以实例谈高铁接触网避雷措施的意见
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1.前言
电气化铁路接触网沿铁路线露天架设，使其成为易受雷击伤害的设备。我国高速铁路多位于田野、郊区，高架桥梁多，其接触网更易受到雷击的侵害。由于接触网绝缘子耐压强度远低于雷电压，即使大量安装避雷器，也不能避免感应雷电压对接触网的影响，即使按照电力系统110kV及以上线路全线架设避雷线，也不能防止直击雷灾害。接触网遭受雷电压后，一般表现为跳闸、重合闸、合闸成功。此时，接触网一般都能正常运用。由于难以确定雷击是否造成了接触网断线、塌网等灾害，在高速铁路运营中，一般需要首列动车组限速运行，以避免高速运行动车组引起大面积接触网损坏情况的发生。以下就我国高铁接触网雷击情况进行总结，并对加强高速铁路接触网防雷措施进行探讨。
2.铁路设计规范对高铁接触网避雷器设计的要求
2.1按照《铁路防雷、电磁兼容及接地工程技术暂行规定》（铁建设〔2007〕39号）第4.3.9条规定，在高雷区、强雷区，接触网在下列地点应采用氧化锌避雷器防护：分相和站场端部的绝缘锚段关节、长度2000m及以上隧道的两端、长度大于200m的供电线或自耦变压器供电线连接到接触网上的接线处。
2.2按照《铁路电力牵引供电设计规范》（TB10009-2005）第5.3.1条规定，根据雷电日及运营经验，按下列原则对接触网进行过电压保护：吸流变压器的原边应设避雷装置；重雷区及超重雷区在重点位置应设避雷装置，如分相和站场端部的绝缘锚段关节，长度2000m及以上隧道的两端，供电线、正馈线上网点。按照《高速铁路设计规范（试行）》（TB10621-2009）的规定，重污染或重雷区以及高路基、高架桥、隧道口等重点地段的接触网应增设氧化锌避雷器。
3.国外铁路防雷德国铁路实际测量表明，欧洲中部地区每100km接触网在一年的时间内可能遭受1次雷电冲击。雷电对接触网的直接冲击会导致雷电冲击过电压，其在设计中考虑过采用过电压保护装置限制雷电过电压，一般应用避雷器。同时他们也认为，避雷器只能对过电压进行有限的保护，一般只用于有频繁雷电存在的地段。在其它区段，无论是从经济方面，还是从防护效益方面考虑，一般不设置防雷设置。这是在欧洲电气化铁路中很少见到接触网避雷装置的原因。日本由于其特殊的地理条件和气象条件，在电气化铁道接触网设计中，根据雷击频度及线路重要程度，将国土的防雷等级划分为A、B、C区域，并规定了相应的防雷措施。A级区的雷害严重且线路重要，需要进行全面防雷保护，全线接触网架设架空避雷线，同时在牵引变电所出口、接触网隔离开关、电缆接头或连接处、架空地线终端设置避雷器。B级区雷害比较严重且线路重要，对部分特别需要的场所沿接触网架设架空避雷线，同时在牵引变电所出口、接触网隔离开关、电缆接头或连接处、架空地线终端设置避雷器。除A、B级以外的区域为C级区，一般在牵引变电所出口、接触网隔离开关、电缆接头或连接处设置避雷器。
4.郑西高铁接触网的避雷器设计根据郑西高铁设计，在供电线上网处、长度2000m及以上桥梁两端、长大隧道、高架站房、封顶式雨棚站区的两端设置避雷器。郑西高铁处于多雷区，沿线所有接触网隔离开关（含隧道两端隔离开关）均安装有避雷装置，全线共计设置接触网避雷器454台。
5.郑西高铁雷击跳闸情况
按照跳闸时有雷电活动和现场证实绝缘子有闪络痕迹进行统计。2010年2月6日至2011年9月2日，郑西高铁共计发生接触网跳闸41件。其中，因雷击跳闸12件，占跳闸总数的29.3%。按雷击闪络部位，正馈线悬吊绝缘子8次，占雷击跳闸的66.7%，腕臂绝缘子2次，正馈线下锚有机绝缘子1次，承力索下锚有机绝缘子1次。每次雷击跳闸均重合成功，具体情况为：
5.1正馈线悬吊绝缘子8次，详见表1。
5.2斜腕臂绝缘子雷击闪络2次，详见表2。
5.3正馈线下锚硅橡胶绝缘子闪络1次。2011年7月15日巩义南变电所211、212DL跳闸（荥-巩1070#），参见图1。
5.4承力索下锚硅橡胶绝缘子闪络1次。2011年8月25日，西寨变电所211#、212#馈线跳闸（渑池南-三门峡南区间下行1077#），参见图2。
6.郑西高铁接触网雷害情况分析
6.1郑西高铁避雷器设计情况。郑西高铁在每台接触网隔离开关处均设置了避雷器，满足了设计规范接触网设置避雷器的要求。
6.2避雷器防雷效果分析。自2010年2月6日郑西高铁开通以来，确认雷击造成接触网跳闸12件，其中500m范围内安装有避雷器的4处，500—1000m范围内安装有避雷器的5处，超过1000m范围安装避雷器的3处。其中，2011年8月25日，渑—三区间1077#承力索下锚有机绝缘子遭雷击，离其最近的1075#支柱（相距约50m）设有1台避雷器。避雷器防雷效果应进一步深入探讨。
6.3雷击原因分析。郑西高铁为新建线路，沿线多位于周围没有高大建筑物的处所，接触网设备为最高点，易受雷击。部分区段正馈线绝缘子干弧距离短，仅有320mm。在保证绝缘泄露距离1400mm的情况下，裙边直径增大，裙边距离相应缩短，雷害时容易形成裙边击穿放电，造成闪络。实践还表明，即使结构高度大的绝缘子，仍有雷击闪络现象发生。
6.4与德国对比。根据相关资料，德国接触网的测量数据表明，德国铁路一年中每100km长的线路可能遭受一次雷电冲击。郑州局管内的郑西高铁长为357km（863条公里），运行一年，雷击次数为12次。
7.国内其他主要高铁接触网雷击情况
7.1西安局管内郑西高铁。西安局管内郑西高铁2010年共发生雷击跳闸共计11次，占跳闸总数（12次）的91.67%。雷击造成正馈线绝缘子闪络或击穿8处，其中绝缘子雷击折断1次。截至2011年8月底，郑西高铁发生雷击跳闸共计1次，占跳闸总数（8次）的12.5%（正馈线于3月17日退出运行）。
7.2上海局管内高铁。2011年1至8月份，上海局管内高铁因雷雨天气引发接触网跳闸276件。其中，京沪高铁155件，沪宁城际54件，沪杭高铁24件，杭深线26件，合宁线9件，合武线8件。因雷击更换京沪高铁支持绝缘子28处、悬式绝缘子4处，沪宁城际棒瓷绝缘子6处，杭深线棒瓷绝缘子2处、悬式绝缘子4处，合宁线棒瓷绝缘子1处、悬式绝缘子2处，合武线棒瓷绝缘子1处。
7.3广州局管内高铁。自2009年12月26日武广高铁开通以来，截至2011年8月，广铁集团管内3条高铁线路共发生跳闸354件。因雷击引起或与雷击相关的跳闸共计167件，占47.18%。其中：武广高铁共发生跳闸322件，含雷击相关跳闸160件，雷击跳闸占49.69%；广珠城际共发生跳闸9件，雷击相关跳闸7件，占77.78%。
7.4北京局管内高铁。京津城际开通以来，接触网经常出现因雷击负馈线问题引发的跳闸。其中，2008年因雷击问题损坏负馈线绝缘子7处；2009年因雷击问题损坏负馈线绝缘子19处；2010年因雷击问题损坏负馈线绝缘子44处；截至2011年8月20日，因雷击问题损坏负馈线绝缘子31处。
7.5京沪高铁。据电化院统计，京沪高铁北京局管内7月份雷击跳闸共计27次，济南局管内6月25日～8月13日雷击跳闸共计20次，上海局管内7月份雷击跳闸共计53次，所有雷击跳闸均重合成功，未对正常行车造成影响，但因雷击造成了部分绝缘子损坏。据不完全统计，上述雷击跳闸统计期间，北京局管内共更换绝缘子11只，济南局管内共更换绝缘子21只，上海局管内共更换绝缘子7只。
8.高铁接触网防雷措施的建议
根据相关文献，避雷器加密设置可以降低雷击概率，但要彻底消除雷击目前做不到。即使每根支柱安装1台避雷器，也仅比不装避雷器雷击概率降低一半。造成这一现象的根本原因是接触网的绝缘水平相对较低。从《铁路电力牵引供电设计规范》（TB10009-2005）可以看出，接触网上避雷器的设置主要用于防止接触网雷击时对接触网隔离开关、电力机车及牵引变电所等设备的损坏，该设计原则已在我国电气化铁路使用多年。因此，为做好高铁接触网防雷击灾害能力，减少对高铁运输安全的影响，在此特建议：
8.1加强高铁接触网雷击特点分析。铁三院在高速铁路《接触网防雷专项评估报告》中结合我国高铁实际，通过分析计算提出了在高雷区、强雷区的每一个锚段的中心锚结附近增设一台避雷器，在多雷区、少雷区每隔一个锚段的锚段关节附近增设一台避雷器，以降低感应雷电压影响。根据本文6.2统计结果，即使500m范围内有避雷器，仍有4次避雷器雷击闪络。因此，应加强雷害点周边环境特点、邻近避雷器设置动作情况和雷击绝缘子受损情况分析，积累防雷经验，进一步加强雷害特点和规律的认识。
8.2提高高铁接触网抗雷击灾害能力。基于现实，应加强接触网绝缘配合和设备防雷措施的设计，即使遭受雷击也不损坏供电设备。重点做好高铁接触网绝缘子性能研究，不断改善绝缘子抗雷击能力，即使雷击闪络，仅跳闸重合成功，而不造成绝缘子破坏性损坏。
8.3完善应急处置预案。从郑西高铁雷害情况看，虽然雷击跳闸均重合成功，但雷击对接触网还是有损伤的。随着设备运行时间增加，雷害有可能引起断线、塌网故障。因此建议：接触网跳闸重合成功后，首列动车组仍应限速行驶。
8.4加强在线运行避雷器的管理。一是积极探索和组织研制接触网避雷器在线检测设备。按照《高速铁路接触网运行检修暂行规程》（铁运〔2011〕10号）第69条规定，避雷器的维护、试验应按产品说明书的要求进行。电科院东芝避雷器有限公司（廊坊）要求避雷器投运3-5年后，测量U1mA值，其值与投运前所测值相比，变化不大于±5%。测量0.75U1mA下的泄漏电流，其值不得大于30μA。但实际上，有些厂家常常回避试验问题。因此，应明确避雷器的预防性试验要求，防止避雷器自身故障的发生。为减少接触网维护工作量，建议：研制推广具有在线检测装置、免试验的接触网避雷器。二是规范避雷器的安装方式。为防止避雷器运行中故障影响供电，脱离器必不可少。脱离器的安装应做到即使避雷器故障，也不影响接触网运行安全。推荐使用石武高铁的安装方式，见图3。
8.5加强全并联AT供电方式对接触网雷击跳闸概率影响的研究。在雷电过电压的作用下，在发生冲击闪络后，绝缘子串不一定都会引起短路跳闸。只有当在工频电压作用下，冲击闪络发展成稳定的电弧时，才会引起短路故障。目前尚不能很好地解释为什么与高铁并行的既有电气化铁路雷击跳闸较少的原因。据广铁集团统计资料，海南东环线自2010年12月30日开通以来，共发生跳闸23件，却未发生雷击影响的跳闸，其接触网安装方式见图4。因全并联AT供电方式接触网电压较高、短路电流大，采用贯通地线等因素对雷击跳闸有无影响值得深入研究。
