高速铁路牵引供电接触网雷电防护

高速铁路牵引供电接触网雷电防护

刘超

中车唐山机车车辆有限公司资源管理部 064000

摘要：在高速铁路的稳定运行中，牵引供电系统接触网的防雷性能起到十分重要的作用。如果防雷系统效果不佳，那么对高铁线路的稳定运行是十分不利的，不仅仅会增加旅客乘坐的不舒适感，严重的会威胁到高铁线路的安全性。在高速铁路牵引供电系统的日常运营维护过程中，雷击故障已成为该系统的主要故障之一。本文即从高速铁路防雷体系概念及雷害主要特征入手，分析了我国高速铁路牵引供电系统防雷体系存在的问题，最后探讨了高速铁路牵引供电接触网雷电防护措施。

关键词：高速铁路；牵引供电；接触网；雷电；避雷线

引言：在高速铁路牵引供电系统当中，接触网是最重要的组成部分之一，就目前的情况来看，大部分接触网都处与裸露的状态，而且后备能力也比较弱，在相应的防雷保护措施方面也严重缺乏，这些情况都会给绝缘子造成一定的损坏，进而会造成跳闸现象的发生，不但会给电气设备造成一定的损伤，而且还会给整个铁道的正常运营造成非常严重的影响，因此务必要十分重视高速铁路牵引供电接触网的防雷问题。

1. 高速铁路防雷体系概念及雷害主要特征

1、防雷体系概念

高速铁路牵引供电设备主要包括变电设备、接触网设备以及远动系统设备。其中，变电设备主要包括变电所、开闭所以及分区所三种。铁路牵引供电设备的作用是确保不间断行车可靠性供电，也就是说，铁路牵引供电能力只有在与线路运输能力相匹配时，方能满足列车密度、运行速度以及重量的具体要求。当前，随着我国高铁电力信息技术的不断发展，变电所的防雷技术取得了重大的进步，已经趋于完善，但是避雷设施的安装却是短板，只在关键位置安装了避雷设施，最常见的是隧道口两端和变电所入口位置。高速铁路一般都建造在高架桥上，用于跨越河流或深谷，而高架桥上的接触网支柱却均是通过桥墩内部的钢筋结构接地等，这种方式会使得接地电阻存在一定的不合格率，绝缘闪络现象便由此出现。因此，应加强对避雷设施安装位置的研究，可在高架桥的两段进行安装。

2. 雷害的类型及主要特征

天气、地形和地质都会对雷电的效应产生影响，雷击会导致供电线路发生跳闸问题，这种跳闸主要分为两种类型，一种是直击雷，顾名思义就是雷电直接击中线路；第二种是感应雷，即是指雷电击中供电线路周围地面，由于电磁感应的作用，供电线路发生跳闸。雷害的主要特征有以下三个：

一是季节性。每年的5～9月为雷雨季节，高速铁路的跳闸事件也多发生在这个季节，尤其是8月份，可谓是一年当中跳闸事件发生最频繁的一个月。

二是地域性。这是指在高雷区、强雷区的供电设备发生频率较高，而在其他地区的供电设备则不易发生雷电跳闸事件。

三是同一区域的差异性。即使在同一区域，其地理环境和运行环境不同也会导致雷击概率发生的差异性。一般而言，处于平原地区高架桥上的高铁线路发生雷击事件的概率是最高的，而同一地区的有些地方因山体和隧道遮挡，则不易发生雷击。此外，有些的高铁线路虽然处在强雷区，但是由于地理环境和接触网设备安装位置的不同，使得其遭受雷击的概率也会较低。

2. 我国高速铁路牵引供电系统防雷体系存在的问题

1. 在直击雷防护方面存在不足

当前，牵引网和变电所是组成高铁牵引供电系统的主要部分，而在雷击防护技术方面，变电所是要由于牵引网的，牵引网的直击雷防护技术还有很长的路要走。例如，我国当前主要是从35k V的输电线路入手进行高铁牵引供电系统的防雷设计，而且设计标准也是一句普速铁路进行的。在接触网的防雷线中并未设置避雷针，即使是在安装了避雷针的变电站中，也仅仅是在最为关键的几处位置进行安装。显而易见，避雷针的大量缺失是不利于对直击雷的防护的。而直击雷主要是通过承力索和正馈线侵入到整个接触网中，所以这将是今后防雷技术应着重强化的问题。

2. 在冲击接地电阻方面存在不足

与普通铁路相比，高速铁路具有钢轨泄漏电阻大、牵引电流大以及快速绝缘老化等特点，这十分不利于牵引供电系统的稳定性，对高铁路的正常运行也会产生不利影响。而我国铁路普遍采用综合性的接地方式，这种接地方式无法有效应对雷击，即使泄露一小部分，也会增高铁路的接地电阻，导致绝缘子闪络。

3. 在雷电防护不同需求方面存在不足

我国国土面积辽阔，各个地区的气候的地理环境存在很大的不同，这无疑增加了高铁牵引供电系统的防雷设计的难度。防雷设计需要考虑多个地区的土壤与雷电参数关系。比如，架设高铁线路过程中，由于涉及地域范围较大，经过的线路也多，而不同土壤参数与雷击参数却具有很大的差异性，那么雷击带来的危害性也是不一样的。但是当前我国在进行防雷设计中，并为过多考虑这种地域差异性，因而也未达到全面防雷的目标。

4. 避雷器防护效应有极限

通过研究近年来的相关数据发现，避雷器的防护范围有一定的限度，在一些重点设备上安装的避雷器只对绝缘产生一定的防护，但是发生跳闸的概率依然很高。实际中发现，在雷雨天气有些支柱绝缘子会发生闪络，然而与其临近的支柱上就装置了避雷器，却仍然无法保证不装防雷器的支柱绝缘子不发生闪络，由此可见，避雷器的防护效应是存在范围极限的。

3. 高速铁路牵引供电接触网雷电防护措施

在上文当中我们分析了高铁牵引供电系统接触网雷电防护存在的不足之处，这在很大程度上为制定科学合理的接触网雷电防护措施奠定了基础，下面主要从六个方面来阐述高铁牵引供电接触网雷电的防护措施。

1. 选择恰当雷电防护方法

常见牵引供电网的雷电防护方法为安装避雷器装置、架设避雷线，根据高铁牵引供电系统的实际防雷需求、水平高度、防雷部分选择适当的雷电防护方法即可。其中，安装避雷器方法指在绝缘子装置的两侧优先加设串联间隙避雷器装置，在牵引供电系统运行过程中，系统大部分工作电压将在避雷器串联间隙处进行聚集，有效预防避雷器电阻片加快老化问题的出现。而在系统遭受雷电流打击时，避雷器将避免系统与设备受到高瞬态过电压的危害，限制其续流幅值。架设避雷线方法指将牵引供电系统中原有配置的PW线抬升至F线上部区域，从而发挥避雷线的引雷防护作用，避免雷电流击穿系统所配置的一次设备、二次设备。

2. 正馈线与雷击承力索防护

在正馈线与承力索雷电防护设计层面上，应根据牵引供电系统的实际运行情况与配置结构，以常规的110kV电力系统为设计模板，灵活采用提升保护线、加设回流线、配置适当种类避雷针装置等设计措施，向正馈线与承力索提供必要雷电防护。例如配置铠装电缆的馈线，并在馈线上安装避雷器，馈线、相连设备可承受更高的脉冲过电压。从牵引供电网防雷保护系统实际运行角度来看，在中国哈大线中，采用了避雷针防雷措施。而在海南东环线中，则根据牵引供电网防雷需求，针对性采用提升回流线工作温度的措施，使其具备避雷针防雷功能。

3. 避雷线及雷击保护线过电压保护

升高保护线是一种常见的雷电防护措施，可为承力索以及正馈线提供雷电防护。但在采用升高保护线或加设避雷线措施后，将会改变接触网以及正馈线的直击雷防护形式，具体所转变形式为感应雷防护与反击雷防护。其中，感应雷防护指避雷线在遭受雷电流打击时，接触网以及正馈线将会产生感应雷防护。而反击雷防护指支柱或避雷线遭受雷电流打击，正馈线以及闪络T线绝缘子将产生反击雷防护。在接触网与正馈线的雷电防护形式转变为反击雷防护时，需根据实际情况适当调节牵引供电系统的局部区域接地电阻，或对支柱独立接地极与避雷器进行适当增强，从而向避雷线、雷击保护线提供过电压保护。

4. 绝缘子防护

在牵引供电系统遭受雷电流打击时，绝缘子装置在过电压作用下，极易出现闪络现象，进而受闪络工频影响而导致装置损毁，或遭受永久性损伤，不但产生了新的牵引供电系统风险源，同时，也造成了严重经济损失，需更换全新的绝缘子装置。针对这一问题，应选择安装避雷器/避雷针这一防雷保护措施，在水平绝缘子或悬式绝缘子装置的两端设置间隙避雷器。基于雷击闪络可对位置进行精确定位，同时发挥疏导工频电弧的作用，因此应确保绝缘子装置不会在闪络工频影响下出现严重损伤问题。但在采取这一雷电防护措施时，将会对牵引供电系统的线路抗雷性能造成降幅影响。在系统遭受雷电流打击时，可能产生跳闸现象。

5. 注重雷电监测，实行差异化防雷

雷电监测系统利用现代化信息技术，具有全自动化和实时在线的优势，更便于对高铁线路进行大面积的实时监测，这也是当前比较科学有效的雷电监测方法。但是其适用性和准确性仍然需要进一步加强。最为科学的方式便是从不同区域的实际情况考虑，依据一定的标准划分区域，再这个基础之上实行差异化针对性强的雷电防护对策。除此之外，还应从雷电参数入手，设计针对直击雷和感应雷的防护对策，真正实现防雷的差异化。

6. 加强避雷线、避雷器的安装

可通过在接触网上安装避雷线或避雷器的方式来提高高铁接触网的防雷水平。尤其是发生雷击事件时，要及时合理的设置避雷线的相关参数，这样才能防止接触网发生跳闸，保护绝缘子不发生意外。避雷线架设之前要摸清楚线路的实际状况，按要求架设在在柱顶2.5米以上高度。另外，安装避雷器也是提高接触网防雷效果的重要手段，避雷器的安装依然要从线路的实际情况出发，对避雷器的安装密度进行合理设计，并做好相关试验，确保避雷器能够正常稳定运行。工作人员还应对接地系统进行定期巡查，发现老化的线路或者故障设备，要及时处理，为高铁线路的正常运行保驾护航。

结束语

在高速铁路运行过程中，其接触网经常会发生雷击事故，造成一定的经济损失和安全事故，这就要求相关的管理部门和工作人员应该对防雷技术进行更加深入的研究，更好地确保接触网的安全稳定运行，有效促进我国高速铁路行业的可持续发展。

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