京滬高鐵接觸網防雷問題的探討

蘇冬冬 上海鐵路局調度所

1 概況

京滬高速鐵路是客運專線鐵路網規劃四縱、四橫快速客運網中的南北向主骨架，它北起北京南站，南至上海虹橋站，正線全長1 318 km。全線244座橋梁占線路總長約80.5%，22座正線隧道占線路總長約1.2%，其余為平均高度6 m左右的高路堤和路塹。正因為京滬高鐵地勢較高，在華東地區的雷雨季節很容易遭受雷電侵襲，由于鐵路運輸的特殊性，雷擊一旦引起接觸網發生損壞、故障往往恢復時間很長，必將嚴重影響正常的鐵路運輸。如何避免或減少接觸網在雷雨季節的跳閘，減少對運輸的影響，是值得我們研究的重要課題

2 接觸網防雷現狀

京滬高鐵設計規劃書中規定：京滬高速全線為高雷區，按照設計規范要求并進一步提高接觸網運行的安全可靠性，擬在下列重點位置設置避雷器：1）供電線上網點處；2）隧道出入口處。避雷器采用氧化鋅避雷器，避雷器的接地一般納入綜合接地系統。可以看出高鐵接觸網線路的防雷措施并無很嚴格的規定，設計規范規定的避雷裝置的設置地點很有限，對于一般高雷區只采用局部關鍵點設置避雷裝置進行接觸網防雷。

雖然設置避雷器對提高接觸網的防雷擊水平有一定作用，但必須認識到接觸網安裝避雷器的不足之處和防雷保護作用的局限性。實際運行狀況表明，接觸網線路的防雷保護措施和效果并不理想，如何有效的對接觸網線路進行防雷，盡可能減少接觸網線路因雷擊造成的危害和損失是值得我們研究的課題。

3 接觸網遭受雷擊危害及造成影響

雷擊發生時，會在接觸網線索上產生過電壓即雷擊過電壓。當雷擊過電壓超過線路絕緣水平時，接觸網線路發生絕緣閃絡。當接觸網線路發生絕緣閃絡時，雷擊閃絡必然轉化為穩定的工頻電弧，造成接觸網線路跳閘，嚴重時將會發生接觸網斷線事故。根據京滬高鐵相關規定，在接觸網跳閘后，不管重合成功還是強送電成功，都需要對本線和鄰線進行限速，必將會對列車運行秩序造成影響；當故障跳閘造成線路停電，送電不成功或形成故障的，將中斷供電，將對運行秩序造成更大影響，甚至需要取消列車的運行。我們對高鐵遭雷擊跳閘做了統計，如表1所示。

表1 跳閘統計

據不完全統計，2011年7月～8月京滬高鐵（徐虹段）共計跳閘230次，其中214次因為雷擊引起，占跳閘總數93%，其中因雷雨跳閘未重合閘成功8起，直接或間接中斷供電219 min，造成高鐵大面積晚點，部分列車停運，給運輸生產帶來很嚴重后果。

4 接觸網防雷改進措施

4.1 對避雷器的選型和裝設進行改進

4.1.1采用先進的避雷器和避雷器在線監測技術

目前氧化鋅避雷器或串聯間隙氧化鋅避雷器是線路防雷保護的首選防雷產品。但在運行中，避雷器的電阻片因動作次數而老化引起失效，內部受潮或其它缺陷可能導致避雷器運行故障。為保證避雷器安全可靠運行，近年來避雷器在線監測器逐步推廣使用。避雷器在線監測器是將避雷器放電計數器與泄漏電流檢測功能整合在一起的監測裝置，通過巡視監測裝置的計數器動作次數和避雷器運行漏電流值，可以及時掌握避雷器的動作情況和運行性能。

4.1.2 避雷器安裝失效脫離器

在避雷器故障時，脫離器動作，使故障避雷器立即與其保護的線路斷開，從而保證線路及時恢復供電。

4.1.3 增加接觸網避雷器的設置點和降低接地電阻

因接觸網無避雷器的距離過長，避雷器保護動作時間滯后，以及接觸網的絕緣承受雷擊過電壓時間過長，再加上雷電波在傳輸過程中的折射、反射引起電壓升高，綜合導致設備損壞。為此，在電氣化鐵路設計中，對避雷器的設置點，應充分考慮距離因素，減少接觸網設備承受雷擊過電壓時間，減少雷擊設備故障發生。通過對歷年雷擊跳閘數據分析，可以判斷出雷擊發生的范圍，從中確定多雷區和易擊點區段，適當增加避雷器設置點，可以顯著降低雷擊跳閘率。

4.2 優化接觸網結構布局

接觸網架設點多線長，接觸網上安裝的避雷器保護范圍有限，只能防止其保護范圍內的接觸網絕緣閃絡，無法保護接觸網線路的全長；接觸網用氧化鋅避雷器大都采用帶串聯間隙的結構，其復合絕緣子長度短，污穢條件下的工頻電壓耐受能力低可能會增加污閃事故率，如大密度安裝避雷器則每年的預防性試驗和維修工作量極大，維修費用也將大大增加。在避雷器遭受到雷擊，絕緣擊穿造成接地時，避雷器外部往往并無明顯的損壞痕跡，給故障的排查和搶修造成不便，客觀上延長了故障處理的時間，增加接觸網避雷器在雷擊的情況下并不能很好的起到應有的作用。經過比較，優化接觸網結構，全線架設避雷線還是可取的。

在架空輸電線路上多采用保護角來表示避雷線對導線的保護程度，保護角是指避雷線同外側導線的連線與垂直線之間的夾角，如圖1：角α越小，導線就越處在保護范圍的內部，保護也越可靠。在高壓輸電線路的桿塔設計中，一般取α=20°～30°，就認為導線已得到可靠保護。

圖1 避雷線的保護角

結合架空輸電線路上采用保護角的原理，在接觸網線路上方全線架設避雷線，避雷線采用柱頂方式安裝，安裝示意圖如圖2所示。

圖2 避雷線安裝示意圖

支柱本體高度EF=8.0 m，橫腕臂（承力索）高度AF=6.78 m，承力索與正饋線的水平距離大約4.0 m，如圖2，我們取AB=2 m，則：

當 α =20°時 ，CA=ctanα*AB=ctan20°*2=2.747*2=5.494m

當 α =30°時 ，CA=ctanα*AB=ctan30°*2=1.727*2=3.454m

則EG=AF+CA-EF

當 α=20°時，EG=AF+CA-EF=6.78+5.494-8.0=4.274m

當 α=30°時，EG=AF+CA-EF=6.78+3.454-8.0=2.234m

EG的取值范圍是2.234～4.274

由計算數據可知：在既有支柱上焊接2.234～4.274 m高的桿架設避雷線，即可防護包括支柱上設備和包括沿線接觸網在內的所有設備。

架空地線間架與接地引線連接，通過支柱底部接地孔接地。保證雷擊過電壓及時通過接地引下線泄露至大地中，從而有效防止直擊雷。

5 結論

由于雷擊發生的時間地點以及雷擊強度的隨機性，對雷擊的防范難度較大，防雷應根據實際運行情況深入研究有效的措施進行改進，防止接觸網雷擊跳閘，以大大降低接觸網故障，運輸安全才勢必會更有保障。本文在接觸網支柱頂部架設避雷線效仿高壓輸電線路的做法，結構比較簡單，實現起來很方便。