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解决方案：供电设备雷害防护工作调研报告

　　电气化铁路接触网设备具有线路长、露天高空布置、高电压等特点，在雷雨天气情况下易遭受雷电侵害。近年来，随着电气化运营里程的增加和极端恶劣天气的增多，全路供电设备雷雨天气下的跳闸和设备故障矛盾突出，对供电设备安全运行和运输秩序造成较大影响。

　　一、供电雷害的主要特点

　　雷害对供电设备影响的特征基本都要反映到牵引变电所保护装置动作跳闸上。通过对全路34条主要电气化铁路供电设备雷雨天气跳闸数据分析，供电设备雷害呈现明显规律性特点。

　　1.季节性特点

　　高铁雷雨跳闸季节性特点明显，一般五月份至九月份为高发期，其中八月份最高。

表1高速铁路雷击跳闸月份统计

图1高速铁路雷击跳闸季节性趋势图

　　2.地域性特点

　　高铁雷雨天气跳闸件数分布地域差异较大。雷雨跳闸较为集中的路局为南昌、南宁、广铁、上海、北京和沈阳局，这几个局所处地区和气象部门公布的年均雷暴日指标为高雷区、强雷区主要分布区规律基本一致。

　　以京沪高铁25座牵引变电所跳闸件数分布情况分析，京沪高铁接触网雷雨天气跳闸件数分布和雷电监测地闪密度地域性分布情况基本一致。

图2京沪高铁各牵引变电所雷击跳闸件数

　　3.高铁相比普速线路更易遭受雷击

　　简单归纳呈现两种特征：同一区域内，高铁雷雨天气跳闸率明显高于普铁。以北京局管内各线数据为例，雷雨天气接触网跳闸共计186次，其中高速铁路149次，占总数80%，普速铁路37次，占总数20%。高铁线路每百条公里设备受雷击跳闸3.73次；普速线路每百条公里设备受雷击跳闸0.36次，高铁是普速的10.4倍。

表2北京局高铁普铁雷击跳闸情况对比

　　并行走廊，高铁雷雨天气跳闸件数明显高于普速。高铁线路大多地处空旷地带，多采用高架桥方式，线路两侧高大建筑物少，在强对流、雷暴天气下，高铁接触网更易遭受雷电波侵害。

　　京广、哈大两条高铁线路区域走向基本一致，但雷雨天气跳闸件数高铁明显多于普速铁路，京广高铁件数甚至达到京广普速的近2倍。

表3并行区段高铁普铁雷击跳闸情况对比

　　4.同区域内因地理和运行环境不同体现差异性

　　由图3可以看出，京广高铁百公里跳闸12.77次；津秦高铁百公里跳闸11.84次；京沪高铁百公里跳闸8.86次；京津城际百公里跳闸16.95次。石太客专每百运营公里0.89次。通过对比分析，京广高铁、京沪高铁、津秦客专和京津城际均处于平原地区，大部分线路又处于高架桥上，受雷击概率较大。石太客专地处山区，两侧山体多、隧道多，遭受雷雨天气跳闸概率相对就较小。

图3北京局部分高铁雷击跳闸件数

　　海南东环铁路地处年均108雷暴日强雷区，但海南东环接触网回流线采用绝缘形式安装在支柱顶部兼做避雷线，线路雷雨跳闸件数仅为广铁管内1%，且均发生在未采取避雷线防护的变电所及分区所等所亭供电线上网区段。因此，尽管某条铁路可能处于高雷区甚至强雷区，但受地理条件、周边环境、接触网设备安装方式或其他因素的影响，雷电危害结果差异性较大。

　　二、供电设备雷害的机理和特征

　　1.基本机理

　　雷云对地放电受到气象、地质和地形等众多自然因素影响，雷电活动的频繁程度也因地域而异。供电线路雷击跳闸主要分为两种形式，一种是雷直击线路引起的，称为直击雷过电压；另一种是雷击线路附近地面，由于电磁感应所引起的，称为感应雷过电压。

　　雷击线路时线路绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值称为耐雷水平，高于耐雷水平的雷电流击于线路击穿接触网绝缘，造成绝缘损坏或击穿闪络放电，引起牵引变电所保护动作跳闸。

　　接触网F线或T线遭受雷击时，耐雷水平低于4kA，90%以上的雷击都会导致接触网绝缘闪络。一般F线悬挂高度大于T线高度，F线对T线构成了负保护角屏蔽，雷电击中F线的概率远大于击中T线的概率。

　　雷击中F线引起绝缘闪络后，钢支柱顶部电位抬升，T线绝缘子两端电位差超过绝缘耐压水平时，T线绝缘子也会闪络。造成F线和T线绝缘同时闪络的最小直击雷电流幅值随大地土壤电阻率的提高而降低。

　　雷电击中线接触网附近大地或高耸物体时，通过电磁耦合作用在F线和T线上产生感应过电压，F线和T线感应雷耐雷水平一般大于45kA，接触网因感应雷引起的跳闸率较直击雷引起的跳闸率低得多。

　　2.接触网雷雨跳闸闪络放电部位

　　从雷雨闪络放电设备部位分类统计来看，主要放电点依次为接触网F线、平腕臂、斜腕臂绝缘子、对象下锚绝缘子、避雷器等。该统计数据包含了普速和高铁接触网设备，高速铁路AT供电方式，相对普速线供电方式，F线总量基数小，但F线部位跳闸总数占到29%。

表4供电设备雷雨跳闸闪络放电部位分类

图4供电设备雷雨跳闸闪络放电部位占比

　　3.雷雨跳闸的影响

　　雷害对供电设备影响的特征基本都要反映到牵引变电所保护装置动作跳闸上，雷雨造成绝缘部件沿面放电闪络特征时，变电所保护一般都能及时自动重合成功，对停电时间影响不大。在直击雷等极端情况下，也易发生因绝缘部件机械性能损坏引起接触网结构破坏，或是因为绝缘机体损坏造成电气绝缘性能下降不能及时恢复供电的情况。高铁接触网绝缘部件电气耐压和机械强度较普速铁路水平高，采用悬式绝缘结构少，开通运行时间短，绝缘老化程度低。相对普速铁路，一般高铁接触网发生雷击绝缘爆裂塌网断线的情况少。高铁开通以来，因避雷器自身故障引起跳闸停电的影响较大。

　　从近几年供电设备跳闸数据统计分析，2014年高铁雷雨跳闸对行车影响频次最高。2014年高铁统计跳闸总件数998件，其中雷雨原因跳闸件数达700件，占比达到70%。在跳闸后限速、检查确认等要求下，雷雨原因跳闸成为高铁开通运行以来，影响高铁正常运输秩序次数最频，人员出动添乘或频繁上线查找确认故障劳动力投入最大的因素。

　　统计表明，处于重雷区以上范围内的几条高铁，接触网雷雨跳闸件数一般在每百公里在9到33件间分布，平均百公里跳闸10件左右。

表5部分高铁线路百公里雷击跳闸件数

　　三、工程建设有关接触网雷电防护的要求

　　1.现有设计规范关于雷电防护要求

　　《铁路电力牵引供电设计规范》（TB10009-2005）第5.3.1条规定：应根据雷电日及运营经验，按下列原则对接触网进行大气过电压保护：

　　1）吸流变压器的原边应设避雷装置。

　　2）高雷区及强雷区，下列重点位置应设避雷器：

　　分相及站场端部绝缘锚段关节；

　　长度2000m及以上隧道的两端；

　　较长的供电线或AF线连接到接触网上的接线处。

　　3）强雷区应架设独立的避雷线，其接地电阻应符合相关规定。

　　2.建设工程采用的主要防雷措施

　　目前，电气化铁路接触网主要采取安装避雷器进行大气过电压保护，通过在接触网供电线上网点、电分相、隔离开关及长大隧道两端等重点设备处设置避雷器的方式进行防雷。电力牵引供电设计规范关于采取架设独立避雷线的防雷措施要求在新线工程建设项目中基本没有得到落实，缺少区间供电线路的雷电防护措施。

　　3.存在的主要问题

　　避雷器防护效果有限。通过统计数据分析，避雷器只是对重点设备进行小范围防护，对重点设备绝缘起到防护作用，不能有效减少跳闸率。有些支柱绝缘子雷雨闪络，相邻支柱就安装有避雷器，避雷器对接触网线路类型雷电防护效果有限。

表6京广高铁部分典型雷雨闪络跳闸和避雷器位置

　　避雷器不适宜接触网线路雷电防护。避雷器适用于隔离开关、电缆头等重点设备的雷电防护。铁路线路雷击点具有随机性和分散性，采取避雷器方式进行线路过电压保护，若要使被保护设备不受雷击侵入波的侵害，避雷器需密集设置，不得超过避雷器与被保护设备间最大电气距离。从运营经验看，避雷器本身故障率高，且故障性质隐蔽，难于查找，容易造成长时间停电影响运输秩序。2011年04月30日，京广高速线武汉～咸宁北区间111#避雷器爆炸。2013年04月05日，京广高速线驻马店西至明港东下行李庄变电所G5#杆避雷器爆炸。尤其是2013年2月12日，沪蓉线横店东分区所上行供电线G67#支柱上F相避雷器故障爆炸后，引线搭在供电线上接地，中断供电93分钟。南宁局管内先后连续发生多起避雷器自身故障，造成跳闸停电中断行车，其中1月4日，南宁局钦港线接触网避雷器烧毁、接地极有烧痕、接地线熔断，中断供电86分钟。

　　避雷器选型值得商榷。现有接触网普遍选用无间隙氧化锌避雷器。比照电力行业标准《交流电力系统金属氧化物避雷器使用导则》有关条款："根据被保护对象的特点，如输电线路和谐振过电压多发的地方等，可选用有串联间隙的避雷器。"无间隙避雷器用于设备防雷保护时，并联安装在设备两端，系统正常运行电压时，避雷器呈现高阻抗，在雷电过电压作用下，避雷器动作呈现低阻抗，释放雷电能量，随后避雷器迅速恢复高阻抗，阻断系统对地续流，无间隙避雷器动作响应时间只有几十纳秒，具有优良的伏安特性，能与设备内绝缘特性良好配合，是一种较为理想的变电设备防雷保护措施。无间隙避雷器应用于高速铁路接触网防雷保护时，并联于绝缘子两端，避雷器长期承担系统运行电压，可能出现老化故障，需要定期检测维护，与应用于牵引变电所情况相比，运维工作量大，且实施困难。带间隙避雷器型式保护机理有利于保护某项设备，但并不能达到减少跳闸率的目的，甚至有增加系统跳闸率的可能。

　　避雷器雷电防护效果劣于架空避雷线方式。为比较避雷器和架空避雷线防护效果，京广高铁韶英、英清、花广区间加装避雷线改造，相邻区段，京广高铁老堂屋变电所211、212供电臂采用加密避雷器避雷改造，共增设避雷器128台。改造后，韶英、英清、花广区间发生雷击跳闸次数由2013年的12起下降至2014年的0起。老堂屋变电所211、212供电臂发生雷击跳闸次数由改造前的3次降为改造后的1次，也呈现下降趋势，但改造后发生跳闸故障点距最近避雷器仅50m。

　　根据雷电日进行接触网大气过电压保护设计欠精准。《铁路电力牵引供电设计规范》（TB10009-2005）依据地区年平均雷暴日界定少雷区、多雷区、高雷区及强雷区，而雷暴日仅是对雷电活动强度的趋势性描述，无法精准反映雷电活动强度情况。例如南昌局京九线、杭深线、沪昆线等铁路按照多雷区或高雷区进行设计，但南昌局江西、福建两省遭受雷击情况频繁，仅2014年8月29日21时至22时40分100分钟内南昌地区响雷达1144次，平均每分钟响雷11次，气象部门监测结果显示100分钟内江西省监测到了4050次雷电，远远超出了强雷区标准范围。因此，雷区界定应综合考虑雷暴日、地闪密度和设备雷击跳闸率等因素。接触网防雷设计也应根据沿线雷暴日及各区段雷击跳闸率综合评估计算结果，按接触网每百公里·年的雷击跳闸次数限值分段设计。

　　四、所做的工作

　　1.明确高速铁路接触网防雷工作意见

　　在借鉴电力系统高压输电线路和日本等国接触网雷电防护经验，结合有关铁路雷电防护科学研究成果，参照相关技术标准和规范的基础上，2013年7月，运输局组织起草印发《高速铁路接触网防雷指导意见（暂行）》（运供供电函[2013]325号）通知。明确提出了"按照经济技术比较实施差异化设防原则，以架设避雷线为主，重点位置设置避雷器"的接触网雷电防护技术路线。积极推动各局实施增设避雷线功能的改造方案，推广接触网下锚、分段、分相用绝缘优先选用复合绝缘子，避免雷击绝缘损坏造成严重后果，并扩大接触网防雷改造试验范围。

　　2.大力推进供电设备防雷安全专项整治

　　2014年，运输局下发《2014年全路供电安全专项整治工作安排》（运供供电函[2014]42号）文件，将防雷工作列入2014年度总公司专项整治项目，安排对京沪、京广、哈大等高铁线路进行防雷设施改造。对牵引变电所接地网进行整治，确保变电所防雷接地装置等效电阻值满足要求。提高供电设备抗击雷电灾害能力。

　　3.铁路局认真落实接触网防雷改造整治措施

　　京沪高铁完成加强线改架空地线1026条公里，新增架空地线755条公里。沈阳、北京、武汉、上海、南昌、广铁等几个铁路局认真实施接触网防雷功能改造，2013年至今，完成加装架空避雷线858.787公里，实施牵引变电所接地网整治58座。

表7 2013年以来防雷设施改造工作完成情况（按铁路局）

表8 2013年以来避雷线改造工作完成情况（按线别，不含京沪高铁）

　　4.积极推动完善高速铁路接触网设备防雷技术标准体系

　　在总结前期整治经验基础上，积极组织开展接触网线路雷击跳闸率目标值、雷电防护水平、工程实践措施和方法等综合研究，为推动建立高速铁路供电设备防雷技术标准体系创造条件。经过努力，国家铁路局最新颁布的《高速铁路设计规范》（TB10621-2014）已明确"高速铁路接触网防雷应结合线路地形地貌、牵引网结构和雷电分布情况进行设计，可设置氧化锌避雷器或避雷架空地线，其中雷暴日不小于40d的地区宜采用架空避雷线为主的设计措施"内容。为统一相关部门认识，进一步推动新线工程建设有关接触网雷电防护措施的落实，正在组织编制《高速铁路接触网雷电防护技术导则》，并积极配合修订完善《铁路防雷、电磁兼容及接地工程技术暂行规定》、《铁路综合接地设计通用图》等相关内容。

　　五、防雷整治效果

　　防雷设施改造区段，接触网雷雨跳闸件数和跳闸率较改造前得到较大幅度下降。

　　1.京沪高铁

　　2013年开始，京沪高铁将全线第一AT段加强线暂时退出运行，退出88条供电臂，退出运行的加强线柱顶绝缘子进行接地，加装引下线，加强线改架空地线。2014年开始，对于变电所各供电臂第二AT段无加强线区段增设架空地线。改造后，京沪高铁全线雷雨跳闸次数逐年下降，2013年雷雨跳闸较2012年减少31次，下降25%；2014年雷雨跳闸较2012年减少72次，下降58%；2015年雷雨跳闸较2012年减少80次，下降65%。

表9 京沪高铁2012至2015年雷雨跳闸总数表

图5京沪高铁2012至2015年雷雨跳闸趋势图

　　另一方面，2012年未实施防雷改造前，雷雨对T线的侵害比对F线的侵害大（对T线的侵害占65%，对F线的侵害占35%）；2013年实施防雷改造后，雷雨对T线和对F线的侵害约各占50%；2014年随着避雷线区段的扩大，雷雨对T线的侵害比对F线的侵害有所减少（对T线的侵害为41%，对F线的侵害占59%）。这是京沪高铁接触网安装结构特殊性的固有特点，同时也从另一侧面印证避雷线的防护效果。

　　2.京广高铁

　　广铁集团2014年完成京广高铁清远至广州南高雷区段50公里接触网设备增架避雷线改造，改造区段雷击跳闸件数由2012年36件降到2015年6件。武汉局2013年组织对京广高铁武广段咸宁北至赤壁北上下行接触网架设避雷线82.9公里，改造区段2010年雷击跳闸13件、2011年雷击跳闸7件、2012年雷击跳闸4件、2013年后避雷线架设完成后雷击跳闸0件；2015年组织对京广高铁郑武段孝感北至横店东上下行接触网架设避雷线45.9公里，改造区段2013年雷击跳闸2件、2014年雷击跳闸4件、2015年雷击跳闸2件、2016年避雷线架设完成后雷击跳闸0件。

表10 京广高铁防雷改造区段效果分析

　　3.哈大高铁

　　哈大高铁自2012年12月1日开通以来，四平东变电所供电范围内接触网设备多次发生雷击跳闸，其中，2013年发生8件，2014年发生11件，2015年发生5件。2016年，沈阳局对四平东变电所213、214供电臂范围雷害多发地段的7.12条公里供电设备进行架空避雷线改造，2016年至今四平东变电所未发生雷害引起的设备跳闸。

表11 哈大高铁防雷改造区段效果分析

　　六、有关建议

　　1、将高铁接触网防雷加强改造作为总公司2017年专项整治督办项目，提高重点雷区既有高铁接触网抗雷水平。

　　依据统计数据，确定改造范围和工作量，将高铁接触网加装架空避雷线改造列入总公司2017年专项整治督办项目。实现处于强雷区改造后变电所年雷雨跳闸率不大于5件的目标，切实减少雷雨天气对高铁行车秩序的影响。

　　2、落实设计规范有关要求，从工程源头上保证接触网整体防雷技术能力。

　　《高速铁路设计规范》（TB10621-2014）及新颁《铁路防雷及接地工程技术规范》对接触网防雷措施都有明确的要求。在目前新建铁路工程项目阶段，设计规范中有关接触网架空避雷线的技术措施没有得到全面落实。铁路中长期发展规划后期新线建设的规模依然很大，当前边开通投运边实施补强改造的做法，在工程实践上既不科学也不经济。建议总公司在后续新线工程项目中，按照设计规范有关要求，强化防雷工程，落实接触网防雷技术措施，从工程源头上提升接触网整体防雷技术水平。

　　3、审批发布《高速铁路触网雷电防护技术导则》，进一步推进接触网雷电防护工作。

　　为推进接触网防雷工程的实施，在总结前期科研成果和近几年既有高铁接触网防雷改造工程实践经验的基础上，组织中国电力科学研究院、中铁电化院牵头，各设计院参加，编制形成了《高速铁路触网雷电防护技术导则》文件稿。在该文件中，对高铁接触网雷电防护的原则、实施措施、雷击跳闸率限值、归算方法、工程实施图例等进行了明确。将以总公司文件发布，便于进一步推进接触网雷电防护工作，为完善我国高铁接触网雷电防护建设标准和体系创造条件。