铁路牵引供电接触网防雷技术研究

铁路牵引供电接触网防雷技术研究

刘宇红

神华准能大准铁路公司朔州公司内蒙古准格尔旗010300

摘要：随着铁路行业的迅速发展，人们的生活越来越离不开便捷高速的铁路运输方式，并对其安全性提出了更高的要求。电气化铁路是以电能为牵引动力的一种现代化交通运输工具，在其设备维护的过程中，牵引供电系统是否正常运行显得尤为重要，如果被雷击中损失巨大。因此，雷击是引起牵引供电系统故障主要原因之一。鉴于此，本文阐述了雷电对铁路牵引供电系统以及铁路运输安全造成的威胁，浅析了雷电防护中存在的问题，并对雷击所导致绝缘子闪络的原因进行了分析，提出了一些改善优化铁路牵引供电系统防雷体系的建议。

关键词：铁路；牵引供电系统；防雷技术

引言

交通运输与经济发展有着直接的联系，当交通运输业较为发达时，经济的增长速度就会更快。目前，在我国大力开展交通运输建设之后，铁路发展越来越迅速。然而，铁路牵引供电接触网雷电防护却是铁路建设中的一大难题。由于雷击为铁路牵引供电接触网造成的损害极大，严重的威胁着铁路的安全，不仅造成了铁路乘客的伤亡，也严重影响了我国铁路的发展，不利于我国经济的进步。为了解决铁路牵引供电接触网的安全问题，就必须对接触网遭雷击状况进行分析，并制定合理的措施进行防护，从而增强接触网的安全度。

1.牵引供电系统的简介

1.1铁路引入牵引供电系统

电力牵引是一种新型的铁路牵引动力的形式，在城市交通运输中，电力牵引是使用最为广泛的牵引方式，将电能转换为机械能以驱动列车的前进，铁路动车组和城市轨道交通车辆的运行形式就是以电力牵引为主。

1.2电力牵引特性

1.2.1牵引电机本身没有燃料的消耗，可以使用再生能源，电力牵引供电系统与大容量电气系统对接，电能总量是有保证的

1.2.2电力机车动车组的启动加速系统具有承载能力强等特点，可满足所有的现代交通运输工具快速运行所需要的运输动力

1.2.3造成的空气污染和环境的噪声影响比较小，有利于改善交通区域的环境条件

1.2.4电力牵引供电系统的工作效率较高，远远超越著名的蒸汽机车牵引动力系统，比后来的内燃机机车牵引系统还要优异。

1.2.5电力牵引系统广泛应用微电子技术，更有利于实现信息的自动化，实时检测故障，并对电力系统进行监测和远程控制，可以实现驾驶自动化，从而大大提高了工作效率。有利于促进铁路电气化的发展，从而推动了运输业的发展。

1.3牵引供电变电牵引系统

电力牵引供电系统主要包括电力系统和变压器，通过这些结构来控制开关电流或转换的交流电频率，提供交流或直流电源，并对机车提供足够的牵引力，所有形式的传输相交流电牵引系统都是来自于变电站单相供电网络，通过电源线连接轨道电路和回线等等，目的都是为了使电能有效可靠的服务于电力机车。我国牵引电力系统的结构为额定电压是25kV的电源回路经过牵引站、电源线的电力机车接触轨道返回牵引供电变压器。

2.接触网供电系统简介

2.1接触网的形式主要应用于铁路轨道控制系统，沿着高压电线来进行传输。接触网与主框架通过电气化工程架构，沿铁路电力机车供电网络进行电力传输。接触网主要由悬挂支撑装置和定位装置等组成，支柱部分和接触网主要包括以下内容:

2.1.1基本单元，如水泥柱、钢柱等基础的支撑结构;

2.1.2基于元件的安装结构，主要是网络元件的连接导线和接触的基础部分;

2.1.3接触网导线，这部分的功能主要是传输电力;

2.1.4其他辅助部件，包括悬挂，接触网通过地面与轨道回流线组成的牵引网。

2.2接触网电压，50Hz频率的25kV单相交流电。

2.3电力系统接触网络的供电方式

2.3.1单边供电

供电部分只从一个牵引站获得能量，相邻供电臂上以相对独立灵活的方式，在没有电气连接的情况下完成牵引工作。如果电源区出现故障，则他的影响规模比较小，对变电站供电保护装置的要求也相对简单，因此它的应用也更广泛。

2.3.2双边供电电源系统

每个区域的同时从两个牵引变电站获得能量，它能够有效提高接触网电压，减少功率损耗但出于对设备、开关、电源和分区亭的保护，出现问题后影响的范围可能更大一些，使用范围比较狭窄。

2.3.3大范围的越区供电

当一个牵引站供电系统出现电源故障时，对牵引变压器的电源实行临时保护措施，并通过分离单元、开关设备等，将相邻的供电臂连接，实现对停电区域的供电。越区供电的主要特点是主变压器大负荷工作，安全性和供电质量方面还不尽如人意，因此只在很短的时间为供应区服务，是运输方面供电系统的临时代替措施

2.4接触网的特点和供电要求

电接触网络系统内的牵引变电站可以直接为高铁运输系统提供重要的动力，因此接触网络的质量和运行状态直接影响了电气化铁路的运输能力。由于接触网是露天安装的，电路上的负载和电力机车沿接触线的变化比较复杂，所以我们对接触网的供电系统提出以下要求:

2.4.1在高速运行和恶劣的气候条件，要保证正常的电力机车电流收集线接触臂的弹性、稳定性和足够坚固的机械结构

2.4.2接触网设备和零件有互换性和足够的耐磨、耐腐蚀，延长设备的使用寿命

2.4.3要求接触网对地绝缘，保证安全性和可靠性

2.4.4设备结构尽量简单，便于施工，有利于操作和维修，在出现事故的情况下方便维修和快速恢复供电

2.4.5尽可能降低成本，特别是要节约有色金属和钢铁的使用量。

3.雷电对列车安全造成的威胁

如果牵引供电系统被雷击中将会导致列车的供电被中断，造成列车被迫停运，甚至会直接导致列车事故，造成人员的伤亡和较大的经济损失。在铁路运输史上，由于雷击造成的列车事故历历在目，其中“7.23”甬台温特大铁路交通事故从开始到结束的七分钟内，雷击累计次数竟然达到近百次。有关专家分析这次事故，当时牵引供电系统的电力荷载能力达不到列车运行需要的电力系统的要求，引发了单相接地系统的跳闸，而且当时铁路沿线的高架桥众多，雷击概率陡然增大，导致绝缘子被破坏严重，短时间内跳闸密集爆发。牵引供电系统雷击防护管理不到位，会引起绝缘子击穿爆炸而导致长达数小时的铁路运输中断，给铁路运输带来巨大的经济损失和安全风险。因此，雷电对铁路运输的威胁是不可忽视的。

4.防雷体系以及缺陷

4.1防雷体系

普速列车牵引供电设备包括变电设备（变电所、开闭所、分区所）、接触网和远动系统。牵引供电设备应保证不间断行车的可靠供电。牵引供电能力应与线路的运输能力相适应，满足规定的列车重量、列车密度和运行速度的要求。虽然变电所的防雷技术非常完善，但是只在线路的变电所入口，隧道口两端等关键部位安装了避雷装置。铁路通常用高架桥的方式跨越河流和谷地，高架桥上的接触网支柱一般都通过桥墩里面的接地引下线以及内部钢筋结构接地，在这种情况下接地电阻有一些是不合格的，所以为防止雷击高架桥上的接触悬挂系统过电压导致的绝缘闪络，需在大桥两端安置避雷设施。

4.2铁路接触网防雷设计缺陷

除了在部分关键处安装避雷器，几乎全线不安装避雷线。我国铁路运行线路中高架桥非常多，高架距离非常广，很多高架桥处接触网对地高度和110kV架空线路的对地高度相似，在没有避雷线的情况下，接触网系统遭受雷击的危险性很高。直击雷进入接触网的路径主要有雷击正馈线、雷击承力索、雷击保护线等。通过测试可知，牵引网雷击正馈线悬式绝缘子雷击闪络几率要比腕臂绝缘子雷击闪络概率高。据有关数据表明，雷击正馈线绝缘子的几率超过了T线绝缘子的三十倍。导致这种现象出现的原因就在于，正馈线位于承力索的外侧，且其设置的位置也高于承力索，故而在发生雷暴天气的状况下。正馈线遭受到累计的概率要高于承力索。当今防雷系统就是通过在线路的关键位置安装避雷设施以防止直击雷和感应雷的袭击，但是效果都不好，尤其是面对直击雷的袭击。很多铁路都发生过连续多个避雷器动作，但是变电所依旧出现跳闸，其原因就是沿线接地电阻大，避雷器残压太高。铁路运输中，列车牵引引起的电流短路时有发生，具有在钢轨产生电阻泄露的特点。因此，地面人员在铁路运行过程中触电的情况并不鲜见。为了规避这种触电事故的发生，在技术上采用了多种方式予以预防，如综合接地方式，就是在运行地段打下接地极，按照地线的贯通要求进行接地极的埋设，无论是数量，还是位置，均要符合贯通地点的接地电阻数值要求。例如，如果工频电压波长是6000公里，则供电臂的长度就应该是大约20公里。而且，供电臂的接地要降低综合接地系统的电阻。如果在铁路运行过程中，包括经过河流、山谷等雷电多发地段时，接地电阻达到几十甚至上百个欧，接地电阻劣于工频接地电阻的要求，就很容易发生绝缘子闪络等故障，导致避雷器等设施发生爆炸。还要考虑列车运行对于桥梁等冲击电阻的影响，防止接地钢筋产生的火花或者电感效应等导致的绝缘子的破坏，所有的工作都是要进一步完善和优化工频接地电阻表征以及运行中的接地电阻。铁路沿线的土壤参数以及雷电参数都不尽相同，在不同的雷电危害下，防雷设施应该具有针对性，但目前在运行铁路防雷电的设计中却缺少这方面的研究。

4.2.1直击雷的防护问题

铁路牵引供电系统在电压等级上来说相当于电力系统的35kV，所以在对接触网防雷进行设计时，需参考35kV输电线路的规范，可在整个接触网防雷线中架设避雷线，并对关键的设备加设避雷器。高架桥是铁路的主要结构，高架桥接触网在对地高度上相当于110kV架空线路，因为没有避雷线的保护，使得直击雷很容易危害到接触网。直击雷一般会从三个地方入侵：一是对承力索进行雷击，当雷电入侵后，这时腕臂绝缘子会发生闪络；二是对正馈线进行雷击，入侵之后会导致悬式绝缘子发生闪络；三是对保护线进行雷击，这时就会引起两种绝缘子发生闪络。

4.2.2冲击接地电阻问题

铁路牵引电流普遍比较大，钢轨泄漏电阻也较大，对钢轨电位的要求也不苛刻，造成铁路沿线的维护人员在工作中很容易发生触电事故。并且绝缘的老化速度很快，这就影响了铁路牵引供电系统的正常运行。鉴于此，现在铁路中采取综合接地方式，在部分的地段需要打接地极，并且接地电阻的要求很严格。但在实际的运行中，当遇到雷击，受到雷电流的冲击，在有限的部分发生泄流，引起接地电阻超过正常值，这就导致绝缘子发生闪络现象。

4.2.3不同地区雷电防护要求的差异性问题

在不同的地区，雷电和土壤参数也会不同，在铁路的建设过程中，具有跨度大的特点，线路也比较长，在铁路的一条沿线上，一般会有多种雷电及土壤参数，而不同参数的雷电危害程度也不一样，所以雷电防护就需要进行针对性的设计。但在实际铁路雷电防护设计中，却没有将这种差异性考虑进去，使得雷电防护的措施不够完善，雷电的防护作用无法完全发挥出来。

5.铁路牵引供电接触网雷电防护接触网受到雷击方式的分析和计算

根据国内外对接触网遭受雷击方式的分析和计算成果，可得出以下结论：如果接触网所处的地区的年平均雷电日比较多那么遭受雷击的频度也就越大，一般说来每平方公里大地一年的遭受雷击次数与年平均雷电日数有关系并且成正比。根据国际大电网会议推荐的计算：承力索距离轨面平均的高度为7m，接触网的侧面限界为3m，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，其中Td为年平均雷电日数。接触网遭受雷击时主要产生了过电压，当雷击接触网支柱时，雷电流将会沿支柱入地同时支柱上会产生冲击过电压，过电压值与支柱的冲击接地电阻、雷电流幅值以及支柱等值电感有关，但是为非线性正比。再者雷电通道产生的电磁场变化也会产生与雷电流极性相反的感应电压，并且感应电压的值与雷电流平均值以及接触网导线的高度成正比。冲击过电压和感应过电压的叠加值的大小与接触网支柱的接地电阻有关，接地电阻越高叠加值也就越大，即引起闪络的雷电流幅值和绝缘子闪络概率随接触网支柱的接地电阻增大而增加。当雷击接触网支柱时雷电流沿支柱入地，产生的冲击电压为：U1=R·I+L（dI/dt）式中R———支柱的冲击接地电阻，取R=10Ω；L———支柱的等值电感。接触网遭受雷击时就会产生过电压，如果过电压值达到了接触网所支持绝缘子的冲击放电电压时，就会形成绝缘子闪络，雷电流就会经支柱、接地线和钢轨等入地然后过电压就会随之降低。当遭受雷击时产生过电压，且过电压达到了接触网所支持的绝缘子冲击放电电压时，就会形成绝缘子闪络，而雷电流就会经支柱、接地线和钢轨等部位入地，过电压也会随之降低。

6.优化铁路供电系统防雷体系

6.1正馈线和雷击承力索的防护

线路接触网支柱不应附挂通信、有线电视等非供电线路设施；在设有接触网的线路上，严禁攀登车顶及在车辆装载的货物之上作业；如确需作业时，须在指定的线路上，将接触网停电接地并采取安全防护措施后，方准进行。可以考虑采用抬升PW保护线，专用避雷线，回流线以进行雷击预防。

6.2对绝缘子破坏的防护在雷击过程中，过电压不仅会让绝缘子出现闪络现象，其闪络之后的电弧还会烧蚀，以致使绝缘子永久性毁坏。针对这种情况可以在悬式绝缘子和水平绝缘子两端装置带间隙或者保护间隙避雷器。在绝缘子的两端增加保护距离，可以疏导工频电弧，定位雷击闪络位置，避免绝缘子损害，从而起到保护绝缘子的作用。但是绝缘子的冲击闪络电压削减了线路的抗雷水平，如果加入绝缘间隙就会增加雷击的跳闸概率，因此需要配合高效可靠的自动重合闸系统。

6.3加强雷电监测牵引变电所应采取防雷措施，设置机房专用空调。控制、保护及通信设备，应装有防止强电及雷电危害的浪涌保护器等保护设备，电子设备应符合电磁兼容有关规定。所以，在气象部门借鉴了雷电监测技术，在对铁路走廊周围雷电互动密切监测的基础上，开发出更适合于监测铁路走廊的雷电监测系统，并不断进行了优化，经过统计，获得了列车运行过程中雷电流幅值和地闪密度等相关重要参数。还能对走廊沿线的雷电活动在必要时进行检测预警，划分并记录下铁路雷电区强弱。根据雷电监测体系记录下铁路雷击故障的情况以及雷电活动情况，以供电臂为单位，明确感应雷和直击雷，并兼顾雷电故障信息和雷电流的统计参数，采取各种防护实现对铁路牵引网的针对性防雷。

6.4国内铁路防雷设计概况

国内接触网防雷设计概况：我国在进行电气化铁道接触网防雷设计的时候主要是依据《铁路防雷、电磁兼容及接地工程技术暂行规定》（铁建设[2007]39号）和《铁路电力牵引供电设计规范》（TB10009--2005）的相关规定。根据每年雷电日的数量划分为4个等级区域：第一，少雷区，年平均雷电日在20天以下的地区（含20天）；第二，多雷区，年平均雷电日在20天40天的地区（不含20天）；第三，高雷区，年平均雷电日40天到60天的地区（不含60天）；第四，强雷区，年平均雷电日在60天以上的地区（含60天）。

6.5接触网防雷措施的原则

具体原则分为以下几个方面：①根据铁路客运专线和客、货混线线路不同的供电方式，分别制订防雷原则和措施；②根据区间与站场的不同特点确定接触网防雷措施；③将实际跳闸统计数据和雷区划分相结合；④将站场接触网与站房等防雷措施相结合；⑤将避雷针、避雷线等不同接闪器优势互补、互相结合；⑥因地制宜，根据不同气候、地理等自然条件，设计防雷设施的密度和强度，做到安全和效益兼顾。

7.接触网的防雷建议

为了避免或减少雷击接触网停电造成的经济损失和社会不良影响，对我国电气化铁路接触网进行防雷措施研究是很有必要的。结合以上对雷击接触网的原因分析，同时借鉴国内外在接触网防雷技术方面的研究成果，以及部分防雷技术应用的实践经验，下面对我国电气化铁路接触网的防雷措施研究探讨如下：

铁路客运专线与客货混线铁路不同供电方式分别制定防雷原则；雷区划分与实际跳闸统计数据相结合细化防雷措施；区分区间与站场确定接触网防雷措施;站场接触网防雷措施与站房等防雷措施相结合；既有接触网防雷措施改造与原接触网接地系统相结合;避雷针、避雷线等不同接闪器优势互补、互相结合;接闪器与避雷器“内外防雷击”相结合等。

多雷雨地区，高架桥区段，以及处在本地区空旷平原上的接触网，作为重点进行防雷;区间接触网采用接触网支柱顶端架设避雷线，多雷区段加设避雷针（可采用绝缘或非绝缘避雷线、避雷针安装方式，根据避雷效果和经济技术分析综合确定）;避雷线、避雷针的防雷有效范围根据计算综合确定，本文不再进行详细计算；柱顶布置，可同时对支柱两侧的高压带电部分起到防雷作用，大量减少了直击雷对接触网高压部分的放电；如果采用绝缘子架设避雷线、避雷针并单独接地，更减少了支柱直击雷和反击雷对接触网高压部分的放电，大量减少了变电所的雷击跳闸次数。柱顶架设避雷线、避雷针的支柱与信号设备距离小于15米区段，该支柱顶避雷线应加装绝缘子并且相邻支柱顶加避雷针设单独接地;站场接触网防雷应结合房屋建筑防雷措施，可在站场咽喉区设单柱式避雷针;在架设绝缘避雷线、避雷针等柱外防雷措施的同时，按照接触网所在区域的雷电强度和跳闸统计数据，适当加大避雷器的密度，并结合放电间隙进行预防直击雷。

8.结束语

随着社会的发展，经济的增长，我国综合国力的提升，铁路作为国家政策扶持的重点项目，得到了迅猛发展，满足了经济发展和人们出行的需求，改变了人们的生活。但是，我国铁路牵引供电接触网雷电防护还需要继续发展和提高，才能更好地保证乘客的生命和财产安全。希望通过铁路牵引供电接触网雷电防护的专业技术人员的努力，其的发展会越来越好，越来越快。

参考文献

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