高速铁路牵引供电接触网雷电防护

高速铁路牵引供电接触网雷电防护

董超

中国铁路沈阳局集团有限公司调度所-辽宁省沈阳市-110000

摘要：牵引供电接触网在高速铁路运营中起着关键作用。但是，由于接触网长期暴露在外部环境中，容易老化和损坏，并且还会受到自然灾害的影响。如牵引供电的接触网遭雷击，侵入波过电压通过接触网直接进入牵引变电所，损坏相关设备。因此，高速铁路牵引供电接触网需要防雷。通过实用的防雷方法，可以防止雷电造成危害，保护高速铁路运行的稳定性。然而，结合目前高速铁路牵引供电接触网在防雷方面的实施情况，发现许多地区在防雷方面没有提出多样化和有针对性的策略，这导致接触网很容易受到雷击的影响，不仅会造成设备故障，还会埋下安全隐患，威胁高速铁路的安全稳定运行。

关键词：牵引供电接触网；高速铁路；雷电防护；

高速铁路是我国重要的交通系统，加快了国内经济发展，有助于省际资源流通。牵引供电系统是高速铁路的重要组成部分，关系到其安全运行状况。高速铁路牵引供电系统在应用过程中一旦遭受雷击，将会危及高速铁路行驶安全，甚至引发交通事故。因此在高速铁路牵引供电系统设计过程中应该严格把控牵引供电接触网的雷害特点，并提出针对性设计保护方案，规避雷击所带来的安全风险与经济损失。

一、雷击的危害性

1.危害特点。雷雨天气导致高铁被雷击中的影响因素构成复杂，地质条件、地形问题和周围的环境均可诱发雷击。不同的环境条件也会形成不同的雷电频率和强度，这跟特殊的自然环境有关，供电线路会因为闪电发生跳闸断电，影响列车运行。其主要表现形式如下：1)相关的线路受到雷击影响产生反应，也被称为过电压；2)线路周围的地面受到雷击，这种情况也被称为感应雷过电压，通常是因为电磁感应而发生。线路被雷击时，如果雷击直接击中供电线路，绝缘设施可抵消部分危害，但因受到雷击过电压的影响，绝缘效果会随之下降。

2．危害产生原因。（1）接触网的安装结构。保护线、正馈线存在高度差异，正馈线在保护线上，二者保护装置未到位，防雷能力过低，正馈线和接触网线未被有效隔离，极易导致被雷击中。线路的宽度和密度控制不当，易增加闪络风险。保护线的安装高度过低或未设置避雷线，都易引起雷击。（2）建设工程的复杂环境。根据以往运行情况来看，在高速铁路运行的区域内每年均有大量的雷击事件发生，受雷击的频繁与高铁所在区域每年雷电的天数具有相关性，二者为正相关关系。高铁沿途环境复杂，大多数为高架桥梁及空旷处所，尤其在雷电高发区段，接触网易遭受雷电袭击。相关研究显示，每年每平方千米雷击的数量与每年平均雨天的数量成正比。（3）高发位置。通常情况下，最容易受到雷击影响的位置有3种：承力索、正馈线和保护线。前2种是带各种形式绝缘子的绝缘安装，保护线—般为非绝缘安装(无绝缘子)。正馈线和承力索被直击雷击中后，绝缘子的承受力会持续降低，因此，大多数直击雷可引起闪络现象。在正常情况下，当正馈线比承力索高时，正馈线会形成一个保护角，遭受雷击时正馈线很容易被击中。正馈线被雷击中后，若正馈线绝缘子被击穿，会在一定程度上增加钢柱E的电位，而承力索与钢柱之间的电位差将超过标准负荷，从而导致承力索绝缘子发生闪络现象。

3.影响因素分析。（1）直击雷引起的危害。在正常情况下，直击雷主要对以下地点具有较强危险性：I)承力索，被雷击中后，绝缘子发生闪络现象；2)正馈线，雷击引起悬式绝缘体发生闪络现象；3)保护线，直击雷命中了保护线引入综合接地系统。（2）地区雷电差异大。由于我国幅员辽阔，南北之间的地理环境差别大，不同地区的土壤、雷电情况也不尽相同。因高速铁路的建设横跨度大，在整体铁路运行的过程中土壤地质方面均有不同，会形成多种雷电参数，雷电所造成的影响存在差异，所以工程建设人员要根据实际的情况设计雷电的防护措施。在高速铁路的实际设计过程中，大多数设计人员没有充分考虑这些差异，导致雷电防御措施存在许多漏洞，因此，未能达到预期的防雷效果。（3）电阻问题。高速铁路是铁路运输的重要形式，与普通铁路运输相比具有显著优势。但长期运行的线路绝缘老化率相对较高，高速铁路运营维护人员在日常工作中更容易发生触电的情况，对高速铁路牵引系统的日常运行产生了重大影响。在这种情况下，运营维护对接地电阻的要求不断提高，所以现代高速铁路普遍采用了综合接地系统，以保证铁路运营的人身和设备安全。

二、雷电防护设计

为了进一步提升实际防雷效果，保护高速铁路系统运行的安全性，在设计过程中必须考虑到我国当前接触网在雷电防护设计中的不足，充分认识到破坏性强、范围广、损失重、区域差异性大等诸多特点，优化原有雷电防护设计方案，真正提升系统设计的安全性与可靠性。

1.雷电防护设计原则。在对高速铁路牵引供电接触网进行防雷保护设计过程中，必须严格依从国家管理规定进行设计：①根据各个地区一年中的雷电次数、雷电天数分为强雷区（雷电天气≥60 d）、高雷区（雷电天气40~60 d）、多雷区（雷电天气20~40 d）与少雷区（雷电天气＜20 d）；②根据《铁路电力牵引供电设计规范》《高速铁路安全防护设计规范》等相关国家规定进行雷电防护设计。

2.雷击计算方式。雷击计算能够进一步明确防雷设计中相关参数，确定雷电防护级别，提升防雷精准度。通常情况下，高雷区、强雷区雷击次数频率更高些，雷击次数同雷击天数的关系呈现出正比例关系。因此在进行雷击设过程中，可以假设接触网侧面积限界为3 m，轨面与承力索之间距离为7 m，根据雷击频率与雷击天数的关系，可以得出以下关系式：

关系式一：0.122×年平均雷电日数×1.3=单线接触网遭雷击次数。

关系式二：0.244×年平均雷电日数×1.3=单线接触网遭雷击次数。

在雷击计算中，支柱与牵引供电接触网受到电击后，除去部分已经入地的电压，整体电压值与雷电流幅值以及系统接地电阻有直接关系。在此过程中，雷电通道所产生的磁场同雷电流磁场的感应电压是相反的，并且导线越高其值越高，同时与雷电流平均值成正比关系。因此，通过关系式衍生的数据关系分析，可以得知支柱与牵引供电接触网的大小直接影响防雷设计效果。

3. 雷电保护措施。为进一步降低雷击对高速铁路系统的损害，则要严格掌握雷电天气所带来的安全隐患问题。因此在雷电保护设计过程中，采取安全措施减少对牵引供电接触网的影响，具体措施主要包括以下几个方面。（1）专线专供。针对客运专线、货运专线等采取不同的高速铁路系统供电方式，并设置发不同的风险预防措施，一旦发生雷击损坏相关事故问题，则要立即采取风险预防方案。（2）科学防雷。在进行雷电防护设计时，则要将雷区天气数据与跳闸统计数据进行分析，寻找二者之间的联系性，及时发现雷电防护薄弱部分。（3）综合防雷。将传统避雷针、避雷线等组合使用，并在节点电阻设计过程中要在充分掌握当地雷击强度基础上采用合适的接地电阻设备。（4）关键设备。在关键设备防雷设计上，确定防雷原则与防雷措施，确保接闪器安装合理。必要时，需要设置多个防雷器具，形成全面防雷设计。在此部分设计过程中，设计人员要充分考虑投入成本以及设备损坏后带来的经济损失，同时尽量降低设计成本。

总之，高速铁路作为国家重要的交通工具，其资源流动作用日益加强，高速铁路牵引供电接触网影响高速铁路电力系统安全运行情况，容易受到雷击，导致设备出现损坏。设计人员在进行雷电防护设计过程中，要坚持雷电防护原则，考虑各个地区不同的雷电防护需求，科学设计防雷方案，提升高速铁路牵引供电接触网的系统运行安全性，确保高速铁路运输工作运行的安全。

参考文献：

[1]吴宏宇.浅谈高速铁路牵引供电接触网雷电防护策略.2022.

[2]刘小飞.高速铁路牵引供电接触网用带间隙避雷器的研制探索.2021.