京广高铁广东段接触网防雷现状及改进措施

陈甫康

（1 广州铁路集团公司 广州供电段，广东广州510043；2 中国铁道科学研究院 研究生院，北京100081）

京广高铁广东段接触网防雷现状及改进措施

陈甫康1，2

（1 广州铁路集团公司 广州供电段，广东广州510043；2 中国铁道科学研究院 研究生院，北京100081）

列出京广高铁广东段开通以来的接触网雷击跳闸数据，分析了该段线路接触网防雷系统现状及不足，提出了高铁接触网防雷改进措施，在付诸试验实施半年后取得了良好效果。

高铁；接触网；防雷

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。我国高速铁路均为近年来新建铁路，其地理位置多位于旷野及山区地带，全线高架桥梁与长大隧道众多，故高速铁路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，如果不安装避雷器及采取其他防雷设施，接触网设备将大面积受到雷击损害。接触网遭受雷电压后，除了跳闸影响外，往往伴随着众多因受雷电压后造成的接触网设备损坏现象，如绝缘子闪络及击穿、避雷器炸裂、接触线断线等，严重者将中断供电，扰乱高铁运输秩序。因此，评价和分析当前高铁接触网防雷性能，对高铁的理论研究和运营实践都具有重要意义。

1 京广高铁广东段接触网雷击跳闸数据分析

京广高铁广东段线路正线里程319.5 km，管内设韶关、英德西、清远、广州北、广州南等5个旅客营业站，6个27.5 k V牵引变电所。从2009年12月26日开通运营至今的4年来看，已出现过多次因雷击造成高铁大面积或局部区间停电从而影响高铁运输秩序的不良情况，说明我国高铁目前的防雷现状及效果仍然存在一定程度的问题。表1为京广高铁广东段开通4年来牵引供电因雷击导致的跳闸统计数据，从表1中可清晰地看出，雷击导致的跳闸已成为该段线路牵引供电各年跳闸的主要诱因，高铁接触网防雷性能仍然需要提高，防雷措施更值得研究和改进。

2 国内外高铁接触网防雷现状

2.1 国外高铁接触网防雷现状

德国铁路经实际测量表明，因欧洲中部地区的地理优越性，每100 km接触网在平均每年时间内可能仅遭受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。在其他区段，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。表2为日本铁路接触网防雷区域及防雷措施。

2.2 国内高铁接触网防雷现状

为了提高接触网供电可靠性，尽可能降低雷电压对接触网的侵害能力，就必须采取大气过电压防护措施。根据《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《铁路电力牵引供电设计规范》（TB 10009－2005）第5.3.1条以及《高速铁路设计规范（试行）》（TB 10621－2009）等规定，我国的京广高铁等高速铁路，已经在保证良好的接地和加大绝缘爬距的基础上，分别在供电线上网处、雷害多发地区正线锚段关节处、电分相关节处、雷害多发地区长度1 000 m及以上桥梁每一锚段关节处、长度2 000 m及以上隧道、高架站房、封顶式雨棚站区的两端等重点位置设置氧化锌避雷器。目前高铁接触网常用的避雷器为带脱离器的氧化锌避雷器。由于高铁运行时间短暂，目前我国对高铁接触网设备防雷还缺乏系统的经验总结和深入探讨，比如应用于高铁接触网的绝缘子绝缘性能是否能很好地与系统过电压绝缘配合；避雷器的防护效果以及避雷器的设置范围在高铁接触网防雷应用中未得到充分检验；再加上京广高铁包括广东段在内的整个武广段从设计到施工均未考虑架设架空地线对防雷所起的作用。这正是目前京广高铁广东段雷击所引起的跳闸成为接触网跳闸主要原因所在。

3 高铁接触网防雷的改进措施

针对目前京广高铁广东段接触网频繁受雷击跳闸的现状，结合该段线路地形地貌、气候条件、接触网设备运行实际，因地制宜，采取相应的防护措施，提出以下防雷改进措施：增设独立的架空避雷线、适当增加避雷器的设置、在变电所、亭设施增设电涌保护装置等，以加强防雷性能。

3.1 增设独立的架空避雷线

根据国家标准GB 50343－2004关于地区雷暴日等级划分的规定，年平均雷暴日Td≤20天的地区为少雷区；20＜Td≤40的地区为多雷区；40＜Td≤60的地区为高雷区；Td＞60天的地区属于强雷区，而据广东省气象局最新雷电活动统计结果看，京广高铁所经过的3个广东省内地区年平均雷暴日分别如下：广州地区为87.6天，清远地区为93天，韶关地区为78.6天，局部地区最高可达126天，无疑该高铁线路地区属于＂超＂强雷区。按照GB 50057－2010《建筑防雷设计规范》的第3章“建筑物的防雷种类”及第4章“建筑物的防雷措施”规定，高铁接触网应按一类建筑物（最高防护等级）设置防雷措施，除了现有的防雷措施外，应增设独立的架空避雷线，并按以下方案实施。

（1）架空避雷线安装高度的确定

根据高铁接触网设备现行特点，架空地线只有在既有支柱上加装，架空地线的安装高度决定了其保护范围。世界各国对接闪器保护范围的计算方法大体有3种：滚球法、保护角法和网络法。日本新干线铁路避雷线保护范围采用保护角法计算，我国GB 50057－2010规定接闪器保护范围采用滚球法计算。按照滚球法计算原理，如图1所示：避雷线在hx高度的XX′平面上的保护半径按下列公式计算：

式中hr为滚球半径；h为架空避雷线的高度，m；D为两支避雷线的距离，m；rx为避雷线在hx高度的XX′平面上的保护半径，m；hx为被保护物的高度，m。

由京广高铁直线段中间柱单腕臂安装图（图2）及绝缘转换柱双腕臂安装图（图3）不难分析出，要确定架空避雷线的高度h，只需考虑按能成功保护到承力索、AF线计算，则接触线等其他线索肯定在保护范围内。由于第一类防雷建筑物的滚球半径hr＝30 m，则对于一般中间柱的AF线，在被保护AF线高度hx＝9－0.5＝8.5 m上，AF线被保护半径rx＝1.2 m（AF线水平安装肩架与支柱水平距离按1.2 m计），将上述3项数据代入式（1），可得架空避雷线的高度h为9.7 m，支柱高度按9.5 m计，则避雷线只要在支柱顶0.2 m处架设便可保护到AF线；同理，对于一般中间柱的承力索，滚球半径hr＝30 m，高度hx＝5.3＋1.6＝6.9 m，rx＝3.2 m（按承力索与支柱水平距离为稍大于侧面限界3.1 m计），代入式（1），可得架空避雷线的高度h为10 m，支柱高度按9.5 m计，则避雷线只要在支柱顶0.5 m处架设便可保护到承力索；对于绝缘转换柱承力索，高度hx＝5.3＋0.15＋2.4＝7.85 m，rx＝3.2 m，代入式（1），可得架空避雷线的高度h为11.35 m，架空避雷线需架设在柱顶1.85 m处。

（2）架空避雷线选材的确定

按照防雷装置设计与安装要求规定，架空避雷线（接闪线）宜采用截面不小于50 mm2的热镀锌钢绞线或铜绞线。同时，为减小增设的架空避雷线对既有支柱容量的影响，架空避雷线的额定张力不能太大，推荐采用5 k N。

（3）架空避雷线的固定安装形式

由于PW线通过吸上线、H型钢柱等与综合接地系统相连，采取的是非绝缘安装形式，为使架空避雷线与综合接地系统及弱电设备相对隔离，推荐架空避雷线采用绝缘子悬挂的绝缘安装形式，并采用抱箍将避雷线支架与支柱固定的柱顶安装方式。

3.2 适当增加避雷器的设置

在以下位置适当增加避雷器的设置：原来未设置避雷器的隧道口，绝缘关节两侧转换柱，中心锚节柱附近，中心锚节柱与转换柱中间，避雷器间距按照200～300 m布置，且避雷器的接地引下线采用70 mm2绝缘铜电缆双引下至不大于10Ω的独立接地极。

3.3 变电所、亭设施增设电涌保护装置（SPD）

在牵引变电所、分区所、AT所、开闭所的交流进线、直流进线和母线、室外照明电路、网开关操作电源等装置设置电涌保护装置。电涌保护器的选择如表3所示。

4 3点改进措施的实施情况和效果对比

4.1 改进措施实施情况

2013年6月完成京广高铁广州北—广州南两个供电臂区间增设架空避雷线改造试验；2013年6月完成京广高铁韶关—英德区间老唐屋牵引变电所—袁屋分区所（武汉方向）供电臂、变电所上网点增设避雷器改造试验；2013年11月完成京广高铁广东段全线牵引变电所、分区所、AT所、开闭所设施加电涌保护器装置。

4.2 措施实施前后防雷效果对比

从2013年6月完成试点改造并实施后，到2013年12月底的半年运行实际数据对比看，防雷效果明显改善，雷击跳闸明显减少。如表4所示2013年6月完成京广高铁广州北—广州南两个供电臂区间增设架空避雷线后，下半年只发生3件雷击跳闸，比此前最少的2013年上半年的10件减少7件；表5表明，韶关—英德区间老唐屋牵引变电所—袁屋分区所（武汉方向）供电臂、变电所上网点增设避雷器后，该供电臂下半年只发生1件雷击跳闸，比最少的半年期3件减少2件；表6表明，综合实施防雷措施后，2013年下半年雷击跳闸总数为14件，与之前的每半年平均数相比，均有明显下降。可见上述改进措施能极大地降低该段高铁雷击跳闸率，提高防雷性能，已计划在京广高铁全线逐步实施。

5 结束语

通过对京广高铁广东段接触网防雷技术现状和雷击跳闸率的数据分析，针对该段线路地处山区旷野、超强雷区的特点，结合设备运行经验，提出为改善该段接触网设备防雷性能应采取增设独立的架空避雷线、适当增加避雷器的设置、在变电所、亭设施增设电涌保护装置等措施，且此3种措施在实际中试点实施后，取得了良好的防雷改进效果，为现在即将开通的高铁接触网防雷提供了很好的借鉴和推广意义。

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Current Situation and Improvement Measures of Catenary Lightning Protection for Guangdong Section of Jingguang High-speed Railway

CHEN Fukang1，2
（1 Guangzhou Traction Power Supply Section，Guangzhou Railway Group Company，Guangzhou 510043 Guangdong，China；2 Postgraduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

This paper lists the data of catenary lightning tripping for Guangdong section of Jingguang high-speed railway since its opening，analyzes the current situation and deficiency of the lightning protection system，and proposes some improvement measures of lightning protection for high-speed railway＇s catenary system，which has obtained good effect after half one year since these improvement measures were carried out.

high-speed railway；catenary；lightning protection

U225

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.05.32

1008－7842（2014）05－0120－05

5—）男，工程师（

2014－05－08）