气化铁道受雷电危害影响的几率大大增加。

基于此应研究并采取合理的措施进行防雷、引雷，否则雷电对高速铁路产生极大破坏甚至带来事故，如“7・23”甬台温特大轨道交通事故发生前7分钟内，累计约100次的雷击，是造成该次事故发生的一大诱因。且雷电侵入波会通过接触网侵入牵引变电所，易导致所内高压电气设备损坏而扩大事故范围。

1 大气过电压的形式与特点

雷电以雷云间放电、雷云与大地间放电两种形式存在。雷云间放电更强烈，但其对人和大地目前研究发现无危害；雷云对大地间放电，却会对人和大地上的导电线路、建筑物、树木等产生极大破坏作用。

（1）直击雷。电气设备、线路等被雷电直接击中，使得强大的雷电流经其放电入地，被直击对象因雷电流产生的热效应和机械效应而被破坏并可能引发更大事故。

（2）感应雷。雷电会对电气设备、线路等产生静电与电磁感应，使其存在大气过电压导致绝缘子闪络、电气绝缘击穿，甚至引起火灾、爆炸，从而造成人员伤亡、设备毁损。

（3）雷电侵入波。接触网线路遭受直击雷或感应雷引起雷电波沿线路入侵变电所或其他建（构）筑物，同样易产生直击雷、感应雷的那些危害。

针对以上不同形式，可采取相应措施来进行防雷、引雷。

2 避雷设备

接触网避雷装置主要以避雷线和避雷器为主。

2.1避雷线

即架空地线是为保护接触网及其设备避免雷击而安装的引雷入地的导线，用金属导线架设在线路上方，良好接地可有效地将雷电的放电引入大地。

2.2 避雷器

为防止感应雷过电压和雷电侵入波对接触网及其设备的损坏，可设置避雷器。

常用的避雷器有阀型、管型和金属氧化物避雷器三种。高速铁路接触网多采用氧化锌避雷器，它是一种无火花间隙只有压敏电阻片的阀型避雷器，也称为压敏避雷器。

2.3 接地

接地的形式按用途可分为工作接地、保护接地、防雷接地、静电接地。

将雷电流可靠地引入大地的关键环节就是接地。

雷电流由接地体流向大地时会存在冲击接地电阻Rch，其有高频特性、感抗增大的特点。土壤被雷电流击穿产生火花，使散流电阻降低。因雷电流陡度很大，而接地线阻抗较散流电阻小很多，Rch一般小于工频接地电阻，雷电流由接地线经接地体顺利入地。

3 防雷技术

防雷的办法可利用绝缘子的绝缘性能实现，引雷则可借助绝缘子接地跳线、避雷器（线）通过接地体实现。

3.1 利用绝缘子

绝缘子在接触网中起着电气绝缘和承载机械荷载的双重作用。在电气上应使带电体与接地体、带电体与带电体之间保持电气绝缘，按德国电工学会（VDE）推荐的经验公式d=0.1+U/150，计算出单相工频交流制标称电压值U 为25kV接触网最小绝缘间隙为266mm。

实际运行中，还应合理选择绝缘子耐压等级、爬电距离、本体结构、伞裙结构形式，定期进行清扫，来实现可靠绝缘、安全防雷。同时安装避雷器（线）可防绝缘闪络与工频电弧的建立；还可利用保护间隙与绝缘子并联来疏导工频电弧。

目前，高速铁路接触网线路采用的绝缘子多为硅橡胶复合绝缘子。按照刚性支撑要求，应采用双重绝缘型的棒式绝缘子。

运行中还应针对高铁接触网线路所处区段不同，定期对绝缘子进行清扫。附盐密度小于0.1mg/m2属于一般地区其分段绝缘器、复合绝缘件清扫周期应在6个月、3年；大于等于0.1mg/m2的属于污秽地区，应根据污染程度、天气变化、测试数据等来确定周期适时清扫，防止污闪发生。在春融、入冬前，有条件的地段可进行水冲洗。以此确保绝缘性能优良，更好地防雷、优质供电。

3.2 安装避雷器

管型避雷器由产气管、内部间隙和外部间隙组成。当过电压使其内、外部气隙全部击穿时，此时流过的电流在管内产生的气体消弧，但大气过电压击穿产生的电流非常大，产生的气体很多、压力很大，极易使得管子爆炸。这使得其在避雷时增加了事故机会，因此一般不用于高速铁路接触网防雷。

氧化锌避雷器主要由若干块氧化锌压敏电阻（也称阀片）构成，具有良好的非线性伏安特性。加工成形时其每一块压敏电阻就有一定的开关电压（所谓压敏电压），正常工频电压下（此时是小于压敏电压的）阀片电阻极大、流过的电流极小（微安或毫安级），相当于绝缘；但在大气过电压作用下（此时大于压敏电压），阀片电阻极小被击穿呈导通状态，相当于短路，流过避雷器的电流可达数千安，火花间隙也被击穿，该避雷器的阀片可安全释放雷电流，截断工频续流，保护了绝缘子，保证了高铁接触网正常供电。

当雷电过电压消失，线路恢复工频电压后，阀片又呈现很大的电阻，恢复高阻状态，使火花间隙绝缘迅速恢复而切断工频电流，保证线路恢复正常运行。

其与传统的避雷器不同之处就是无放电间隙，并具有极强的通流能力、优良的保护特性、极高的密封性能等特性，所以在高速铁路接触网上得到大量的使用。

当然，当雷电流被泄放时会有一定残压加在被保护设备上，该电压应不超过设备绝缘允许耐压值，否则设备绝缘会受到威胁。故绝缘也应配合妥当。

高速铁路接触网线路避雷器通常安装于支柱上，用以降低雷击跳闸概率。该型式下的线路锚段长度一般不大于1400m，有研究显示，一个锚段中部设一处避雷器，雷击跳闸概率约0.45，《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DLT620-1997）关于此评价标准要求110kV线路时为0.83。可见，0.45的跳闸概率可满足高速铁路接触网即使是5min瞬时最高工作电压29kV时的要求，在标称电压25kV下更易实现防雷保护。

用雷电日和落雷密度为参数计算输电线路累计跳闸率，在雷电多、雷击相对多的区段，适当增加避雷器，更易良好避雷、降低接触网雷击跳闸率，实现安全优质供电。

3.3 架设避雷线

当接触网线路、设备着雷时，雷击接触网线路时，在避雷线上将产生远高于线路电压的过电压。而避雷线可以保护住接触网线路，使雷尽量落在避雷线上，并通过支柱上的金属部分和埋设在地下的接地装置，使雷电流流入大地。

下图为单根避雷线保护范围示意图。

电力系统要求避雷线与其所保护范围内的最外侧导线连线与垂线之间夹角保持在200～300之间为佳。

根据运行经验和计算，应选用截面不小于35mm2的钢芯铝绞线并悬挂于接触网上方，通过接地引下线与接地体连接。其作用原理就是通过自身高度将雷电引向自身并完全地将雷电流引入大地，其架设高度若不足，将无法避免雷电绕过其而直击接触网导线；而架设过高又会使施工、维护不便，经济性差。

《铁路技术管理规程（高速铁路）》规定，高速铁路接触网采用链形悬挂。一般的，承力索距轨平面高度平均为6867mm，避雷线安装高约8300mm。此时，保护角取正切值[3000/（8300-6867）]，即64.50，此时架设于支柱上方的避雷线难防绕击雷。

反过来，要达200～300的保护角范围，避雷线安装高度计算后应在15 109～12 509mm之间。按此值架设避雷线于支柱上方不合理。

若安设避雷线于承力索上方，电力系统关于跨中避雷线与导线高度距离有公式SL≥0.012L+1，高铁接触网跨距L一般为55m，由计算可知SL≥1660mm，其安设高比承力索高2000mm即可实现防雷，且便于施工、检修。

雷电若击中铁路附近地面，避雷线和接触网承力索、接触线同时感应出过电压，有效增加三线间的耦合系数，这使得绝缘子两侧电压差减小，绝缘免受烧蚀。

当然，具体防雷、引雷时，要根据接触网线路所处的区段情况分别对待。在隧道口、高架桥、高路基等重点地段应装避雷器。我国在高铁封闭雨棚两端、站场端部、分相绝缘关节处、较长的AF线或供电线与接触网接线处、隧道两端（长度不小于2000m）等处装设避雷器。如哈大客运专线、京津城际、京广客运专线等即采取此法。国外如日本，根据其岛国及所处气象带的特点，划分雷区后，A区接触网全线架设避雷线、B区只对特别区段实施避雷线全线架设、C区只在接触网隔离开关、架空地线终端以及接头或连接点、馈电线出线处装设避雷器。

安装时，避雷线常采用钢绞线，通过卡钉固定在接触网支柱上方，避雷线的下部连接至综合贯通地线上，以此来保护高铁接触网线路和设备免受雷电直击。

3.4 选择接地方式

利用综合贯通地线实现工作接地，接触网接地也应接入，每隔约1500m吸上线与信号横向连接点完全接地一次，以便泄放雷电流。

接触网带电体附近5m范围内的金属结构物应安全接地，对避雷器可采取一端接入综合接地系统、一端接回流线或保护线方式。

现场还应根据区段与部位的重要程度，采取相应措施，如关键区段和部位，定期检测接地电阻，保证其符合要求；避雷器支撑部分选用绝缘底座，独立接地极做工作接地且不与安全接地共用电流通道；底座保护接地纳入综合接地系统，且防雷接入点以≥15m来保持与其它设备在贯通地线接入点的距离。为使所有并行线路和回流线路中平均分配回流，贯通地线与横向连接线连接点、PW线或NF线的引下线与扼流变压器或空芯线圈中性点的连接点最好设置在同一里程。

27.5kV馈电线首端即馈线隔开外侧装设与避雷器相配合的抗雷线圈，以减少雷电波沿接触线、馈电线对所内设备可能带来的危害。

按照规范要求，与综合贯通地线接口处任一点的过度电阻均不应大于1Ω。

4 结论

根据高铁接触网架设地域的雷电日与落雷密度及其他条件如所在区域附盐密度等来研究设计，从而确定防雷装置的采用。现场根据年平均雷电日来选择避雷设备。年平均雷电日在40日以上的（按雷区划分，此类属多雷区、高雷区），全线架设避雷线；小于40日（多雷、少雷区）的雷电多发区及接触网主要设备安装处，单独架设避雷线，且尽量安装于承力索上方来避免直击雷危害。对于感应雷，40日以上区域，各锚段均设避雷器；40日以下的，雷害多发区增设避雷器，在接触网敏感位增设避雷器。

随着国内、国际对防雷技术的不断研究、开发，同时，结合绝缘子绝缘材质、结构与形状的进一步研发、创新与使用以及接地系统的更加完备，高铁接触网防雷效果将更加明显。

参考文献：

[1] TB10009-2005 铁路电力牵引供电设计规范[S]

[2] TB10621-2009 高速铁路设计规范[S]

[3] DL/T621-1997《交流电气装置的接地》

[4] 钱立新.世界高速铁路，北京：中国铁道出版社，2003