浩吉鐵路接觸網防雷系統改造方案

鄧小桃 胡 衛

（1.武漢鐵路職業技術學院,湖北 武漢 430205；2.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司武漢分公司,湖北 武漢 430027）

浩吉鐵路湘贛段接觸網的原防雷措施主要為避雷器，安裝于分相、絕緣關節以及長大隧道、橋梁兩端等關鍵部位，側重對感應雷進行防護，對直擊雷防護能力不足，雷擊引起的絕緣子閃絡或擊穿、線索燒損等故障時有發生。為保障鐵路運輸生產安全，對浩吉鐵路湘贛段接觸網進行防雷改造是十分必要的。本文以浩吉鐵路HJ49牽引供電單元為研究對象，對接觸網防雷改造進行方案研究。

1 既有線現狀及存在的主要問題

1.1 浩吉鐵路區域雷暴情況

浩吉鐵路HJ49牽引供電單元所在鐵路線路為單線區段，采用帶回流線的直接供電方式，包含太坪牽引變電所至樟山線路所和吉安站間電分相區段接觸網供電臂，跨越江西省上饒、贛州、吉安等區域，屬于重雷區（年平均雷暴日大于60 d）。江西省部分地區年平均雷暴日如表1所示。

表1 江西省部分地區年平均雷暴日數統計表

1.2 接觸網懸掛形式

浩吉鐵路湘贛段接觸網設備于2019年9月投入使用，該段線路為單線區段，采用全補償簡單鏈形懸掛、帶回流線的直接供電方式，正線接觸線懸掛高度6 000 mm，結構高度1 400 mm，接觸懸掛導線由承力索、接觸線和回流線等組成。

1.3 接觸網防雷現狀

浩吉鐵路湘贛段屬于多雷區，年雷暴日約為60 d。統計顯示，2020—2021年，HJ49供電單元因雷雨季節發生閃絡跳閘次數為13次，造成絕緣子閃絡損傷、線索燒損40處以上，對接觸網設備造成了損害，影響鐵路運輸生產。2020年3月—2021年8月，該區段接觸網雷擊跳閘統計情況如表2所示。

表2 2020年3月—2021年8月浩吉鐵路湘贛段HJ49供電單元接觸網雷擊跳閘統計表

1.4 存在的主要問題

（1）雷擊跳閘對接觸網設備構成安全隱患，易引發絕緣子擊穿、線索燒損等故障。

（2）夏季牽引供電雷擊跳閘頻繁，給查找與處理故障增加了額外的工作量和維護成本，擾亂了正常檢修作業計劃實施。

（3）該區段現有防雷設施為避雷器，從多年運營情況分析，避雷器的防雷能力極其有限，無法從根本上解決防雷問題。

2 防雷措施

2.1 以避雷線為主進行雷電防護

《鐵路電力牽引供電設計規范》（TB 10009—2016）第5.3.1條規定：

接觸網大氣過電壓保護應根據雷電日及運營經驗設計，并應符合下列規定：

（1）年均雷暴日超過40 d的下列重點位置應設避雷器：分相和站場端部絕緣錨段關節；長度2 000 m及以上隧道的兩端；供電線上網點；需要重點防護的設備。

（2）高速鐵路雷暴日不小于40 d地區的接觸網宜設避雷線或將回流線/保護線適當抬高兼起防雷功能，其他鐵路年均雷暴日超過60 d的接觸網應設避雷線或將回流線/保護線適當抬高兼起防雷功能[1]。

2.2 接觸網招雷擊絕緣閃絡特點及防雷措施選擇

接觸網AF線或T線遭受雷擊時，耐雷水平低于4 kA，其90%以上的雷擊都會導致接觸網絕緣閃絡，即當接觸網遭受直擊雷時，造成絕緣子閃絡概率較高。通過電磁耦合作用在AF線和T線上產生感應過電壓，AF線和T線感應雷耐雷水平一般大于45 kA，在這種情況下，接觸網因感應雷引起的跳閘率較直擊雷引起的跳閘率低得多，因此，單純感應雷造成絕緣子閃絡概率較低。根據《高速鐵路牽引供電系統雷電防護技術導則》（TB/T 3551—2019）一般性原則，接觸網防雷保護應以防直擊雷為主，兼防感應雷[2]。實驗證明，架空避雷線對防直接雷擊效果明顯。

2.3 避雷線防雷特性及安裝要求

2.3.1 避雷線保護范圍

避雷線保護范圍根據滾球法進行確定。方法如下：

（1）距地面hr（避雷線安裝高度）處作一平行于地面的直線；

（2）以避雷線為圓心、hr為半徑，作弧線交于平行線的A、B兩點；

（3）以A、B為圓心，hr為半徑作弧線，該兩弧線相交或相切并與地面相切。從該弧線起到地面止即為保護范圍。如圖1所示

圖1 典型避雷線保護范圍示意圖

2.3.2 安裝要求

避雷線是一種設計施工簡單、效果明顯的雷電防護措施，接觸網設置避雷線可將雷擊跳閘率大幅降低。在支柱上方架設避雷線后，對AF線和T線形成屏蔽，只有低幅值雷電才能繞過避雷線擊中導線，但概率很小。避雷線接閃雷電后，雷電流經避雷線和支柱分流入地，只有當雷電流幅值較大時才會引起絕緣子反擊閃絡。

避雷線屏蔽效果與保護角有關，保護角越小，屏蔽效果越好。對接觸網支柱頂端避雷線，架設位置越高，對AF線或T線保護角越小，但避雷線本身的引雷作用會隨著高度的增加而增強。

為了提高浩吉鐵路湘贛段HJ49供電單元接觸網防雷能力，減少雷擊對供電設備造成危害，本方案對接觸網設備進行防雷改造，采用以避雷線為主的措施進行雷電防護，降低安全風險，維護正常運輸秩序。

避雷線高度確定要權衡屏蔽作用與引雷效果。獨立避雷線宜架設在支柱頂端，根據《高速鐵路牽引供電系統雷電防護技術導則》（TB/T 3551—2019）要求，對于AT供電方式區段，避雷線對地高度較AF線高出2～2.5 m；對于直接供電方式區段，避雷線對地高度較T線高出1.5～2 m[2]，其中浩吉鐵路HJ49牽引供電單元原接觸網為直接供電方式。

避雷線采用增高肩架安裝，以非絕緣形式設于支柱頂端。避雷線以抱箍的形式安裝在橫腹式預應力混凝土支柱或格構式鋼柱上。

由于防雷接地改造是在既有線路上進行，避雷線肩架安裝受諸多條件限制，考慮到不改動既有接觸網設備的安裝形式和位置，避雷線肩架訂制、安裝須根據每根支柱上具體設備安裝情況確定。避雷線安裝須避開裝有電動隔離開關的接觸網支柱。

雷電保護范圍如圖2所示。

圖2 雷電保護范圍

2.4 防雷接地要求

對于路基區段，防雷接地采用雙根1 kV 70 mm2絕緣銅電纜引致獨立接地極；對于橋梁區段，避雷接地引下線接至地面獨立接地極，確保防雷接地與信號防雷接地屏蔽分離。其中，避雷線至橋墩頂面采用雙根1 kV 70 mm2絕緣銅電纜，橋墩頂面至地面采用雙根橫斷面積不小于200 mm2鍍鋅扁鋼，沿橋墩側壁豎直引下。

避雷線按不大于500 m間距要求接地一次，一般在避雷線錨段兩端下錨處和錨段中部適當位置增設接地極，接地電阻不大于10 Ω。

3 改造方案

（1）對浩吉鐵路湘贛段HJ49供電單元接觸網進行防雷改造，即在既有接觸網支柱上架設避雷線。

（2）避雷線采用增高肩架安裝，以抱箍的形式安裝在支柱頂部，增高肩架高度按避雷線懸掛點比柱頂高出1.5 m控制。

（3）避雷線采用50 mm2鍍鋁鋅鋼絞線。避雷線每隔不大于500 m接地一次，路基區段防雷接地采用雙根70 mm2絕緣銅電纜引至獨立接地極（石墨接地材料），橋梁區段采用雙根鍍鋅扁鋼沿橋墩引下接至地面獨立接地極，接地體的接地電阻應不大于10 Ω，與電務專業接地點間距離不小于15 m。

4 避雷線安裝注意事項

（1）當避雷線架設過程中，遇有隔離開關、避雷器等設備時，避雷線采用普通肩架形式安裝，避開相關設備。

（2）在接地極制作完成后，應采用接地電阻儀對接地電阻值進行測量確認。當避雷裝置接地電阻超標時，應分析原因并采取措施，必要時進行開挖檢查。如果受地質條件限制無法滿足相關電阻值要求時，可考慮采用接地模塊的接地形式。在雷電活動強烈的地區，應增加避雷線接地裝置的檢查次數。

（3）接觸網單獨設置的防雷接地體在貫通地線上的接入點與其他設備在貫通地線上的接入點間距不應小于15 m。

（4）在施工時，接地線連接圓鋼或扁鋼應根據現場情況確定其長度，接地連接圓鋼或扁鋼地下部分埋深不得小于0.3 m；接地連接圓鋼或扁鋼在接地連接線夾處和螺栓連接處應連接可靠，并涂抹電力復合脂；接地線采用銅電纜時，接地電纜與接地極之間的連接采用銅鋁過渡線夾或銅鋁過渡接地端子。

5 改造前后對比分析

2022年2月至5月，浩吉鐵路浩吉線HJ49供電單元接觸網防雷改造工程，架設避雷線40.47條公里，工程地點K1783+870 m—K1812+507 m，施工范圍為浩吉線盤古至洞源至吉安區段（含部分吉安疏解線）。2020—2021年，HJ49單元因雷雨季節發生閃絡跳閘次數為13次，2022—2023年架設避雷線后全年HJ49單元跳閘次數為0，說明安裝避雷線防雷效果明顯，方案可行。

6 結語

根據浩吉鐵路湘贛段接觸網HJ49供電單元防雷改造實踐與改造效果分析，可重點從兩方面加強接觸網的防雷。

（1）對處于強雷區的接觸網，應優先采用避雷線防雷。對新建線路，宜直接架設避雷線，一次到位；對既有運營線路，則可考慮將回流線/保護線適當抬高兼作避雷線，既節省投資，又提高接觸網耐雷水平。接觸網避雷線應按不大于500 m間距要求接地一次，以充分降低接地電阻。一般在避雷線錨段兩端下錨處和錨段中部適當位置增設接地極接地，接地電阻不大于10 Ω。

（2）進一步完善接觸網防雷標準。在雷害發生后，鐵路供電部門應加強對接觸網雷害的統計分析，積累接觸網防雷實踐數據，設計部門則應在設計前期盡可能全面收集地方雷電資料和鐵路運行部門的相關雷擊資料，加強分析研究，逐步掌握接觸網雷害發生規律，進一步完善接觸網防雷標準，不斷提高接觸網防雷水平。