高速鐵路接觸網綜合防雷對策分析

盧澤軍，谷山強，馮萬興，趙 淳，嚴碧武，蘇 杰

0 引言

國內高速鐵路（下文簡稱高鐵）里程已經突破1 萬km，超過世界其他國家高鐵里程的總和。高鐵最高行駛時速達350 km，列車安全可靠運行顯得至關重要。高鐵供電系統由變電所（包括分區所、AT 所、開閉所等）和牽引網組成，變電所的防雷技術較成熟，牽引網多未采用雷擊防護措施。高鐵的高架橋路段長度約占總里程數的80%，牽引網導線對地平均高度達到25 m，牽引網引雷范圍較普通鐵路大大增加，遭受雷擊的概率也大幅提高。2011 年7—8 月，京滬高鐵徐州東至虹橋區段牽引供電系統接觸網雷擊跳閘214 次，占總跳閘次數的93%，造成供電中斷219 min。雷電災害已成為威脅鐵路運輸安全的重要因素，伴隨高鐵運營里程的迅速增加，預計雷電造成的損失將日趨嚴重。

接觸網絕緣水平僅與電力系統35 kV 配電架空線路相當，耐雷水平較低，必須在重要的線路及桿塔上加裝合適的防雷設施，降低線路雷害風險，保障高鐵安全可靠運行。目前國內外對高鐵牽引網的雷電防護措施已有較為廣泛的研究。本文分析了國內外高鐵防護技術的現狀，對比研究了各種防雷措施的技術經濟性，結合國內高速鐵路實際情況，提出了防雷措施的配置原則。

1 國外高速鐵路防雷對策

德國和日本是目前世界上高鐵較為發達的地區。二者的高鐵線路所處地形、地區雷電活動情況有所差異，防雷對策也有較大差異。

1.1 德國

ICE（城際快線）是德國鐵路網上最快最舒適的旅行交通工具，時速達320 km，高鐵網遍布德國各地。德國鐵路實際測量結果表明，接觸網每百公里每年可能遭受1 次雷擊，因此，在接觸網的防雷設計中，沒有考慮直擊雷的防護，僅在重要節點加裝避雷器來限制感應雷擊過電壓。由于雷擊次數少，采用自動重合閘的手段，完全能夠滿足可靠供電的要求。歐洲整體雷電活動較低，高鐵防雷措施較簡單。

1.2 日本

日本是世界上第一個建成實用高速鐵路的國家。1964 年10 月1 日東海道新干線正式營業，代表了當時世界第一流的高速鐵路技術水平，標志著世界高速鐵路由試驗階段跨入了商業運營階段。

日本是一個島國，落雷密度和數量均較內陸國家多，為保障新干線安全運行，加裝的防雷設施較為完善，針對不同區段電氣化鐵路的雷擊頻度及其重要程度，日本將鐵路劃分為3 個區域，即A 區、B 區、C 區，各區采取的防雷措施見表1。

表1 日本電氣化鐵路接觸網防雷措施一覽表

2 國內高速鐵路防雷對策

國內高速鐵路牽引供電系統采用AT 供電方式。牽引變電所的進線電源為交流220 kV，出線電壓為交流2×27.5 kV，作為中性線的PW 線與牽引變壓器低壓側的中性點和鋼軌相連，T 線和F 線相對中性線的電壓均為27.5 kV，但是相位相反。線路防雷設計主要參考《高速鐵路設計規范》（TB10621-2009）和《鐵路電力牽引供電設計規范》（TB10009-2005），全線幾乎沒有架設避雷線，僅在線路的一些關鍵部位裝設了避雷器。

（1）隧道口。隧道內部接觸網與隧道壁距離較近，絕緣水平低，容易出現雷擊造成的隧道壁放電現象，為防止外部過電壓的侵入，在隧道口兩端各裝設了一支避雷器。

（2）高架橋。高架橋上接觸網支柱通過橋墩中的接地引下線和內部鋼筋結構接地，接地電阻較高，一般在高架橋兩端裝設避雷器，防止雷擊高架橋上接觸網產生的過電壓（圖1）。

圖1 高鐵高架橋接地系統示意圖

（3）重點關節。對于高雷區及強雷區，防雷設計規定下列重點位置應設避雷器：分相和站場端部絕緣錨段關節、較長的AF 線連接到接觸網上的接線處。

4) 人臉識別定位。隨著人工智能技術的快速發展，對視頻圖像的識別分析已能得到很好的應用。在人臉識別上能做到快速捕捉和檢索識別，可采購設備投入實際應用。人臉識別作為高精度的個體識別，具有自然性和不被被測個體察覺的特點，得到廣泛應用。該定位方式的優點是識別準確，識別覆蓋面廣；缺點是對商圈的投入成本和租用維護要求高。

3 高鐵防雷措施技術經濟性分析

目前高鐵系統用到的防雷措施主要有3 種：架設避雷線、安裝并聯間隙、裝設避雷器。

3.1 避雷線

電氣化鐵路上方架設避雷線可以對接觸網起到一定的屏蔽作用，降低直擊雷危害風險。當有避雷線存在時，由于避雷線與接觸網導線之間的耦合作用，可以削弱雷電壓幅值的大小。這樣，在一定程度上，避雷線不僅有效降低了接觸網遭直擊雷擊的概率，而且也降低了絕緣子因感應過電壓而擊穿閃絡的概率。

目前國內高鐵接觸網沒有單獨架設避雷線，對于避雷線的架設方案有3 種：

（1）無加強線區段增設避雷線。在支柱頂部設置高度為1m 的地線肩架，新增1 根架空地線。該方案較簡單，防護效果好，每公里造價2 萬元左右，但支柱整體承重增加，存在一定的安全隱患。

（2）有加強線區段，加強線暫時退出運行兼作避雷線。由于加強線處于接觸網的最高位置，其落雷概率遠大于接觸懸掛和正饋線。可以去除加強線與接觸懸掛之間以及變電所出口附近加強線與T 線之間的電連接，并在每個加強線固定點處將加強線支柱絕緣子短接，同時路基區段還應在支柱與絕緣子內預留的接地螺栓間增設電氣連接線，以便為雷電流提供可靠的泄流通路。接地的加強線可對正饋線和接觸網起到一定的屏蔽作用，可有效減少雷擊跳閘率。

3.2 并聯間隙

絕緣子閃絡后跳閘一般都可以通過自動重合閘恢復供電，但絕緣子本體的破壞是永久性的。牽引網絕緣子包括棒式和懸式絕緣子，雷擊后絕緣子的燒蝕給線路安全運行帶來了較大隱患。通過在接觸網懸式絕緣子和棒式絕緣子上加裝并聯間隙，當發生雷擊時，放電間隙之間的空氣首先擊穿，電弧不從絕緣子表面經過，因此絕緣子裙片不會因電弧高溫炸裂，從而有效保護了接觸網絕緣子。并聯間隙結構簡單，造價低廉，可以在每個支柱上安裝，每公里造價在1 萬元左右。但由于放電間隙擊穿電壓比絕緣子要小很多，導致接觸網整體絕緣水平下降，雷擊跳閘率將會上升，重要的線路不適合安裝并聯間隙。

3.3 避雷器

線路避雷器在電力系統輸電線路雷電防護方面得到較深入的研究，應用較為成熟，可以用于接觸網的雷電防護。接觸網上安裝的避雷器應體積小、重量輕，在現有基礎上不會明顯增加支柱機械負荷；避雷器應結構緊湊，便于現場安裝和更換；避雷器的保護水平應與接觸網的絕緣水平配合良好，特別是帶間隙避雷器的50%沖擊放電電壓應與接觸網絕緣子的放電特性一致，且正、負極性的分散性要小；避雷器的保護距離應盡可能大。由于接觸網上安裝的避雷器大多位于山區，避雷器的維護和更換不便，對避雷器的密封性、防爆性、機械強度、可靠性都要求更高。

假設每根支柱上都安裝避雷器，在遭受雷擊時，可以認為不會引起絕緣子閃絡，此時的雷擊跳閘率為零，但工程上為了節約資金，希望盡可能少地裝設避雷器而達到盡可能好的防雷效果。對于有確切記錄表明雷擊事故發生的區間，應選擇在山頂、風口等相對突出的支柱，或雷害支柱及其相鄰范圍內位置突出的支柱上安裝避雷器；對于有雷害事故或雷擊跳閘發生，但巡線未發現故障點的區間，應選擇在其中地形地貌相對突出且接地電阻較大的支柱上安裝避雷器；在接觸網閃絡時可能會對人員、信號設施、可燃物資等構成威脅的支柱上應安裝避雷器。避雷器單組造價約為3 000 元，按每隔一基桿塔安裝一組避雷器計算，每公里加裝避雷器改造費用為3 萬元。

表2 為接觸網3 種典型防雷措施技術經濟性對比分析表，對于新建的高鐵線路，建議在重雷區一次性全線架設避雷線，對于已建成的高鐵線路，建議地形地貌相對突出且接地電阻較大的支柱上安裝避雷器，并聯間隙的安裝應慎重選擇。

表2 高速鐵路防雷措施技術經濟性對比一覽表

4 國內高速鐵路接觸網防雷體系的改進

4.1 雷電監測與雷電活動分析

在國內，《鐵道電力牽引設計規范》中明確提出對接觸網大氣過電壓的防護應根據雷電活動情況和運行經驗綜合考慮，但一直以來由于雷電監測資料極其缺乏，雷電參數單一，雷電活動多以經驗判斷，雷電防護存在較大盲目性。雷電定位監測系統是一套全自動、大面積、高精度、實時雷電監測系統，該系統以電磁遙測法為基礎，采用GIS（地理信息系統）、GPS（全球衛星定位系統）等先進現代技術，可實時監測連續、大片區域內的雷電活動情況，進行雷擊點定位，獲取雷擊發生的時間、位置、雷電流幅值、極性和回擊次數等雷電特征參數。測量的數據一直都是防雷工程界十分依賴又十分缺乏的數據，具有重要的工程與研究應用價值。國內雷電定位監測技術研究始于20 世紀80 年代末，90 年代初第1 套雷電定位系統建成投運，目前國內雷電定位系統經過多年的運行，已經積累了上億個雷電監測數據，將該數據應用于鐵路系統，用于分析高速鐵路沿線雷電活動分布規律，為指導鐵路沿線的重點雷電防護方向，實現鐵路沿線因地制宜、差異化防雷，提高鐵路運輸的可靠性奠定堅實的基礎。

4.2 雷害風險評估與差異化防雷治理改造

在分析接觸網雷擊閃絡特性時，需重視雷擊閃絡特性與雷害風險的空間差異性。根據支柱本身的雷電分布特征、接地電阻值、地形地貌、絕緣水平等空間差異性，逐級對線路桿塔進行風險評估，確定風險等級偏高、有較大潛在雷害風險的支柱，基于該思想的評估結果能更符合運行經驗，便于指導防雷改造。根據國內電氣化鐵路的運行統計，接觸網防雷保護措施分為2 種情況：平均年雷暴日在60 d 以下的線路，運行情況良好，雷擊事故較少，可按TB10009-2005 執行；平均年雷暴日在60 d 以上的線路應采取特殊防雷措施，并根據下列條件研究防雷治理改造方案：

（1）鐵路通過地區的雷電活動強度和當地電力部門的運行經驗；

（2）該地區地質結構與地形地貌等條件，以及土壤電阻率大小；

（3）鐵路線路等級及重要程度。

[1] 范海江，羅 健.鐵路客運專線接觸網防雷研究[J].鐵道工程學報，2008，8：79-83.

[2] 李群湛，連級三，高仕斌.高速鐵路電氣化工程[M].成都：西南交通大學出版社，2006.

[3] 劉明光.接觸網防雷簡化分析[J].鐵道學報，1996，18（6）：122-124.

[4] 曹曉斌，熊萬亮，吳廣寧，等.接觸網引雷范圍劃分及跳閘率的計算方法[J].高電壓技術，2013，39（6）：1515-1521.

[5] 周利軍，高峰，李瑞芳，等.高速鐵路牽引供電系統雷電防護體系[J].高電壓技術，2013，39（2）：399-406.

[6] 邊凱，陳維江，沈海濱，等.高速鐵路牽引供電接觸網用帶間隙避雷器的研制[J].中國電機工程學報，2013，33（10）：200-209.

[7] 邊凱，陳維江，王立天，等.高速鐵路牽引供電接觸網雷電防護[J].中國電機工程學報，2013，33（10）：191-199.