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電氣化鐵路接觸網防雷技術及措施淺析
摘要：雷電在電氣化鐵路接觸網設備運行危害嚴重，極易造成設備損壞絕緣破壞引發跳閘甚至中斷供電故障，本文在對雷電機理、形成原因及分類研究的基礎上，針對防止雷害的主要因素制定預防對策和技術措施，對電氣化鐵路的防雷探索和現場實施具有指導意義。
關鍵詞：電氣化鐵路;防雷;措施;接觸網
一、概述
電氣化鐵路在運輸系統中逐漸承擔起明顯重要的作用，但接觸網設備周邊環境的變化和日常極端惡劣天氣不斷增多，接觸網設備因雷擊引發跳閘故障日漸頻繁，給供電設備的安全運行埋下隱患。如何防治雷擊引發的閃絡造成接觸網設備跳閘成為電氣化鐵路發展的重要部分之一。本文著重從雷電機理、形成原因進行分類研究的基礎上，結合管內電氣化接觸網雷害故障的實際情況，針對防止雷害的主要因素預防對策和技術措施進行研究。
二、雷電產生的起源和過程
根據統計在我們生活的地球整體范圍內，雷電生成的頻率十分可觀，隨時地球上都約有兩千多個地點正遭受雷暴，每秒鐘地球就有上百次雷電，眾所周知我們生活的地球是大電容體，空氣中的水滴(或冰晶、雹粒等)在地球的大氣電場中形成感應電荷，下端為正電荷、上端為負電荷，與大氣中上升的負離子的電荷中和，使水滴帶負電，形成雷(雨)云起電后的電荷分布。雷電放電實質上是一種超長氣隙的火花放電，它所產生的雷電流高達數十、甚至數百千安，從而會引起巨大的電磁效應、機械效應和熱效應。
三、雷電表現的方式和分類
雷電的形式分為枝狀閃電、帶狀閃電、叉狀閃電、片狀閃電、球狀閃電、聯珠狀閃電。
按空間位置分類。云閃：云內閃電和云際閃電(兩片云之間)。地閃：俗稱落地雷，是日常防雷主要研究對象。
接觸網雷擊主要分為直擊雷擊、感應雷擊兩種形式。直接雷擊：雷云直接對接觸網供電設備放電。感應雷擊：雷云通過靜電感應或電磁感應在接觸網附近的支撐裝置、接觸懸掛、附加導線上產生感應電壓。
四、接觸網雷擊具體案例
在我國電氣化鐵路接觸網設備由于雷擊造成的跳閘可達到30%-60%，而高速電氣化鐵路比率更高。高鐵線路地處空曠地帶，多采用高架橋方式，線路兩側高大建筑物少，因此對于雷電來講目標比較突出。在強對流、雷暴天氣高鐵接觸網受雷擊跳閘情況比較突出。根據統計，僅2014年我國全路34條電氣化鐵路就發生設備雷擊跳閘就達到1214件，尤其是處于山區、橋梁等地形環境復雜的地區，雷擊引發的跳閘故障率更高。
以管內開通的某高速鐵路線路為例，此高速鐵路長413.363km，全線正線采用AT供電方式，聯絡線、動車走行線采用直接供電方式。自2014年7月1日開通以來，共發生26起雷擊引起設備損壞的事故。占故障總跳閘的比例達57.7%。
其中典型案例有：
4.1 區間對向下錨正饋線燒傷(圖1)
4.2 正饋線對向下錨處絕緣子閃絡(圖2)
4.3區間對向下錨處正饋線對絕緣子放電(圖3)
五、接觸網雷擊特點分析
5.1 按接觸網雷擊部位來看
從雷擊接觸網設備部位分類統計來看，對接觸網附加線、支撐裝置的平腕臂、斜腕臂絕緣子、站場軟橫跨承力索端部絕緣子、接觸懸掛下錨絕緣子、避雷器等均發生過雷擊閃絡擊穿，其中尤其是正饋線和斜腕臂絕緣子可占到雷擊閃絡的50%以上。
5.2 接觸網結構方面分析
區間正饋線的安裝高度在距離軌面10.3m處，其下方2m才是接觸懸掛，在雷電面前正饋線相當于為接觸懸掛起到了防護作用，雷擊比例大大增加。站場軟橫跨橫承力索端部絕緣子基本在13―15m的位置處，處于最高的地方，也成為了雷擊的首要對象。
5.3 從雷害后果分析
①接觸網絕緣子破碎、損傷。接觸網防污式絕緣子的雷電沖擊耐受電壓水平懸式絕緣子為300kV、棒式絕緣子為270kV，但該絕緣水平只表現于新線建成的較短時間內。由于接觸網安裝高度低，周圍污染因素多，隨著運營時間的增長，絕緣子污染嚴重和老化導致絕緣水平不斷降低，這也是接觸網遭雷擊后絕緣子常被擊穿的主要原因。
②承力索斷線、接觸線燒損。無論直擊或繞擊，最終結果都是在接觸網線索上形成超高過電壓，由于不能及時泄流時就會燒損線索。
③支柱頂帽裂損、肩架金具因電流燒損等。由于支柱高于接觸網其它部分，所以更容易成為雷擊首要部位，造成設備損壞。
④避雷器擊穿等。由于避雷器的接地條件多樣，而鐵路接地隨著運行時間增長條件惡劣，部分接地銹蝕嚴重加上鐵路沿線地質環境因素，使得接地電阻較大，無法達到設計要求。感應雷擊造成過電壓后，避雷器的最大殘壓值大幅提高，可能會造成絕緣子閃絡及擊穿。
六、防雷現狀情況分析
6.1目前電力系統防雷策略及其技術對策
中國電力網采用的防治雷害措施是以對雷電加強監測為指導，電力系統構建雷電監測研究平臺，實現了對雷電發生情況的實時監控。同時采取差異化的防雷手段，從而實現大力減少雷擊的目的。電力系統輸電線路防雷目標是提高線路的耐雷特性，降低線路的雷擊跳閘率。電力系統在研究確定線路防雷方式時，綜合考慮系統的運行方式、線路的電壓等級、重要程度、線路經過地區的雷電活動的強弱、地形地貌特點、土壤電阻率高低等自然條件，根據技術經濟比較的結果，采取合理的保護措施。
6.2 國內接觸網防雷情況
接觸網防雷裝置主要由接閃器或避雷器、引下線和接地裝置組成。
①接觸網線路防雷的接閃器通常為避雷線方式。架設避雷線的目的是為了利用避雷線的屏蔽作用，保護下方的設備不受直接雷擊，并和良好的接地裝置配合，將雷電流迅速泄入大地，降低雷擊引起的過電壓。
②裝設避雷器方式。路內接觸網設備防雷均采用避雷器的方式，《鐵路電力牽引供電設計規范》規定接觸網避雷器的安裝位置在：分相和站場端部絕緣錨段關節;長度2000m及以上的隧道的兩端;較長供電線或AF線連接到接觸網上的接線處;強雷區應架設獨立的避雷線，接地電阻值10Ω。
③引下線是用于將雷電流從避雷線傳導至接地裝置或利用等電位連接降低反擊過電壓的導體。目前暫按通行做法，避雷線每隔800～1000m設置一處引下線。引下線的材質、結構和最小截面應滿足雷電流強度檢算并不小于避雷線的銅當量載流截面。
④接地裝置：接地體和接地線的總和，用于傳導雷電流并將其流散入大地，同時降低反擊電壓。當接觸網受到雷擊過電壓或操作過電壓影響時，電流通過避雷器流入大地，造成避雷器接地極附近電位升高，如果接地電阻過大，會對接觸網以及周邊設備造成反擊，引起變電所跳閘或燒壞信號與通信設備。
七、接觸網防雷的措施和方案
結合管內電氣化線路的具體運行情況和歷年來雷害故障的情況，為充分防治雷害，需從以下幾個方面完善接觸網的防治方案。
7.1 利用現有資源逐步構建豐富電氣化鐵路的雷電監測網絡
首先由路局、供電段、車間建成三級網絡，積極爭取電力、氣象等部門現成的雷電定位資料，掌握管內電氣化雷電數據和規律。為鐵路沿線雷電活動監測、雷電預警、鐵路雷電事故實時查詢、事故調查、雷電數據挖掘和統計提供技術平臺。
7.2 裝設避雷線
架設避雷線是降低接觸網雷擊跳閘概率和避免絕緣子損壞最有效的措施之一，對處于多雷、高雷、強雷區的電氣化線路，應結合線路條件以及雷電防護要求，以架設避雷線為主，一種是按折角法計算，避雷線增高肩架高度須在柱頂以上約2.5m(按45°保護角考慮)，一方面增高肩架尺寸和重量較大、在支柱上固定困難、施工安裝難度大，另一方面對支柱的穩定性有較大的影響。
另一種是按滾球法計算，避雷線增高肩架高度須在柱頂以上約1m，對支柱穩定性影響較小，易于工程實施。架設避雷線后可引導雷電向避雷線放電，通過桿塔和接地裝置將雷電流引入大地，
從而使被保護的接觸網設備免遭雷擊。對于建設中或已開通線路，可逐年進行接觸網防雷改造試驗，實施增設避雷線功能的改造方案。
7.3 提高接觸網整體接地水平
接地系統的好壞直接決定了防雷措施的效果，設計、施工部門要確保防雷接地裝置的等效電阻值滿足要求，運營管理單位應定期檢查維護防雷設施、定期測量接地電阻等參數，發現問題及時處理。每年雨季前對管內接地裝置進行一次全面搖測，測量接地電阻不滿足要求的增加或更換接地極。對隔離開關、避雷器、架空地線處的單獨接地極進行整治處理，重新埋設接地極，部分處所裝設石墨接地極，以保證接地良好。
7.4 加強線路絕緣
防治雷害可采取增加線路絕緣的方法，主要辦法一方面是增加接觸網設備中復合絕緣子的應用，接觸網下錨、分段、分相用絕緣子優先采用復合絕緣子，避免雷擊絕緣子損壞造成嚴重后果。另一方面是增加絕緣子串中的片數、改用大爬距懸式絕緣子、增大塔頭空氣間距等等。為減小絕緣子絕緣性能降低帶來的影響可加強絕緣清掃維護，每年進行2次帶電水沖洗和人工清掃，對污染嚴重的絕緣子隨時進行清掃。
7.5 安裝避雷器
安裝避雷器(避雷針)是防雷的重要措施，在支柱接地電阻相同的情況下，安裝避雷器可大大提高線路耐雷水平。當支柱接地電阻為30Ω時，無避雷器時的線路耐雷水平為12kA，安裝避雷器后，線路耐雷水平提高到24kA。確定避雷器的安裝密度、防護范圍、分流情況和失效條件是制定合適的接觸網防雷措施的前提。運行中在雷雨季節到來之前，安排對管內避雷器進行避雷器預防性試驗，對狀態不良避雷裝置及時安排更換，確保設備雷擊狀況下，防雷設施能夠起到保護作用。
7.6 加強雷擊跳閘分析
高度重視雷擊跳閘放電點查找和故標分析修正工作，一是雷雨天氣發生供電跳閘后，采取添乘動車組(機車)、柵欄外巡視等方式，及時組織人員對故標指示2km范圍內相關設備進行巡查，當日天窗點內停電檢查，及時發現雷擊對供電設備的損壞情況并及時采取更換絕緣子等措施，消除安全隱患。二是對故標等跳閘保護動作信息與巡查情況進行分析比對，及時修正故標參數，不斷提高故標的準確性。
7.7 快速恢復供電
由于接觸網正饋線位于接觸網上方，極易遭受雷電侵襲，且發生故障后，故障查巡、處理時間長。所以在現場運行中可采取在牽引變電所內正饋線上加裝隔離開關，當正饋線發生故障時，及時拉開隔離開關，將正饋線退出運行，由AT供電方式改為直供方式，最大限度地壓縮故障延時，快速恢復供電。
八、結語
接觸網設備具有線長、露天、高電壓、無備用等特點。在雷雨天氣情況下，遭受雷電襲擊的概率較大。加強接觸網的防雷措施、提高接觸網的耐雷強度是保障接觸網設備安全運行及鐵路運輸暢通的一項重要措施。在運行實踐中必須不斷總結經驗加以防治，從而確保運輸安全。
參考文獻：
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