余 韜

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

1 概述

接觸網大多為露天供電裝置，雷擊事故較為頻繁，如果缺少有效防護，可能導致絕緣子損壞，擊穿支柱混凝土保護層，造成線路跳閘等，影響電氣化鐵路的運營，因雷擊導致人員傷亡、設備損壞的事故也屢見不鮮。由于接觸網無備用冗余的特殊性，為了鐵路安全運行，應采取必要的防雷措施。本文通過詳細分析雷電對接觸網的危害形式，并根據(jù)相應的危害形式提出對應的解決措施和計算方法。

2 雷電防護相關概念

2.1 雷電的形成

雷電是雷云之間或雷云對地面放電的一種自然現(xiàn)象。雷云對地放電雖然少，但對接觸網系統(tǒng)而言，雷電事故均來源于此，該放電過程可分為三個階段。

(1)先導放電階段

由于靜電感應，雷云電荷在地面感應出異性電荷，兩者之間構成一個巨大的空間電容器。當雷云中的電場強度達到25～35 kV/cm時，空氣開始游離，成為導電通道，叫做雷電先導。雷電先導分上行先導和下行先導，如圖1，圖2所示。

(2)主放電階段

圖1 雷電下行先導

圖2 雷電上行先導

地面異性電荷經過先導通道與雷云電荷發(fā)生強烈中和，瞬時產生極大電流并發(fā)出光和聲。主放電階段一般為50～100μs，電流可高達數(shù)十萬安培。

(3)余輝階段

主放電階段結束后，雷電中的殘余電荷繼續(xù)經放電通道泄流階段。余輝電流一般為100～1000 A，持續(xù)時間一般為0.03～0.15 s。

2.2 雷擊導線的臨界距離

對于某一幅值為I的雷電流，當雷電下行先導距導線較近時，在假定不考慮導線周圍支柱及避雷針等影響的條件下，由于導線的引雷作用，雷電將擊在導線上，形成直擊雷過電壓;若下行先導距導線較遠，雷電可能直接擊向大地，在導線上感應出過電壓。針對雷擊導線的臨界距離，本文引入“擊距”的概念。

擊距是指先導頭部與被擊點間的平均電場強度達到臨界放電場強時二者的距離。先導對導線的擊距r，先導對大地的擊距h，根據(jù)IEEE推薦的擊距公式［1］

式中:I為雷電流幅值/kA。

如圖3所示，以導線為中心，半徑為r的M1M3圓弧;高度為h1，平行于大地的M1M2。當雷電下行先導擊在M1M3圓弧上，將因導線的引雷作用而擊在導線上。擊在M1M2的雷電將導向大地。

圖3 雷擊導線的臨界示意

假設雷電下行先導垂直落向大地，則導線與M1的水平距離s稱為雷擊大地臨界距離

2.3 雷電危害

雷擊對接觸網的破壞作用可分為一次效應和二次效應作用。

一次效應是直接雷擊接觸網承力索、接觸線或附加導線等，使接觸網產生很高電位，引起過電壓，流過數(shù)十萬安培電流，導致接觸網設備或支柱燒損。

二次效應是感應雷擊或雷電反擊造成的破壞。感應雷擊是雷電作用在接觸網附近，雷擊放電產生強大的變化電磁場，使得磁場內的接觸網產生感應過電壓。雷電反擊是雷電作用在接觸網支柱上，在支柱上產生沖擊電壓，并在接觸網上產生感應過電壓。二次效應的電壓可達數(shù)十萬千伏，引發(fā)接觸網跳閘或絕緣子閃絡。

3 防雷措施

通過分析雷擊過電壓的危害，本文將根據(jù)不同的過電壓進行防護。

3.1 直接雷擊和感應雷擊的防護措施

當前防止直擊雷擊、感應雷擊的技術措施可以采用設置避雷器，增加接觸網絕緣子的雷電沖擊耐受電壓和設置避雷線。

(1)設置避雷器

當雷擊發(fā)生在設置避雷器的電氣化鐵路時，只要避雷器沖擊放電電壓低于接觸網絕緣(空氣間隙和絕緣子)或電力機車車頂保護電器(保護間隙和車頂避雷器)的沖擊放電電壓，避雷器就會動作，以避免饋線斷路器跳閘。由于避雷器動作后吸收了雷電能量，絕緣子、支柱的等值阻抗上受到的沖擊電壓僅為避雷器的殘壓，提高了接觸網的耐雷電沖擊水平。

當前接觸網用避雷器一般采用閥式避雷器(SiC電阻片)和氧化鋅避雷器(ZnO電阻片)。后者因為優(yōu)異的非線性伏安特性(圖4)而在避雷器中廣泛采用［2］。

圖4 避雷器伏安特性曲線

設置避雷器對提高接觸網的防雷擊水平有一定作用，但也存在不足。電氣化鐵路全線如要防止雷擊，幾乎需要在每根支柱上都安裝一臺避雷器［3］，如此密集安裝避雷器則每年的預防試驗和維修工作量極大，維修費用也將大大增加。此外牽引變電所饋線側設有避雷裝置且設有自動重合閘裝置，即使雷擊造成饋線斷路器跳閘，1～2 s后自動重合閘可恢復供電。

因此，接觸網上安裝避雷器只能作為牽引供電系統(tǒng)防雷技術措施的一種補充。在接觸網上安裝避雷器時，應根據(jù)線路及其具體情況，充分分析安裝避雷器的利弊，綜合考慮，適量安裝。

(2)增加接觸網絕緣子的雷電沖擊耐受電壓

相對于瓷絕緣子，復合材料絕緣子有良好的憎水性，不致形成連續(xù)的表面積垢。對經常發(fā)生雷擊或重污穢區(qū)段的絕緣子進行定期清掃，在高雷區(qū)和重污區(qū)采用復合材料絕緣子和加大絕緣子的爬電距離等措施，均可以有效的提高雷電沖擊耐受電壓。

(3)設置避雷線

《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》［4］中對避雷線的保護范圍進行了定義:

①當hx≥時

式中:rx為每側保護范圍的寬度/m;P為高度影響系數(shù)，h≤30m，P=1。

②當hx時

如圖5中，假定避雷線距離承力索高度為2m，通過公式(3)，避雷線距離承力索水平距離應不大于0.94m，避雷線保護角為25.17°。但是該方式可能因懸掛等故障使避雷線搭在接觸網腕臂上，導致漏電等安全隱患，目前接觸網懸掛一般不采用該方式。

圖5 避雷線安裝示意圖

如果采用架空地線柱頂正上方安裝兼避雷線功能時，假定支柱側面限界3m，即rx=0，通過公式(3)計算，避雷線距離腕臂底座高度應不小于6.38m。目前接觸網支柱頂部距接觸懸掛安裝上底座露頭高度一般不大于300 mm，因此柱頂架空地線時，只起到耦合地線的作用，防雷效果有限。

3.2 雷擊反擊的防護措施

可以采用降低接觸網支柱接地電阻和縮短保護地線接地間距的防止雷電反擊技術措施。

(1)降低接地電阻

借用《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》中定義的鋼筋混凝土支柱電桿等值電感0.84μH/m，假定采用9.2m支柱，承力索距地面高度8m，絕緣子濕閃電壓150 kV。

絕緣子閃絡的概率可表示為

式中:R為支柱的沖擊接地電阻/Ω;L為支柱的等值電感/μH;hc為導線平均高度，m。

分別采用1Ω、10Ω和30Ω時，接地電阻阻值越小，絕緣閃絡概率(見表1)就越低。

表1 絕緣閃絡概率

目前我國高速鐵路均采用綜合接地系統(tǒng)，該系統(tǒng)要求接地電阻不大于1Ω，因此接觸網接入綜合接地后能大幅減少絕緣子閃絡。

(2)縮短保護地線的接地間距

我國電氣化鐵路中一般采用架空地線、回流線或保護線(AT供電方式)作為保護地線，并每隔一段距離與接地極或鋼軌相連進行接地。架設保護地線時，雷擊接觸網支柱時的耐雷水平參考《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》中的計算公式

式中:U50%為絕緣子的50%沖擊放電電壓/kV;ha為保護地線肩架對地高度/m;ht為接觸網支柱高度/m;hg為保護地線對地高度/m;hc為承力索對地高度/m;k為接觸網與保護地線的耦合系數(shù);k0為接觸網與保護地線的幾何耦合系數(shù);β為支柱分流系數(shù);有

式中:Lg為支柱兩側保護地線電感并聯(lián)值/μH;對單保護線約等于0.67l。l為雷擊點至接地極(接鋼軌)處的長度/m。

在多雷區(qū)通過縮短保護地線的接地間距，相當于降低了接觸網支柱的接地電阻，可以防止雷擊反擊對接觸網的侵害。

3.3 國內規(guī)范中的防雷措施

我國電氣化鐵道接觸網防雷設計主要依據(jù)《鐵路電力牽引供電設計規(guī)范》［5］和《鐵路防雷、電磁兼容及接地工程技術暫行規(guī)定》(鐵建設［2007］39號)的相關規(guī)定。

①吸流變壓器的原邊應設避雷裝置。

②高雷及強雷區(qū)下列位置設避雷裝置:分相和站場端部的絕緣關節(jié)、長度2000m及以上隧道的兩端、長度大于200m的供電線或AF線連接到接觸網上的連接處。

③強雷區(qū)設置獨立避雷線，保護角為0°～45°，其接地電阻值不大于10Ω。

4 結論

接觸網大多為露天供電裝置且無備用冗余，一旦發(fā)生雷擊事故，將影響鐵路的正常運營，因此需要采取必要的防雷措施。本文通過說明雷電的產生和雷擊導線的臨界距離，引出感應雷擊、雷擊導線、雷擊反擊三種接觸網雷電危害形式，提出并計算分析了不同的防護措施:

①設置避雷器可以提高接觸網的防雷水平，但保護距離和發(fā)揮的作用有限，在雷電頻繁區(qū)域或上網點等重點區(qū)段，可局部增設避雷器。

②采用復合材料絕緣子，加大絕緣子的爬電距離，定期清掃既有線路絕緣子，以便減少絕緣子的閃絡。

③設置并調整避雷線的高度，具有有限的防雷效果。

④降低接地電阻阻值，特別是采用綜合接地系統(tǒng)，可以大幅減少絕緣子閃絡。

⑤在多雷區(qū)可以通過縮短接地間距對接觸網進行雷電防護。

［1］Transmission and Distribution Committee of the IEEE Power Engineering Society．IEEE guide for improving the lightning performance of transmission lines［M］．New York:The Institute of Electrical and E-lectronics Engineers lnc，1997

［2］張雪原．接觸網安裝避雷器的防雷效果研究［J］．鐵道工程學報，2010(9)

［3］劉明光，李光澤，孔中秋，等．論接觸網上避雷器的應用［J］．電氣化鐵道，2005(5)

［4］電力工業(yè)部科學技術司．DL/T620—1997 交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合［S］．北京:中國電力出版社，1997

［5］鐵道部建設管理司．TBl0009—2005 鐵路電力牽引供電設計規(guī)范［S］．北京:中國標準出版社，2005