客運專線接觸網(wǎng)避雷器防雷探討

王冀饒

0 引言

電氣化鐵路接觸網(wǎng)沒有備用，易遭受雷擊引起設(shè)備損壞或線路跳閘、列車失電，致使運輸中斷。雷擊侵入波過電壓通過接地系統(tǒng)、回流系統(tǒng)傳入牽引變電所或其他系統(tǒng)設(shè)備，可能引起設(shè)備損壞，造成嚴(yán)重事故。客運專線不是經(jīng)過山頂?shù)热菀桌讚舻囟?，但其采用的高架橋架設(shè)方案使接觸網(wǎng)系統(tǒng)遭受雷擊的幾率大大增加。目前還沒有成熟的接觸網(wǎng)防雷系統(tǒng)，各條客運專線采用的接觸網(wǎng)避雷器設(shè)置和接地方式均有差異。

1 防雷保護的方法

通常防雷采用主動防雷和被動防雷的方法。主動方法包括遮蓋、堵截、隔離，被動方法包括提高設(shè)備絕緣水平等。遮蓋是指用避雷針或避雷線在被保護設(shè)備上空形成保護傘，保護傘范圍內(nèi)的被保護設(shè)備可免遭直接雷擊。堵截是指在被保護設(shè)備的前后安裝避雷器和保護間隙，以降低雷電波的峰值陡度，保護設(shè)備的絕緣水平。隔離是指不同接地網(wǎng)之間的隔離，防止高地電位反擊，電氣化鐵路中通信信號設(shè)備和牽引供電系統(tǒng)的地網(wǎng)需要隔離。提高設(shè)備絕緣水平，可防止設(shè)備不被雷擊穿，但雷電波可能侵入相關(guān)設(shè)備，致使設(shè)備損壞。

2 接觸網(wǎng)直擊雷電壓

圖 1描述了雙線電氣化鐵路直供加回流方式下的接觸網(wǎng)電氣幾何模型，其中，M、H分別表示承力索和回流線所在位置；rM、rH、rG分別為雷電先導(dǎo)對承力索、回流線、大地的擊距。按照雷擊接觸網(wǎng)部分的不同，直擊雷過電壓分為雷擊接觸網(wǎng)支柱（或回流線，即擊中圖1中圓弧AB或DE）和雷擊接觸線（承力索，即擊中圖 1中圓弧 BC或CD）2種情況。

圖1 接觸網(wǎng)電氣幾何模型

2.1 雷擊接觸網(wǎng)支柱

當(dāng)雷擊接觸網(wǎng)支柱或回流線時，由于雷擊點阻抗使其對地電位大大升高，當(dāng)電壓超過線路絕緣子U50%時，可能引起支柱或回流線對接觸線（承力索）放電，該雷擊閃絡(luò)現(xiàn)象被稱之為反擊。參照輸電線路雷電過電壓的計算方法，當(dāng)雷擊接觸網(wǎng)支柱時，雷電流沿支柱入地并在支柱上產(chǎn)生沖擊電壓U1，其計算公式見式（1）：

式中，R為支柱的沖擊接地電阻；i為雷電流幅值；L為支柱的等值電感。

此時雷電通道的電磁場迅速變化，在線路上產(chǎn)生感應(yīng)過電壓U2，

產(chǎn)生在絕緣子上的電壓U為沖擊電壓U1和感應(yīng)電壓U2的疊加，

隨著雷電流的增加，產(chǎn)生在接觸網(wǎng)絕緣子兩端的電壓U隨之升高，其大于絕緣子的U50%沖擊閃絡(luò)電壓時，將引起絕緣子閃絡(luò)，根據(jù)式（3），可以得到接觸網(wǎng)耐雷水平I。

2.2 雷擊承力索

雷擊中承力索時，雷電波向兩側(cè)傳播，使導(dǎo)線電位升高，引起絕緣子閃絡(luò)。雷電流向兩端傳播，在接觸網(wǎng)上產(chǎn)生過電壓，當(dāng)該電壓達到腕臂絕緣子的沖擊放電電壓時，絕緣子閃絡(luò)，雷電流經(jīng)支柱、鋼軌入地，過電壓隨之降低。

當(dāng)接觸網(wǎng)遭受雷擊時，靠近雷擊點的腕臂絕緣子閃絡(luò)，由于雷擊電流波形為斜角平頂波，放電時沿絕緣子的閃絡(luò)時間t′只能發(fā)生在波頭時間內(nèi)。根據(jù)接觸網(wǎng)的等效電路，可以列出該電路的特性方程式（4）：

3 接觸網(wǎng)感應(yīng)雷擊過電壓

感應(yīng)雷過電壓主要是由于電磁場的劇烈變化，通過電磁耦合產(chǎn)生。當(dāng)雷云接近接觸網(wǎng)上空時，根據(jù)靜電感應(yīng)原理，將在線路上感應(yīng)出一個與雷云電荷大小相等但極性相反的電荷，該電荷將產(chǎn)生一個沿線路方向的電場強度Ex。當(dāng)雷云主放電開始后，先導(dǎo)通道中的電荷自下而上被迅速中和，相應(yīng)的電場迅速減弱，使導(dǎo)線上的束縛電荷迅速釋放，電壓波向兩側(cè)傳播，因而形成了過電壓。

可以利用電磁場方法計算出雷擊時接觸網(wǎng)的感應(yīng)過電壓，導(dǎo)線上距離中心點為x處的過電壓為

式中，K′為一常數(shù)，一般取25；I為雷電流幅值；H為導(dǎo)線高度；y0為雷云中心到導(dǎo)線中心點距離；x為導(dǎo)線上距離中心點y0的距離。

4 接觸網(wǎng)防雷方式

4.1 架設(shè)避雷線

架設(shè)避雷線可有效防止雷電直擊接觸網(wǎng)，分流雷電流，降低雷擊時絕緣子上的電壓和接觸線的感應(yīng)電壓。但采用避雷線有諸多缺點：從增加直接投資成本來看，以每條公里接觸網(wǎng)為例，需要增加1 km避雷線、約25處支撐裝置（肩架、絕緣子等），與接觸網(wǎng)支柱同桿架設(shè)則增加接觸網(wǎng)支柱長度1 m左右。初步估算，僅直接投資需增加費用約 9.05萬元，尚未考慮增加避雷線荷載后支柱容量增加引起的費用。以滬杭高鐵為例，雙線300正線公里，如架設(shè)避雷線則需要增加投資約2.715千萬元。

4.2 裝設(shè)避雷器

避雷器的沖擊放電電壓或殘壓均低于絕緣子的放電電壓，當(dāng)接觸網(wǎng)遭受雷擊時，在產(chǎn)生的過電壓超過避雷器的放電電壓時，避雷器首先動作導(dǎo)通，釋放雷電流，之后在工頻電壓下呈現(xiàn)高阻，工頻續(xù)流截斷，從而保護絕緣子免于閃絡(luò)，接觸網(wǎng)系統(tǒng)保持持續(xù)工作。目前接觸網(wǎng)系統(tǒng)普遍采用避雷器進行防雷，但避雷器僅能防止雷電過電壓，并不能防止直擊雷。

5 接觸網(wǎng)避雷器的設(shè)置和接地方式

根據(jù)《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》（TB10009-2005）第5.3.1要求，在下列重點地區(qū)應(yīng)設(shè)置避雷器：

（1）電分相和站場端部絕緣錨段關(guān)節(jié)。

（2）長度2 000 m及以上隧道的兩端。

（3）較長的供電線或 AF線連接到接觸網(wǎng)上的接線處。

除此之外在被公路或鐵路橋梁跨越的接觸網(wǎng)兩端和無柱雨棚及天橋的接觸網(wǎng)兩端均應(yīng)安裝避雷器?？紤]到橋梁在客運專線中的比重加大，且長度超過10 km的橋梁越來越多，因此超長橋梁不僅要在其兩端設(shè)置避雷器，還應(yīng)考慮在其中部增設(shè)避雷器?？瓦\專線普遍采用電纜供電，因此在電纜與架空線路的連接處應(yīng)增設(shè)避雷器。

接地按作用的不同，分為2類：功能性接地（也稱工作接地）和保護性接地。在避雷器的接地中，設(shè)計通常要求進行雙重接地。在實施過程中，雙重保護被理解為2組接地極或是2種不同類型的接地極或 2種不同的接地方式。筆者同意最后一種認(rèn)識，即雙重接地是指避雷器工作接地和保護接地2種接地方式。圖2為避雷器接地示意圖。

圖2 避雷器接地示意圖

圖2中左側(cè)箭頭代表的是工作接地，計數(shù)器是串接在工作接地中的，工作接地是避雷器卸載雷電流的通道，應(yīng)接至獨立接地極。圖2中間向下箭頭代表的是保護接地，是防止在安裝底座（避雷器本體、計數(shù)器安裝底座）上產(chǎn)生過高的靜電和感應(yīng)電流而采取的一種保護接地，可接入PW線或綜合接地系統(tǒng)。工作接地和保護接地應(yīng)采用電纜接地，且不應(yīng)共用接地通道。

由于計數(shù)器安裝支架不絕緣，計數(shù)器和接觸網(wǎng)支柱（鋼柱）之間不絕緣，接觸網(wǎng)支柱作為工作接地的一部分，則應(yīng)按照《高速鐵路電力牽引供電工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》（TB10758-2010）的要求，避雷器接地極電阻值小于 10 Ω，但與支柱直接相連的綜合接地系統(tǒng)電阻值小于1 Ω。這樣大部分雷電流就可通過綜合接地系統(tǒng)卸載。如果施工單位未嚴(yán)格按照防雷設(shè)備接入綜合接地系統(tǒng)時，接入點與其他通信信號設(shè)備的接地點大于15 m的要求，則有可能造成雷電流侵入通信信號系統(tǒng)而損壞設(shè)備。

因此筆者建議將計數(shù)器與支柱進行絕緣安裝，以避免發(fā)生工作接地和保護接地混接、支柱成為工作接地一部分的情況。

6 總結(jié)與建議

由于客運專線在國民經(jīng)濟生活中的重要性日益加大，人們對于行車安全性和舒適度要求越來越高。如何保證接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠、安全供電，成為接觸網(wǎng)設(shè)計更為重要的課題，如何研究、設(shè)計一種經(jīng)濟、可靠的避雷設(shè)施日趨緊迫。筆者希望相關(guān)規(guī)范對避雷設(shè)備的安裝作出明確要求，便于設(shè)計、施工、運營單位共同使用一個標(biāo)準(zhǔn)，避免因理解的差異而造成誤解。

[1]TB10758-2010 高速鐵路電力牽引供電工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]TB10009-2005 鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范[S].

[3]王常余，鄒躍平.電氣接地防雷190問[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2009.

[4]陳家斌，高小飛.電氣設(shè)備防雷與接地使用技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[5]吳廣寧，曹曉斌，李瑞芳.軌道交通供電系統(tǒng)的防雷與接地[M].北京：科學(xué)出版社，2011.