客運專線接觸網避雷器防雷探討

王冀饒

0 引言

電氣化鐵路接觸網沒有備用，易遭受雷擊引起設備損壞或線路跳閘、列車失電，致使運輸中斷。雷擊侵入波過電壓通過接地系統、回流系統傳入牽引變電所或其他系統設備，可能引起設備損壞，造成嚴重事故。客運專線不是經過山頂等容易雷擊地段，但其采用的高架橋架設方案使接觸網系統遭受雷擊的幾率大大增加。目前還沒有成熟的接觸網防雷系統，各條客運專線采用的接觸網避雷器設置和接地方式均有差異。

1 防雷保護的方法

通常防雷采用主動防雷和被動防雷的方法。主動方法包括遮蓋、堵截、隔離，被動方法包括提高設備絕緣水平等。遮蓋是指用避雷針或避雷線在被保護設備上空形成保護傘，保護傘范圍內的被保護設備可免遭直接雷擊。堵截是指在被保護設備的前后安裝避雷器和保護間隙，以降低雷電波的峰值陡度，保護設備的絕緣水平。隔離是指不同接地網之間的隔離，防止高地電位反擊，電氣化鐵路中通信信號設備和牽引供電系統的地網需要隔離。提高設備絕緣水平，可防止設備不被雷擊穿，但雷電波可能侵入相關設備，致使設備損壞。

2 接觸網直擊雷電壓

圖 1描述了雙線電氣化鐵路直供加回流方式下的接觸網電氣幾何模型，其中，M、H分別表示承力索和回流線所在位置；rM、rH、rG分別為雷電先導對承力索、回流線、大地的擊距。按照雷擊接觸網部分的不同，直擊雷過電壓分為雷擊接觸網支柱（或回流線，即擊中圖1中圓弧AB或DE）和雷擊接觸線（承力索，即擊中圖 1中圓弧 BC或CD）2種情況。

圖1 接觸網電氣幾何模型

2.1 雷擊接觸網支柱

當雷擊接觸網支柱或回流線時，由于雷擊點阻抗使其對地電位大大升高，當電壓超過線路絕緣子U50%時，可能引起支柱或回流線對接觸線（承力索）放電，該雷擊閃絡現象被稱之為反擊。參照輸電線路雷電過電壓的計算方法，當雷擊接觸網支柱時，雷電流沿支柱入地并在支柱上產生沖擊電壓U1，其計算公式見式（1）：

式中，R為支柱的沖擊接地電阻；i為雷電流幅值；L為支柱的等值電感。

此時雷電通道的電磁場迅速變化，在線路上產生感應過電壓U2，

產生在絕緣子上的電壓U為沖擊電壓U1和感應電壓U2的疊加，

隨著雷電流的增加，產生在接觸網絕緣子兩端的電壓U隨之升高，其大于絕緣子的U50%沖擊閃絡電壓時，將引起絕緣子閃絡，根據式（3），可以得到接觸網耐雷水平I。

2.2 雷擊承力索

雷擊中承力索時，雷電波向兩側傳播，使導線電位升高，引起絕緣子閃絡。雷電流向兩端傳播，在接觸網上產生過電壓，當該電壓達到腕臂絕緣子的沖擊放電電壓時，絕緣子閃絡，雷電流經支柱、鋼軌入地，過電壓隨之降低。

當接觸網遭受雷擊時，靠近雷擊點的腕臂絕緣子閃絡，由于雷擊電流波形為斜角平頂波，放電時沿絕緣子的閃絡時間t′只能發生在波頭時間內。根據接觸網的等效電路，可以列出該電路的特性方程式（4）：

3 接觸網感應雷擊過電壓

感應雷過電壓主要是由于電磁場的劇烈變化，通過電磁耦合產生。當雷云接近接觸網上空時，根據靜電感應原理，將在線路上感應出一個與雷云電荷大小相等但極性相反的電荷，該電荷將產生一個沿線路方向的電場強度Ex。當雷云主放電開始后，先導通道中的電荷自下而上被迅速中和，相應的電場迅速減弱，使導線上的束縛電荷迅速釋放，電壓波向兩側傳播，因而形成了過電壓。

可以利用電磁場方法計算出雷擊時接觸網的感應過電壓，導線上距離中心點為x處的過電壓為

式中，K′為一常數，一般取25；I為雷電流幅值；H為導線高度；y0為雷云中心到導線中心點距離；x為導線上距離中心點y0的距離。

4 接觸網防雷方式

4.1 架設避雷線

架設避雷線可有效防止雷電直擊接觸網，分流雷電流，降低雷擊時絕緣子上的電壓和接觸線的感應電壓。但采用避雷線有諸多缺點：從增加直接投資成本來看，以每條公里接觸網為例，需要增加1 km避雷線、約25處支撐裝置（肩架、絕緣子等），與接觸網支柱同桿架設則增加接觸網支柱長度1 m左右。初步估算，僅直接投資需增加費用約 9.05萬元，尚未考慮增加避雷線荷載后支柱容量增加引起的費用。以滬杭高鐵為例，雙線300正線公里，如架設避雷線則需要增加投資約2.715千萬元。

4.2 裝設避雷器

避雷器的沖擊放電電壓或殘壓均低于絕緣子的放電電壓，當接觸網遭受雷擊時，在產生的過電壓超過避雷器的放電電壓時，避雷器首先動作導通，釋放雷電流，之后在工頻電壓下呈現高阻，工頻續流截斷，從而保護絕緣子免于閃絡，接觸網系統保持持續工作。目前接觸網系統普遍采用避雷器進行防雷，但避雷器僅能防止雷電過電壓，并不能防止直擊雷。

5 接觸網避雷器的設置和接地方式

根據《鐵路電力牽引供電設計規范》（TB10009-2005）第5.3.1要求，在下列重點地區應設置避雷器：

（1）電分相和站場端部絕緣錨段關節。

（2）長度2 000 m及以上隧道的兩端。

（3）較長的供電線或 AF線連接到接觸網上的接線處。

除此之外在被公路或鐵路橋梁跨越的接觸網兩端和無柱雨棚及天橋的接觸網兩端均應安裝避雷器。考慮到橋梁在客運專線中的比重加大，且長度超過10 km的橋梁越來越多，因此超長橋梁不僅要在其兩端設置避雷器，還應考慮在其中部增設避雷器。客運專線普遍采用電纜供電，因此在電纜與架空線路的連接處應增設避雷器。

接地按作用的不同，分為2類：功能性接地（也稱工作接地）和保護性接地。在避雷器的接地中，設計通常要求進行雙重接地。在實施過程中，雙重保護被理解為2組接地極或是2種不同類型的接地極或 2種不同的接地方式。筆者同意最后一種認識，即雙重接地是指避雷器工作接地和保護接地2種接地方式。圖2為避雷器接地示意圖。

圖2 避雷器接地示意圖

圖2中左側箭頭代表的是工作接地，計數器是串接在工作接地中的，工作接地是避雷器卸載雷電流的通道，應接至獨立接地極。圖2中間向下箭頭代表的是保護接地，是防止在安裝底座（避雷器本體、計數器安裝底座）上產生過高的靜電和感應電流而采取的一種保護接地，可接入PW線或綜合接地系統。工作接地和保護接地應采用電纜接地，且不應共用接地通道。

由于計數器安裝支架不絕緣，計數器和接觸網支柱（鋼柱）之間不絕緣，接觸網支柱作為工作接地的一部分，則應按照《高速鐵路電力牽引供電工程施工質量驗收標準》（TB10758-2010）的要求，避雷器接地極電阻值小于 10 Ω，但與支柱直接相連的綜合接地系統電阻值小于1 Ω。這樣大部分雷電流就可通過綜合接地系統卸載。如果施工單位未嚴格按照防雷設備接入綜合接地系統時，接入點與其他通信信號設備的接地點大于15 m的要求，則有可能造成雷電流侵入通信信號系統而損壞設備。

因此筆者建議將計數器與支柱進行絕緣安裝，以避免發生工作接地和保護接地混接、支柱成為工作接地一部分的情況。

6 總結與建議

由于客運專線在國民經濟生活中的重要性日益加大，人們對于行車安全性和舒適度要求越來越高。如何保證接觸網系統可靠、安全供電，成為接觸網設計更為重要的課題，如何研究、設計一種經濟、可靠的避雷設施日趨緊迫。筆者希望相關規范對避雷設備的安裝作出明確要求，便于設計、施工、運營單位共同使用一個標準，避免因理解的差異而造成誤解。

[1]TB10758-2010 高速鐵路電力牽引供電工程施工質量驗收標準[S].

[2]TB10009-2005 鐵路電力牽引供電設計規范[S].

[3]王常余，鄒躍平.電氣接地防雷190問[M].上海：上海科學技術出版社，2009.

[4]陳家斌，高小飛.電氣設備防雷與接地使用技術[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[5]吳廣寧，曹曉斌，李瑞芳.軌道交通供電系統的防雷與接地[M].北京：科學出版社，2011.