解决方案：高速铁路接触网防雷技术研究
单位：中铁第五勘察设计院集团有限公司作者：于伟伟
接触网是牵引供电系统的重要组成部分，绝大部分裸露于自然环境中且没有后备能力，需要采用必要的大气过电压防护措施。如果缺少防护措施或措施不当，可能引起绝缘子损坏、造成线路跳闸，直接影响电气化铁道运营；同时雷击产生的侵入波过电压通过接触网传入牵引变电所，可能引起站内电气设备损坏造成更大的事故。
图1避雷线安装在承力索上方示意图
按照国家标准《高压输变电设备的绝缘配合》中的规定，接触网绝缘水平仅与电力系统35kV配电架空线路相当，耐雷水平较低。在国内高速铁路蓬勃发展的现状下，必须充分研究接触网的防雷措施，以降低线路雷害风险，保障高铁安全可靠运行。
1国外高速铁路防雷技术现状
目前世界上高铁较为发达的国家是德国和日本。因二者的地理条件差异，所以防雷对策也有很大不同。
1.1德国
欧洲整体的雷电活动较低，故其高铁防雷措施也比较简单。经实际测量表明，德国所处的欧洲中部地区每100km接触网在1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，所以当地采用在重要节点安装避雷器的方法来限制感应雷击过电压。这种做法的好处是经济实惠，缺点是避雷器的保护作用比较有限。
1.2日本
与欧洲不同，日本是一个岛国，落雷密度和数量均较内陆国家要多，所以相应的防雷措施也更精细完善。其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。
2国内高速铁路防雷技术现状
我国电气化铁道接触网防雷设计主要依据《铁路电力牵引供电设计规范》(TB10009-2005)、《高速铁路设计规范》(TB10621-2014)和《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)的相关规定。
全国根据雷电日的数量划为4个等级的区域：年平均雷暴日在20d及以下的地区为少雷区，年平均雷暴日在20d以上、不超过40d的地区为多雷区，年平均雷暴日在40d以上、不超过60d的地区为高雷区，年平均雷暴日超过60d的地区为强雷区。
接触网的防雷措施为：
(1)吸流变压器的原边应设避雷装置；
(2)高雷及强雷区下列位置设避雷装置：分相和站场端部的绝缘关节、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连接处；
(3)强雷区设置独立避雷线，保护角为0。～45。。
(4)《高速铁路设计规范》中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目前的防雷措施分析
由国内外的防雷措施和防雷经验可知，现阶段防雷措施主要有以下几种：
3.1安装避雷线防雷。
架设避雷线主要是防直击雷，避雷线可以安装在承力索上方或者支柱上方。
若采用支柱上方的安装方式，经计算，想要达到电力系统的保护角(20°～30°)，接触网支柱增加的高度几乎是现在支柱高度的一倍，这将导致接触网专业投资大幅增加，同时对接触网支柱结构设计造成一定的影响。
当避雷线安装在承力索上方时，跨中避雷线与导线的距离需满足：SL≥0．012L+1，其中SL为避雷线与导线间的距离，L为跨距。接触网的跨距取55m，则计算得跨中避雷线与承力索的距离不小于1660mm，取值2000mm即可满足要求，可行性较高，如图1所示。
图1避雷线安装在承力索上方示意图
同时，将避雷线设置在承力索上方，能够有效增加避雷线和承力索、接触线之间的耦合系数，当雷击铁路附近的地面时，在接触网和避雷线上同时感应出过电压，以降低绝缘子两侧的电压差，这样在一定程度上能够减少绝缘子的闪络。从而使架设避雷线除了防直击雷外，还兼具了防感应雷的功能。
3.2安装避雷器防雷。
对于一般高雷区通常采用局部关键点设置避雷装置进行接触网防雷。在有雷击发生时，只要避雷器的冲击放电电压小于接触网绝缘子的冲击放电电压就会动作以避免变电所馈线断路器跳闸。同时，由于避雷器动作后吸收了雷电能量，绝缘子、支柱的等值阻抗上受到的冲击电压仅为避雷器的残压，提高了接触网的耐雷电冲击水平。
接触网上安装避雷器的缺点如下：
(1)安装避雷器密集度比较高，就意味着加大了以后的维修和预防测验工作量，与此同时也增加了维修费用。
(2)接触网采用MOA避雷器大部分都是用串联间隙结构，这样会增大污闪事故的发生概率。
(3)接触网安装避雷器的地域大部分都是山区，这些地区的自身条件对避雷器的更换和维护工作有很大的难度。这样对避雷器的可靠性、机械强度、防爆性和密封性有更大的要求。
(4)避雷器保护的范围不是很广，具有一定的局限性。
3.3选用合适的绝缘子。
现如今，接触网主要采用的绝缘子有合成橡胶、玻璃和瓷绝缘子，在抗烧蚀能力上合成绝缘子具有一定的技术优势。工频电弧烧蚀合成绝缘子时，硅橡胶材料受热分解成气体，喷发出气体起到一定的吹弧作用，使电弧离开绝缘子表面，另外硅橡胶材料自身在局部受热后也不会立刻炸裂，有利于线路绝缘的恢复。合成绝缘子烧蚀过后伞裙没有脱落，尚具有一定的绝缘性能，线路具备重合闸条件，而瓷绝缘子烧蚀过后的伞裙已经完全脱落。绝缘完全丧失，线路不具备重合闸成功的前提。
合成绝缘子虽然具有比瓷绝缘子更优的抗烧蚀能力，但是工频续流电弧仍对其具有一定的破坏作用。合成绝缘子在工频电化烧蚀后，硅橡胶材料的成分发生了变化，材料中遇热易分解的成分已经挥发，表面留有一层氢氧化铝，此时绝缘子本身的抗污性和憎水性已经大大降低，烧蚀部分极易在接下来的运行过程中老化破裂、脱落，给线路安全运行造成隐患。
3.4可靠接地。
接地技术也是防雷技术的关键环节，可靠的接地使得雷电流顺利释放。从工作性质上接地可分为工作接地和安全接地。
3.4.1工作接地
(1)高速铁路全线设置贯通的综合接地系统，接触网接地纳入综合接地系统，回流线(保护线)与支柱不绝缘悬挂，工作接地兼做安全接地。
(2)吸上线约每隔1500m与信号完全横向连接点连接一次。
3.4.2安全接地
(1)对距接触网带电体5m以内的既有金属结构物均应实现安全接地(新建结构一次性接地)。
(2)独立供电线支柱成排时设架空地线集中接地，个别支柱设接地极单独接地。
(3)避雷器等设备双接地，一端接综合地线，另一端接保护线或回流线。
4小结
我国的气象、地形、地域条件的差异性非常大，雷击发生的强度、时间和地点都是非常的随机，这些外在的因素加剧了铁路防雷的难度。因此，我国铁路防雷设计需要考虑以上因素，在设计的过程应该借鉴国内外的研究成果和成功经验，尽可能的降低雷电对铁路造成的损害。推荐的改进措施包括以下几方面：
(1)加强对直击雷防护，在重要设备安装处及雷害多发区段可单独架设避雷线。避雷线尽量安装在承力索上方。
(2)采用避雷器在线监测技术。通过监测避雷器漏电流大小和计数器动作次数，及时掌握避雷器的运行性能。
(3)考虑不同区域雷电防护的差异性，设计安装不同类型和规格的避雷装置。
参考文献
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[7]TB10621--2014，高速铁路设计规范[S]．
[8]TB10009--2005，铁路电力牵引供电设计规范[S]．
[9]铁建设2007]39号，铁路防雷、电磁兼容及接地工程技术暂行规定[S]．
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智库专家
邓云川
中铁第二勘察设计院集团有限公司电化院总工程师
赵玮
中铁第一勘察设计院集团有限公司电化处总工程师
何正友
西南交通大学电气工程学院副院长