电气化铁路接触网线路防雷技术探讨

电气化铁路接触网线路防雷技术探讨

【摘要】本文从研究接触网防雷措施的意义、接触网防雷现状、避雷器的设置、避雷器的设置和防雷接地装置等几个方面进行了分析探讨，并结合近年来国内电气化铁路的研究成果，对以后电气化铁路接触网系统的防雷措施提供了建议。

【关键词】电气化铁道；接触网；避雷器；避雷线；接地

前言

近年来，随着电气化铁道运营公里数的不断攀升，我国的主要长大干线铁路、重载铁路以及所有的新建客运专线铁路全部采用电力牵引，因此确保铁路的牵引供电系统的安全、可靠、不间断供电，成为了铁路安全运行的重要环节。因此加强电气化铁道接触网线路防雷技术探讨，对我国铁道运行有着重要意义。

一、研究接触网防雷措施的意义

雷电可分为直击雷和感应雷，铁路接触网受到雷电袭击存在以下特点：

A、铁路接触网一般是铁路线路上较高的设施，是比较容易受到雷击的设备。

B、接触网导线一般采用的铜材为良好的导体，是接受直击雷和传导雷感应雷的良好导体，是在铁路将受到雷击的严重威胁。

C、接触网受到雷击后如果不能得到及时有效的泄露，会通过供电线倒流入变电所、分区所中，从而引起对内部设备的损坏。当雷雨云之间、雷雨云对大地之间放电时，雷闪电流的高频电磁场对暴露在空间或室内的电源线、信号线、数据线上产生远远超过设备抗电强度的感应雷击过电压，使设备损坏。

从以上分析中可以得出：为了提高铁路接触网运行可靠度，整个接触网的雷电防护系统一定要有一套良好的接闪器、引下线和接地装置，采取完善的雷击防护措施。

接触网遭受雷击的频度与线路所处地区的年平均雷电日数有关。一般来说年平均雷电日数增大则每平方公里大地1年的雷击次数也随之变大，根据国际大电网会议委员会推荐计算：接触网侧面限界为 3.1 m，承力索距轨面平均高度为7.4m，则单线接触网遭受雷击次数N=0．122×Td×1．3，复线接触网遭受雷击次数N=O．244×Td× 1．3，Td为年平均雷电日数。根据牵引供电系统运营部门的数据分析，我国华东、华东等沿海地区雷暴日大于60天的强雷区以及高于附近建筑物或地面高架桥区段上的电气化线路更是雷击事故多发区，雷击会造成接触网设备的大面积损伤，影响铁路线路的正常运行，造成重大的财产损失甚至人员伤亡。因此研究有效的接触网防雷击措施对于预防雷击事件造成的损失有重大的意义。

二、接触网防雷现状

根据我国《铁路电力牵引供电设计规范》（TBl0009-2005）中的规定，针对接触网的大气过电压保护原则有：“1 吸流变压器的原边应设避雷装置。2 高雷区及强雷区，下列重点位置应设避雷器：1）分相和站场端部的绝缘锚段关节：2）长度2000m及以上隧道的两端；3）较长的供电线或AF线连接到接触网上的接线处。3 强雷区应架设独立的避雷线”。而面对具体工程实践上我国研究学者又提出了各自的见解，提出了以平均雷暴日60天为界限，低于界限的地区可以维持现有防雷措施，而高于界限的地区主要通过建设避雷线、降低接地电阻、加大空气间隙，以及增设避雷器的措施。因此国内电气化铁道接触网实际应用的防雷设备和技术存在一定的不足，也暴露了一些问题：

1、部分铁路沿线未按照标准要求架设独立的避雷装置；在强雷区的范围内，仅在设置开关的上网点和绝缘关节处设置避雷器。

2、避雷装置设置的密度不合理，一般主要在变电所、分所区、AT所附近的分相和绝缘关节设置避雷器，而忽略了一些高架桥和空旷的高路堤区段的接触网。

3、我国的接触网防雷设施一直以在重点部位设置避雷器的方式，避雷器一般只对直击雷起到防雷作用，对感应雷则起不到有效的防雷效果。

4、避雷线装置已大面积使用于电力系统的防雷设计，而接触网的机构复杂，需要的可靠性较高，因此避雷线未得到推广。另外避雷器具有体积小、重量轻、结构简单、安装方便等特点；在电气化铁路建设的初期，避雷器起到一定的防雷效果。随着我国经济发展和铁路技术水平和铁路运行安全要求的不断提高，单纯依靠避雷器的防雷技术已经很难满足现阶段的防雷需求。

三、避雷器的设置

我国电气化铁路用避雷器经历了角隙避雷器、管形避雷器、碳化硅阀形避雷器和氧化锌避雷器等几个阶段的发展。现在电气化铁路用避雷器主要是复合外套氧化性避雷器。

氧化锌避雷器主要的工作原理就是：利用氧化锌良好的非线性伏安特性，使在正常工作电压时流过避雷器的电流极小（微安或毫安级）；当过电压作用时，电阻急剧下降，泄放过电压的能量，达到保护的效果。这种避雷器和传统的避雷器的差异是它没有放电间隙，利用氧化锌的非线性特性起到泄流和开断的作用。接触网用氧化锌避雷器具有体积小、重量轻、结构简单、安装方便等特点，其保护水平应与接触网的绝缘水平配合良好，特别是带间隙避雷器的50％冲击放电电压与接触网绝缘子的放电特性一致，且正、负极性的分散性要小；其保护距离应尽可能大；其密封性、防爆性、耐污性、可靠性要求较高。

图一避雷器的典型安装图

虽然避雷器对接触网的防雷起到一定作用，但必须认识到接触网安装避雷器的不足之处和其在整个牵引供电系统防雷保护作用的局限性。接触网上安装的避雷器保护范围有限，只能防止其保护范围内的接触网绝缘闪络、机车车顶保护电器动作；接触网用氧化锌避雷器大都采用带串联间隙的结构，其复合绝缘子长度短，污秽条件下的工频电压耐受能力低可能会增加污闪事故率；如大密集安装避雷器则每年的检查和维修工作量较大，维修费用也将大大增加。

综上所述，接触网上安装避雷器的保护距离和发挥的作用有限，只能作为牵引供电系统防雷技术措施的一种补充。防雷与线路所在地形、气象条件密切相关，不同的地域差异较大，同一地域中线路经过的地形不同，防雷效果也有一定差别，因此应在防雷设计时充分考虑这些因素。同时也应清楚认识到，由于雷击发生的时间和地点以及雷击强度的随机性，对雷击的防范难度很大，要达到阻止和完全避免雷击事故的发生是不可能的，只能将雷电灾害降低到最低限度，大大减小被保护的接触网和牵引变电设备遭受雷击损害的风险。在接触网上安装避雷器时，应根据线路及其具体情况，充分分析安装避雷器的利弊，综合考虑技术和经济因素，适量安装。

四、接触网避雷线设置

原铁道部《铁路电力牵引供电设计规范》（TB10009-2005）中的接触网防雷设计要求，对雷暴日小于60日的区域，可以通过安装避雷器的方式实现防雷。而对于处于强雷区的接触网，避雷器只能对安装地点附近区段进行有限保护，对接触网的全线防雷效果不大。在这种情况下，接触网系统需架设独立的避雷线以保证全线的大气过电压保护。

考虑到新建电气化铁路以双线为主，本文仅以两根等高平行避雷线为例计算避雷线的保护范围。两根避雷线外侧的保护范围按单根避雷线的计算方法确定（图1）。2根避雷线之间各横截面的保护范围，由通过2根避雷线Ⅰ、Ⅱ点及保护范围上部边缘最低点O的圆弧确定。O点的高度h0为：

h0=h-D/4p ………………式（1）

式中，h0为2 根避雷线之间保护范围上部边缘最低点的高度（m）；

D 为2 根避雷线之间的距离（m）；

h 为避雷线的高度（m）。

p 为高度影响系数（h≤30m，P=1；30m＜h≤120m，p=）

图二高度为h的两根等高平行避雷线的保护范围