安娜　吳積欽　仇龍剛

摘 要：目前，我國(guó)高速電氣化鐵路地理區(qū)域跨度大，且無(wú)備用設(shè)備，接觸網(wǎng)位于高鐵線路的最上方，極易遭受雷擊引起損壞。文章結(jié)合接觸網(wǎng)遭受雷擊的影響及其危害，分析了避雷針、避雷器、沿線架設(shè)避雷線的防雷原理及保護(hù)范圍，并從接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性及經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，提出了應(yīng)在不同的情況下采取相應(yīng)的接觸網(wǎng)防雷措施的建議。

關(guān)鍵詞：接觸網(wǎng)系統(tǒng)；高速鐵路；耐雷水平

引言

我國(guó)高速電氣化鐵路跨越區(qū)域大，多集中于南部和東部沿海等雷電活動(dòng)強(qiáng)的地區(qū)。如，京滬高鐵就跨越了江蘇省、上海市和安徽省三地。高鐵接觸網(wǎng)有80%左右線路架設(shè)于高架橋上，相比普通的電氣化鐵路，高鐵接觸網(wǎng)遭受雷擊的概率更大；絕緣防護(hù)方面，高鐵接觸網(wǎng)卻依照普通鐵路絕緣水平標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，耐雷水平只達(dá)到幾千安培，出現(xiàn)雷電過(guò)電流的概率在90%以上；同時(shí)接觸網(wǎng)是無(wú)備用設(shè)備，雷擊一旦出現(xiàn)將影響供電區(qū)段的運(yùn)行，因此應(yīng)高度重視接觸網(wǎng)的防雷設(shè)計(jì)。

1 接觸網(wǎng)遭受雷擊危害及造成影響

雷電放電作為一種強(qiáng)大的自然力的爆發(fā)是難以制止的，產(chǎn)生的雷電過(guò)電壓可高達(dá)數(shù)百千伏，如不采取防護(hù)措施，將引起電氣化鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)的故障，影響供電區(qū)段的運(yùn)行。京滬高鐵全線有244座橋梁占總長(zhǎng)約，其余為平均高度左右的高路堤和路塹。圖1、2分別為不同高架橋高度下，京滬高鐵沿線直擊雷雷擊情況及AF線懸式絕緣子雷擊損壞情況圖。

正因?yàn)榫哞F地勢(shì)較高，雷擊發(fā)生時(shí)，會(huì)在接觸網(wǎng)線索上產(chǎn)生過(guò)電壓即雷擊過(guò)電壓。當(dāng)雷擊過(guò)電壓超過(guò)線路絕緣水平時(shí)，接觸網(wǎng)線路發(fā)生絕緣閃絡(luò)。當(dāng)接觸網(wǎng)線路發(fā)生絕緣閃絡(luò)時(shí)，雷擊閃絡(luò)必然轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的工頻電弧，造成接觸網(wǎng)線路跳閘，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)發(fā)生接觸網(wǎng)斷線事故。根據(jù)京滬高鐵相關(guān)規(guī)定，在接觸網(wǎng)跳閘后，不管重合成功還是強(qiáng)送電成功，都需要對(duì)本線和鄰線進(jìn)行限速，必將會(huì)對(duì)列車運(yùn)行秩序造成影響。

2 接觸網(wǎng)的防雷方式

目前，人們主要是設(shè)法去躲避和限制雷電的破壞性，基本措施就是加裝避雷針、避雷線、避雷器、防雷接地、電抗線圈、電容器組、消弧線圈、自動(dòng)重合閘等防雷保護(hù)措施。

2.1 避雷針的防雷原理及保護(hù)范圍

2.1.1 避雷針的防雷原理

避雷針是明顯高于接觸線的金屬支柱，其針頭采用圓鋼或鋼管制成，其作用是吸引雷電于自身，并將雷電流迅速泄入大地，從而使雷電流安全可靠地引入大地。避雷針一般用于保護(hù)發(fā)電廠和變電所，可根據(jù)不同情況裝設(shè)在配電構(gòu)架上，或獨(dú)立架設(shè)。

2.1.2 避雷針的保護(hù)范圍

我國(guó)使用避雷針的保護(hù)范圍的計(jì)算方法是根據(jù)小電流雷電沖擊模擬試驗(yàn)確定的，并根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了校驗(yàn)，保護(hù)范圍是按照保護(hù)概論99.9%確定的空間范圍（即屏蔽失效率或繞擊率0.1%）。對(duì)于單支避雷針來(lái)說(shuō)，保護(hù)范圍由下式?jīng)Q定：

Rx-避雷針在hx水平面上的保護(hù)半徑，單位為m；

hx-被保護(hù)物的高度，單們?yōu)閙；

h-避雷針的高度，單位為m；

p-高度影響系數(shù)

2.2 避雷線防雷原理及保護(hù)范圍

2.2.1 避雷線防雷原理

沿線架設(shè)避雷線可降低直擊雷，對(duì)流入桿塔的雷電流有分流作用，降低塔頂電位；耦合導(dǎo)線，使導(dǎo)線上的感應(yīng)過(guò)電壓降低，保護(hù)輸電線路少受雷擊。

架設(shè)的避雷線高于接觸網(wǎng)系統(tǒng)，當(dāng)有雷云時(shí)，避雷線頂端率先形成向上的迎面先導(dǎo)，故雷電僅對(duì)避雷線放電，若為避雷線提供良好的接地裝置，將雷電流順利引入大地，最終將大大降低接觸網(wǎng)遭受雷擊的概率。

2.2.2 避雷線保護(hù)范圍

避雷線使得保護(hù)物在保護(hù)范圍內(nèi)不遭受雷擊，傳統(tǒng)的避雷線保護(hù)范圍大都通過(guò)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及模擬試驗(yàn)來(lái)確定。為了排除很多偶然因素的影響，使被保護(hù)物不受雷擊，一般情況下采用0.1%的雷擊概率。

在架空輸電線路上多采用保護(hù)角來(lái)表示避雷線對(duì)導(dǎo)線的保護(hù)程度，保護(hù)角是指避雷線同外側(cè)導(dǎo)線的連線與垂直線之間的夾角，如圖3所示。角？琢越小，導(dǎo)線就越處在保護(hù)范圍的內(nèi)部，保護(hù)也越可靠。在高壓輸電線路的桿塔設(shè)計(jì)中，一般?。孔?20°～30°，就認(rèn)為導(dǎo)線已得到可靠的保護(hù)。

結(jié)合架空輸電線路上采用保護(hù)角的原理，在接觸網(wǎng)線路上方全線架設(shè)避雷線，避雷線采用柱頂方式安裝，安裝示意圖如圖4所示。

假設(shè)支柱本體高度EF=8.0m，橫腕臂（承力索）高度AF=6.78m，承力索與正饋線的水平距離大約4.0m，如圖4，我們?nèi)B=2m，則：

EG=AF+CA-EF

當(dāng)？墜=20°時(shí)，EG=4.274

當(dāng)？墜=30°時(shí)，EG=2.232

EG的取值范圍為：2.234～4.274

由計(jì)算數(shù)據(jù)可知：在既有支柱上焊接2.234～4.274m高的桿架設(shè)避雷線，即可防護(hù)包括支柱上設(shè)備和包括沿線接觸網(wǎng)在內(nèi)的所有設(shè)備。

2.2.3 架設(shè)避雷線后的感應(yīng)過(guò)電壓分析

架設(shè)避雷線后，因?yàn)楸芾拙€的電磁屏蔽作用，故降低了接觸網(wǎng)導(dǎo)線上的感應(yīng)過(guò)電壓，計(jì)算公式為：

2.3 避雷器的防雷原理

避雷器是專門(mén)用以限制線路傳來(lái)的雷電過(guò)電壓或操作過(guò)電壓的一種防雷裝置。避雷器實(shí)質(zhì)上是一種過(guò)電壓限制器，與被保護(hù)的電氣設(shè)備并聯(lián)連接，當(dāng)過(guò)電壓出現(xiàn)并超過(guò)避雷器的放電電壓時(shí)，避雷器先放電，從而限制了過(guò)電壓的發(fā)展，使電氣設(shè)備免遭過(guò)電壓損壞。避雷器的常用類型有：保護(hù)間隙、排氣式避雷器、閥式避雷器和金屬氧化物避雷器。

2.4 線路雷害事故發(fā)展過(guò)程及防護(hù)措施

綜上所述，不論選擇避雷線、避雷針或是避雷器，最終目的都是為了防止雷電對(duì)接觸網(wǎng)的危害，提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性，根據(jù)線路雷害事故發(fā)展的不同情況，選取的防雷措施如下：

只要能設(shè)法制止上述發(fā)展過(guò)程中任一環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)，就可避免雷擊引起長(zhǎng)時(shí)間停電事故。

3 結(jié)束語(yǔ)

高速電氣化鐵路的接觸網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)論采取什么措施都難以百分之百達(dá)到防雷的目的，只能根據(jù)具體線路做具體分析，以便減少雷電引起的故障概率或跳閘概率。在高地、高架橋、重要樞紐線路應(yīng)將接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性放在第一位，可以采取沿路架設(shè)避雷線、安裝避雷器，抬高保護(hù)線PW線等相結(jié)合的措施；在一般平原地段、偏遠(yuǎn)地區(qū)，應(yīng)從經(jīng)濟(jì)與可靠性兩方面出發(fā)，宜采取安裝避雷器、抬高保護(hù)線PW線等方式，上述兩種情況都應(yīng)做好避雷裝置的引雷接地工作，確保雷電流能順利流入大地。

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作者簡(jiǎn)介：安娜，女，漢族，湖南婁底，西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院碩士研究生；研究方向：弓網(wǎng)關(guān)系及其評(píng)價(jià)。

吳積欽，男，漢族，西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院碩士生導(dǎo)師；研究方向：弓網(wǎng)關(guān)系及其評(píng)價(jià)。

仇龍剛：男，漢族，西南交通大學(xué)碩士研究生。