铁路牵引供电接触网直击雷防护分析

铁路牵引供电接触网直击雷防护分析
摘要：随着我国铁路事业的迅速发展，人们对铁路运输的依赖性日益增强，
对其安全性能的要求也越来越高。

铁路是一种以牵引动力的现代交通运输方式，
在其设备的维修中，牵引供电系统的正常运转起到了至关重要的作用，一旦遭到
雷击，将会造成很大的损失，因此，雷击是造成牵引供电系统故障的一个重要因素。

针对这一问题，本文对铁路牵引供电接触网防雷技术作了较深入的讨论。

关键词：铁路；牵引供电；接触网；防雷措施
引言
有关资料表明，在铁路运行过程中，接触网被雷击伤的概率很高，已成为不
可忽视的问题。

如京沪高速铁路北京至上海段，由于接触网遭雷击，导致列车停
运2小时，给铁路企业带来了巨大的经济损失。

因此，为了保障铁路的安全运行，有必要对接触网直接雷电防护技术进行改进。

1.防雷技术
1.1.架设避雷线
架设避雷线，可以形成扇形屏蔽区域，达到规避直击雷的目标。

与传统技术
相比，该技术可以改善雷电感应过电压的参数值，有助于强化防雷效果。

根据现
有工程项目经验，避雷线通常安装在塔杆顶部位置，设定保护角20°~30°，与
横腕臂相距1.7m，与地线连接。

上述结构可确保雷击后的电压快速泄漏至大地，
达到保障安全的目的。

1.2.设置避雷器
目前，在高速铁路上常见的避雷器为无间隙氧化锌避雷器，在正常工况下流
过壁垒的电流量几乎可以忽略不计。

但是在雷击发生后，因为避雷器具有非线性
特性，瞬间通过避雷器的电流量可能达到数千安培，此时避雷器为导通状态，可
以短时间内释放电压能量，最终降低雷击的伤害。

2.铁路牵引供电接触网直击雷防护措施
2.1.案例概述
某铁路供电段共设置6个变电所以及33个供电单元，根据2018－2020年的
相关数据统计显示，近几年雷击跳闸次数明显增加，结合当地气象信息等资料展
开进一步分析后发现，当地铁路牵引供电接触网雷击现象与恶劣气候数量呈正比
例关系，因此，可认为雷雨等恶劣天气与雷击跳闸之间存在相关性。

2.2.防雷措施
2.2.1.设置避雷器与避雷针
设置避雷器与避雷针是案例项目的主要防雷措施。

通过在供电线上网处以及
长度超过2km的隧道或者隧道群两端位置、车站绝缘关节处等特殊部位设置避雷
器（电气化专用氧化锌避雷器），这种方法可以控制雷电波幅值，同时在各牵引
变电所以及分区所在位置设置避雷针，这种设计方案的主要目的是减少建筑物、
主要电气设备所遭受雷击伤害。

2.2.2.接地措施
该项目的主要接地措施主要包括：
（1）在桥梁与路基的钢支柱接地孔位置做接地，接地线与地线端子连接。

（2）隧道内所有吊柱底座通过“上部接地跳线”接地连线与保护线（PW线）相连接，隧道内的吊柱底座经上部接地连线与PW线（保护线）连接，PW线与综
合地线系统连接，保证了防雷接地效果。

（3）车站及旅客密集区域，设置GW线（架空地线）为闪络保护地线。

PW线
与支柱绝缘系统通过车站的旅客密集区域，在车站周围设置GW线（架空地线）
为闪络保护地线，并每隔500m位置连接综合地线，连接小于或等于10Ω的接地极，或者与小于或等于10Ω的接地极对接。

2.2.
3.改善接地方案
接触网接地系统的广泛使用可以强化直击雷防护效果。

根据相关规定，当前综合接地系统的接地电阻的参数应小于或等于1Ω，所以在改进方案中也应该考虑到该数值的影响。

根据案例项目的勘察结果可以发现，当前的综合接地系统中电阻的相关参数满足防雷接地的技术要求，但是受到雷电流冲击作用的影响，在该接地系统中可以实现有效泄流的构件少，最终导致冲击接地电阻水平异常，最终导致闪络问题，所以可采用优良接地模块或者在系统中设定独立接地极等方法进行改进。

因为案例项目的地质结构复杂，土壤电阻率高，存在降阻难度偏高的问题。

结合该项目某段的勘察结果和相关部门的检测结果发现，土壤电阻率的数据差异较为明显。

而根据相关研究可知，根据土壤电阻率的数据差异，可以选择的接地装置也存在差异。

其中复合型接地装置适合电阻率偏高地区，射线型接地装置适合土壤电阻率中等地区，而方框形接地装置适合土壤电阻率较低的区域。

在综合成本等因素后，该项目决定采用差异化的防雷接地装置。

2.2.4.电气几何模型
为更深入了解案例项目雷击相关问题，通过构建电气几何模型（EGM）来分析整个系统雷击情况。

该模型的基本原理为：在雷击发生后，雷电先导向地面发展，当达到线路的临界击穿距离屏蔽的范围时，即向该条线路放电。

在该集合模型中，击距是影响雷击效果的重要物理量，不容忽视。

同时根据当前水平导体的模拟内容可知，传统的工作中主要将水平导体等效为中心位置线电荷，而在实际上，受到下行先导作用影响，导线表面上的电荷分布存在明显的差异性，一般沿着Y轴方向，可能存在n个离散的线电荷，导致电气几何模型所模拟的内容更加复杂。

2.2.5.架设避雷线
该项目在接触网未架设避雷线之前，接触网处于完全暴露在雷电先导的情况下，影响防雷效果，所以在架设在接触网的上下行支柱上各设置独立避雷线。

需
要注意的是，在铁路牵引供电接触网直击雷防护中，架设避雷线前，原防雷接地
系统随着雷暴时间的增加，接触网的直击雷闪络问题更为严重，而高架桥高度的
增加与直击雷跳闸率之间存在相关性。

因此，为了进一步提升防雷保护效果，建
议在雷暴日超过60d的地区架设专门的避雷线。

2.2.6.安装绝缘子并联保护间隙
根据前文对案例工程项目的研究可知，该工程并未采取绝缘子并联保护装置。

为了能够强化直击雷防护，决定采用安装绝缘子并联保护间隙的方法，在接触网
T线与F线安装保护间隙，此时线路绝缘水平比现实情况下降约20%，同时取直
击雷水平为现实情况的80%。

计算结果显示，在做出上述调整后，系统的直击雷
闪络率有明显下降，从0.69%下降至0.02%，取得了预期效果。

2.3.综合防护方案
根据案例项目的实际情况，提出以下直击雷综合防护方案：1）在距离支柱
顶端约（1.50±0.50）m位置增设避雷线，并且在T线与F线绝缘子上增设保护
间隙，这种设计方案可以避免雷击闪电发现，系统重合成功的概率更高；2）在F
线绝缘子上增设串联间隙避雷器，在T线绝缘子上增设保护间隙。

而针对雷电活
动更为强烈的区域，在案例项目中可采取的综合措施为：抬高PW线为避雷线，
并且在绝缘子上增设串联间隙避雷器，这种设计方案可以进一步增强整个系统的
防雷保护效果，理论上的雷击闪电率为0%，并且该设计方案兼顾了防雷保护的经
济效益要求。

2.4.效果评价
最终案例项目于2021年3月开始进行铁路牵引供电接触网直击雷防护改造，改造前后的相关数据显示，AF线的闪络率从改造前的25.340下降至0.009；T线
闪络率从改造前的0.678下降至0.000，取得了满意效果。

3.结束语
综上所述，目前，在保证铁路运行安全的前提下，对铁路牵引供电接触网进行雷电防护已成为一项重要内容。

以案例项目的经验为基础，在与实际情况相结合，对直击雷防护方案展开改进后，可以明显提高系统安全性，有效改善闪络频率，达到了预期效果。

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