鐵路接觸網的避雷線高度設計策略

穆松林

（中國鐵道科學研究院 北京 100081）

隨著我國高鐵的發展，運營里程不斷增長。未來我國高鐵網絡進一步完善，我國已建鐵路覆蓋全國主要發達地區。高鐵涉及專業廣泛，牽引供電專業逐漸受到重視。高鐵牽引供電系統是向列車提供穩定電能的重要途徑，接觸網設備受到外界因素影響易造成線路跳閘，雷擊跳閘是高鐵線路跳閘主要原因。我國高鐵牽引供電系統接觸網大部分未設置避雷線，隨著我國高鐵的快速發展，一些地區在接觸網上增設專用避雷線。接觸網防雷設計中，避雷線架設高度是關鍵參數，研究接觸網防雷改造措施，有效降低線路雷擊跳閘率，對確保鐵路牽引供電安全具有重要現實意義。

1 鐵路接觸網避雷線防雷研究

我國電氣化鐵路經過多年發展擁有最高速度的高鐵網，高鐵建設不斷拉動沿線周邊城市發展。隨著我國高鐵的不斷建設開通，對鐵路安全運行提出更高的要求，需要牽引供電系統消除安全隱患，要不斷提高接觸網設備質量［1］。接觸網是高鐵牽引供電系統的重要部分，高鐵安全運行受到接觸網狀態的影響。我國采用高架橋形式建設高鐵，接觸網比附近地勢更高，高鐵接觸網跳閘大部分由于雷擊造成。在夏季雷雨天氣里，高鐵接觸網經常被雷電擊中，嚴重威脅動車組安全運行，需要研究高鐵接觸網的有效避雷技術措施。

電氣化鐵路主要由接觸網及變配電組成，接觸網架設在鐵路線路兩旁，接觸網出現設備問題會影響動車組正常供電。接觸網是向電力機車提供能源的設備系統，主要包括支柱基礎、接觸懸掛與定位裝置等［2］。接觸網在自然環境下暴露使用，受限于技術費用，不能有后備系統，要求保證列車正常運行，必須滿足機車設計速度正常受電；設備零部件要具有較高的可替換性，節省有色金屬材料使用。電氣化鐵路接觸網易受到雷擊，雷電是強對流天氣災害，每年造成人員傷亡3000～5000 人［3］。雷電活動對牽引供電系統危害日益嚴重，提高鐵路防雷性能具有重要意義。

雷擊根據形成原因分為直擊雷與感應雷。當前，對雷擊已有全面的認識，但電氣化鐵路專業對雷電傷害原因存在很大空白，隨著我國經濟迅速發展，電氣化鐵路防雷相關理論需要深入研究［4］。雷電高電壓作用在接觸網設備時，會對電氣化鐵路設備造成損害。對電氣化鐵路防雷設置非常必要，可以借助某些設備將雷電能量引導阻截引入大地，降低雷擊過電壓對牽引系統的傷害。接觸網架設避雷線，可以降低雷擊跳閘概率，中鐵公司組織專家論證架設避雷線、確定接閃器為主的防雷原則。我國高鐵接觸網采取防雷措施依據《鐵路牽引供電設計規范》等相關規定。避雷線包原理是，架設在輸電線上方，對下部形成屏蔽作用，抑制雷電在輸電線上形成感應過電壓幅值。

牽引網上方架設避雷線防止雷電流侵害設備，主要理論包括先導與雷電屏蔽理論。雷云向地面發展稱為下行先導，下行先導將隨下行先導在空間位置變化。先導通道下某處因靜電感應作用產生電荷分離過程，先導發展到接近地面進入主放電階段。主放電階段電流是通道下向上發展，通過先導放電開辟電離通道發生電荷中和。先導發展組后階段擊中物體間距離為擊距，先導首先擊中最近物體，要求避雷線線路阻波抗小，雷電直擊避雷線電流通過引流線泄漏到大地，接地電阻大引起對被保護絕緣損壞。

2 鐵路接觸網避雷線設計分析

20世紀60年代，有學者研究建立雷電屏蔽性能分析電氣幾何模型，通過調整避雷線高度可保證為導線有效屏蔽。我國相關規程將滾球法作為標準設計方法［5］。滾球法在EGM模型基礎上演化，鐵路兩邊分布橋梁等復雜情況可以有效推廣，EGM應用需要確定暴露寬度等參數，球體無法觸及處為避雷線保護范圍。

滾球法可以分析避雷線防雷效果，高鐵主要以AT供電方式為主，通過滾球法分析避雷線架設高度，需要選擇合適的高度架設避雷線。單線接觸網下球體觸及保護導線，支柱中心線方向與球體交叉點得到最低架設高度，計算取接觸線較大值為避雷線最后架設高度；利用幾何關系計算得到避雷線高度，避雷線設計高度以較大值為依據；利用滾球沿被保護導線滾動，分析發現按第一類滾球半徑30m計算復線接觸網僅考慮對饋線F線保護；分析得到避雷線設計高度計算方法，單線鐵路需考慮避雷線對接觸線的保護，復雜情況考慮對饋線的保護；滾球半徑與避雷線高度成反比；分析避雷線高度與防雷性能關系選取適合滾球半徑。避雷線高度與滾球半徑的關系如圖1所示。

圖1 避雷線高度與滾球半徑的關系

接觸網架設避雷線后雷電防護性能與接地方式密切相關，大多數接觸網支柱利用埋在地下基礎內金屬部分進行自然接地，沿線經山區接地困難路基路段，利用自然接地電阻較大。鐵路沿線電阻率較高，隨著時間推移，接地電阻不斷增高。雷電強度較小地區采用自然接地時，雷電跳閘率可以滿足規程要求。對支柱接地改造導致投資費用過大，可結合地區雷電活動強度分布提出適合的接觸網支柱接地方式［6］。接觸網支柱通過自然接地方式接地，假設避雷線后易遭受反擊，降低支柱接地電阻是防止反擊的主要措施，提出采用間隔接地改造方式，可以降低工程投資與施工難度。

3 避雷線高度對接觸網雷電防護性能影響

耦合系數是防雷計算的重要參數，采用麥克維斯方程組求解耦合參數，導線耦合系數計算不能直接采用電力系統公式。饋線與接觸網通過絕緣子與地絕緣，計算不考慮支柱壓降，計算得到饋線、接觸線耦合系數。饋線F耦合系數大于接觸線T，F距離接近避雷線，根據所給參數得到饋線耦合系數為0.45左右，饋線與接觸線耦合系數隨避雷線高度增加減小。單線鐵路雷擊跳閘率詳見表1。

表1 單線鐵路雷擊跳閘率

計算單復線鐵路雷擊跳閘率隨避雷線高度變化情況，復線鐵路接觸線T 線雷擊跳閘率為0，復線鐵路饋線繞擊跳閘率為單線鐵路饋線的2 倍。表2 為單線鐵路雷擊跳閘率。避雷線引雷范圍大導致反雷擊跳閘率增加。根據我國防雷相關規范劃分滾球半徑。避雷線高度設計中可以采用規程推薦滾球半徑計算，避雷線高度計算結果見表3，雷暴不頻繁地區可降低避雷線設計高度。

表2 單線鐵路雷擊跳閘率

表3 避雷線高度計算結果

4 鐵路接觸網避雷線接地方式分析

接觸網架設避雷線后，雷電防護性能與接地方式有關，目前，大多數接觸網支柱利用地下基礎金屬部分自然接地，沿線經山區接地困難路基鐵路土壤電阻率達3000Ω·m 以上。接地方式不同，安裝地點電阻不同，利用自然接地對接地電阻較大，隨著時間推移，接地電阻增高。有些地區雷電強度弱，采用自然接地雷擊跳閘率可以滿足規整要求。支柱進行接地改造造成工程建設不合理?？梢越Y合地區雷電活動強度分布等提出適合的接觸網支柱接地方式。

鐵路避雷線接地可采用間隔與部分絕緣改造方式，接觸網支柱通過自然接地電阻較大，接觸網支柱形式確定后，支柱接地電阻值影響接觸網反擊耐雷水平。降低支柱接地電阻措施為增加接地極數量。提出采用間隔接地改造方式，可以降低工程投資與施工難度。雷擊支柱有80%以上雷電流通過支柱分流，易造成地電位反擊。未進行接地改造支柱接地電阻較大，提出避雷線采用部分絕緣架設方式，避免接觸網遭受反擊。采用部分絕緣改造實施是對未接地改造支柱采用絕緣架設方案。避雷線采用非絕緣架設，通過金屬肩架支撐，支柱采用絕緣架設方案可以避免雷線通過鋼支柱接地。

避雷線采用間隔接地改造間距影響防雷性能，自然接地電阻不同，選取電阻R=30～120Ω的情況進行研究，對未解答改造支柱編號。避雷線架設采用接觸網支柱間隔接地，不同電阻率地區采用不同間隔接地改造，改造后，支柱反擊耐雷水平提高到68.3kA，改造支柱相鄰支柱反擊耐雷水平改善。接觸網支柱接地改造密集耐雷水平高。應根據當地雷暴天氣等條件選擇接地改造間距。雷電活動強度不同地區采用不同間距接地改造，架設避雷線后接觸網雷擊跳閘率計算方法，考慮不同自然接地電阻下雷擊跳閘率變化。分析支柱在不同自然接地電阻下接地改造間距與雷擊跳閘率關系，計算60d下不同自然接地電阻雷擊跳閘率變化，雷擊跳閘率隨接地改造間距增大趨于平緩。土壤電阻率較大地區可縮短接地改造間距。

5 結語

本文結合高鐵接觸網結構特點，提出避雷線高度設計方法，確定接觸網耦合系數計算方法，推導單復線鐵路接觸網避雷線高度設計計算公式；總跳閘率隨避雷線高度增加降低。避雷線高度設計推薦采用三類球半徑設計。高鐵牽引供防雷措施應以提升防雷性能為出發點，應參考當地雷電活動特征，選擇防護效果更佳的措施。建設高鐵由于地形條件差異大，采取雷電措施應充分考慮相關因素，降低雷電對牽引供電系統造成的損害。