高速铁路避雷器与防雷线技术综合应用研究

孙 巍

(铁道第三勘察设计院集团有限公司， 天津 300251)

高速铁路避雷器与防雷线技术综合应用研究

孙 巍

(铁道第三勘察设计院集团有限公司， 天津 300251)

我国高速铁路线路大多要经过多种地形、地貌,不同区域地理、气候、运行条件的差异增加了高速铁路防范雷击的难度，且避雷器与防雷线技术均存在自身不足。故单独使用某一项防雷技术都难以最优化地实现高速铁路避雷、防雷技术的提升。文章提出在高速铁路线路经过的所有区域路段，将避雷器、防雷线技术作为工程体系技术综合应用在高速铁路接触网上，使全线路置于防雷、避雷系统全面防控之下的构想，形成两种成熟技术的有机组合和优势互补。研究证明：在山区、复杂地段和特别路段的高速铁路接触网上主要装置避雷器；在强雷区和平坦地段、主要电气设备安装地段等架设防雷线，两者各自负责不同区域，形成避雷、防雷全覆盖，可以有效保证高速铁路线路和设施的安全。

高速铁路； 避雷器； 防雷线； 技术； 综合应用

高速电气化铁路的抗雷安全是一个重要的课题，随着我国高速铁路快速发展，相应的抗雷技术及其措施需要大规模的跟进，以保证高速铁路设施和人民生命财产的安全。抗雷安全本身技术含量高，操作难度大，高速铁路线路区段气候复杂，各种因素杂糅，相关的防雷、避雷和安全保障措施必须引入高新技术，提高施工质量，才能保证高速铁路的安全。因此，做好高速电气化铁路的抗雷工作意义重大。文章结合我国高速铁路发展状况，分析高速铁路避雷、防雷技术的应用实际，提出高速铁路抗雷技术应用的创新策略措施。

1 高速铁路一般的抗雷技术措施

多年来，在我国高速铁路发展过程中，抗雷技术主要是通过接触网技术的应用来预防雷击，保证铁路行车和人民生命财产安全。抗雷技术具体包括避雷器技术和防雷线技术。

1.1 高速铁路防雷避雷的技术规定

雷电是高速铁路的大敌，它严重影响着高速铁路的安全。而我国又具有气象复杂、雷电区域繁多的特点。在技术层面上，表征某个地区的雷电频繁程度通常是以当地的雷暴日发生天数(td)来决定的。雷暴日越多，则雷电活动愈频繁。雷暴日是指一个地区平均一年内的雷电放电的平均天数，单位为d/a。在雷电预防的技术应用中，我国高速铁路借助接触网抗雷技术应用有其理论依据，主要是根据我国技术部门制定的GB 50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》和GB 50057-2010《建筑物防雷设计规范》的相关规定。按照这些相关规定，人们根据区域天气情况，确定雷电状况，主要参考地域发生的雷电日天数来划分雷电技术等级。其具体规定是，每年的雷电日平均在25 d及其以下的区域列为少雷区，年平均雷暴日大于25 d，但在40 d以下的区域列为中雷区，年平均雷暴日大于40 d、但在90 d以下的地区列为多雷区，年平均雷暴日超过90 d的地区列为强雷区。我国幅员辽阔，地域复杂，雷电分布不匀，各种复杂情况普遍存在，雷区特别是多雷区、强雷区较多，抗雷任务繁重。因此必须严格按照TB 10621-2014《高速铁路设计规范》的要求做好防雷避雷措施。该规范特别明确规定，长隧道(规定为长度1 km)的两端，都要安装防雷设施，以保证高速电气化铁路及其相关设置的安全。

1.2 高速铁路接触网避雷器技术

避雷器是高速铁路电气化铁路抗雷措施中，用于限制高速铁路线路区段的雷电过电压、操作过电压的避雷设施。避雷器的实质是一种过电压的限制器，避雷器装置常与线路电器设备并联起来形成回路，当过电压出现时，先经过避雷器，当过电压超过避雷器的放电标准时，避雷器就会先行过电，过电压就不再经过其它电器设备，这样就避免了超高过电压对高速铁路电气设备的冲击，预防其损坏。避雷器类型众多，常用的有排气式避雷器、保护间隙、金属氧化物避雷器和阀门式避雷器等。

避雷器的优势在于，其非线性伏安特性明显，一些特别区段最适宜架设避雷器来避雷。如雷电活跃地带、打雷概率较高的路段、峡谷和山地风口区段、土壤电阻率较高且降低支柱接地电阻困难的路段等。此外，人员密集区域、重要站场地带等也宜使用避雷器来防雷避雷，不但防护范围大，效果也比较显著。

1.3 高速铁路接触网防雷线技术

防雷线是在高速铁路接触网上方架设的专用线，用以避免雷电过电压直接流过接触网、牵引网设备等的过电压线。设置防雷线以后，当雷电流出现时，会先行经过防雷线，由防雷线吸引接地。这样，高速铁路的牵引供电系统和其它系统，就能得到有效的防雷保护。

防雷线的过雷电流很大，基本上把本来要经过高速铁路设施的雷击电流全部分流吸引并导入接地，这就有效地防止了雷击电流对高速铁路设施的伤害。具体功能包括：(1)分流流入高速铁路基础网的杆塔的电流，大幅度地降低过杆塔塔顶的电压；(2)防雷线形成耦合导线，有效降低导线上的感应过电压。在技术要求上，防雷线一般架设在高于接触网系统的上方，当出现雷击时，雷电先行接触到的是防雷线，而不是接触网，防雷线率先形成接触雷电的先导系统，把雷电引流到大地。即雷电仅对防雷线放电，通过接地后被消化掉，因此，防雷线安装必须连接有良好的接地线路装置。雷电袭击时，防雷线把雷电流顺利引入大地，接触网和铁路设施就避免了雷电冲击。因此，装置防雷线也能极大地降低接触网遭受雷击的概率和程度。

2 两种抗雷技术的不足及高速铁路抗雷的困难

由于不同地域各有特点，因而两种抗雷技术措施各自都能发挥出巨大的作用，较好地保证了高速铁路安全。但又因客观原因和本身的技术发展制约均存在着自身的不足。

2.1 避雷器技术的不足

接触网避雷器技术不足之处主要表现在(1)避雷器所安装的地方多为山区或复杂地段，环境条件较差，接触网避雷器的安装、维护、维修、更换等都比较困难。且避雷器本身的技术质量如密封、防爆、可靠性、机械强度等要求也比较高，否则起不到避雷效果。(2)避雷器的抗雷水平和程度往往与高速铁路线路所在的地形、气象条件等密切相关, 不同的地域、地段差异较大, 即使是同一地域，线路经过的不同地形也有一定程度的差别, 故接触网安装避雷器的避雷保护作用有一定的局限。避雷器无法应对所有区段的防雷、抗震。(3)避雷器的避雷效果大面积应用还比较困难，如果高密度地安装避雷器，相关的检查维修和各种开支会大幅度增加投资。如果安装密度过低，又起不到避雷效果。

2.2 防雷线技术的不足

防雷线技术是通过架设在接触网上面的专线来防备雷击的。由于防雷线可以沿线拉开，高速铁路较长线路、区段都可以全覆盖，故防雷线技术适宜应用在较为平坦、空旷的线路地段。而地形复杂、雷击频繁、中雷区以下等复杂地段，雷击率高，防雷线无法应付这些地段的雷击。

因此，单一的避雷技术是无法保证高速铁路全线的防雷、抗雷安全的，应引入其它技术方法综合防范，将雷电灾害降低到最低限度。

2.3 高速铁路抗雷存在的困难和问题

近年来，我国高速铁路发展很快，多条高速铁路全线开通，较好地满足了广大人民群众的交通出行要求。我国高速铁路的技术水平也在全世界遥遥领先。但由于高速铁路本身技术难度大，各种工程系统都难以避免地存在着技术瓶颈，需要在发展的同时继续加大技术创新的力度，以提高高速铁路总体水平。其中，高速电气化铁路的抗雷工程，就是技术含量相当高的部分。由于我国地域辽阔广大，地形地貌复杂，高速铁路地理区域往往横跨了多种地形地貌，所经过地区的地理、气候条件千差万别，情况复杂，雷击相对较多，尤其是高速铁路接触网对地高度的宽度较大，遭受雷击的概率也会增大。

对起伏坡度大、高峰低谷错杂的地段，高速铁路主要采用高架桥的形式通过，很好避开了地段的复杂地形地貌。但由此往往会增加接触网在该区段的相对高度，因而增加了区域路段铁路接触网的高度，使得高速铁路接触网遭受雷击的机率大大增加，这也就增加了接触网体系防雷避雷的难度。作为高速铁路设施的重要组成部分，接触网不可或缺。接触网是高速铁路牵引供电系统的重要组成部分，大部分是裸露的，承受雷击的概率大，且没有备用设施，这就需要足够的避免或减少过电压的防护措施。接触网的防护措施不力，会直接引起接触网的绝缘子损坏，造成电路跳闸，出现停电现象，影响高速铁路有效运营。雷击产生的高强电流的过电压，会通过接触网流入变电所，直接攻击变电所的电气设备和线路的其它设施，易造成更大的事故。因此，高速铁路接触网的雷电防护，当是高速铁路安全防范的重要内容，它直接关系到高速铁路的正常运营和人民生命财产安全。为此，从高速铁路设计开始，就必须高度重视防雷避雷措施，引入新的技术，提高抗雷水平，以实现高速铁路运营安全。

高速铁路及其相关设施所遭受的雷击危害，大体包括雷电反击、直接雷击和感应雷击过电压等几种情况。研究发现，直接雷击过电压约为100倍的电流幅值,接触网上的防雷线或避雷器的直接雷击承力将承受几百到几千kV/单位面积的过电压。雷电反击主要出现在接触网支柱的顶部，支柱顶部不仅承受雷击电流通过，而且还产生大量的过电压，由此导致空气中的电磁场发生剧烈而迅速的变化，这也会在导线上产生感应电压。据统计即使在平原地区，每100 km每年因雷击跳闸次数也高达15次，这会给高速铁路运行安全带来了极大的隐患。

我国高速铁路的绝大部分接触网缺乏多层次防护措施，大量地裸露于外部环境中，这也增加了防护的困难。一般的避雷器措施和防雷线技术，各自都无法全面地有效预防。局部的防雷技术应用无法起到预期防护效果。

我国高速铁路特殊的内外部条件，特别是不同区域的地理、气候和运行条件的差异，增加了雷击防范的难度。当高速铁路线路途经空旷原野、高架桥等地段时，高速铁路的相关建筑普遍高于其它设施，这就成了雷击的主要目标，极易遭受雷击，特别是那些强雷区、高雷区，雷电活动频繁，高速铁路接触网遭受雷害风险程度相对严重。据有关报道武广线、贵昆线等，均因高速铁路设施高于其它建筑而发生过雷击接触网并造成严重设备损坏的事故。因此，实施持续的技术革新，提高技术水平，扎扎实实提高高速电气化铁路的接触网抗防雷水平是十分必要的。

3 防雷线技术和避雷器技术综合应用的初步构想

结合我国高速铁路的雷击风险实际以及国内外防雷经验，为有效提高抗雷效果，更好地保障我国高速铁路安全，提出把防雷当作一个系统工程来抓，改变传统的单一防范手段，综合应用多技术的防范手段。根据高速铁路不同路段的线路实际，在高速铁路接触网上方同时分别架设架空防雷线和接触网避雷器的方案，即把避雷器和防雷线技术同时综合应用，以强化高速铁路线路的防雷避雷水平，更好地保证高速铁路安全。

3.1 分段分别安装避雷器和防雷线

避雷器的装置主要考虑山区、复杂地段，以及一些特别地段。主要包括：分相区域、站场端部的绝缘锚段关节，长度1 km以上的隧道两端、供电线(长度大于200 m)、分相和站场端部的绝缘锚段关节、自耦变压器供电线与接触网的连接处，悬崖、峡谷等雷击概率大的地点以及27.5 kV电缆的接头及电缆终端处等。此类地段多属于中雷区地段，年雷击日40 d以下，直接采用避雷器防雷。

一般地段和强雷区则应设置避雷线，在年雷击日大于40 d，甚至超过90 d以上的强雷区地段，则应架设全线全网的防雷线，以全面防备和减少雷击，并注意防雷线宜每200～300 m设独立接地极。

接触网避雷器技术应用和接触网全网全线防雷线安装的综合使用，可更好地解决我国雷区高速铁路抗雷的技术问题，提高避雷防雷效果。

3.2 接触网的避雷器架设技术方案

接触网抗雷主要用于高雷区，当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时，避雷器发生作用，避免线路变电所的电器跳闸。因为避雷器发挥作用，大量吸收了雷击电量，接触网的绝缘子、支柱等收到的冲击电压就明显减少，往往只是一些残压，不会造成冲击危害，这就提高了接触网的耐雷电冲击水平，有效保护了高速铁路接触网和相关电器。

避雷器本身体积小，重量轻，加上自身的密封性、耐污性、防爆性和可靠性等都比较高，避雷效果好，是接触网避雷所不可缺少的。有一种带脱离器的氧化锌避雷器，其标称电压的有效值为27.5 kV, 避雷器的持续运行电压有效值为34 kV,额定电压有效值为42 kV,陡波冲击电流残压为138 kV, 雷电冲击电流残压为120 kV，操作冲击电流残压为98 kV。这些基本数据是避雷的基本要求。这些数据的确认是高速铁路接触网避雷器避雷的基本保证。

3.3 接触网防雷线架设技术方案

接触网上方架空防雷线，可把防雷线安装在支柱顶部，防雷线与接触网水平腕臂距离为2 m，保护角为20°～30°。研究计算证明，这样的距离设置，可以有效防护包括支柱上以及沿线接触网在内的所有设备。连接时要把防雷线与接地引线连接起来，接地引线更与支柱钢筋紧密连在一起，焊接紧密，防止焊接松弛，还要通过支柱接地线紧密接地，接地电阻一般规定小于10 Ω，接地间距为4个跨距左右，以保障防雷线等防雷避雷设施发挥作用，正常运行。文献研究的结果表明：当输电线路与防雷线的位置角度被减小的时候，输电线路的耐雷水平能得到有效提高。此外，减小防雷线的地面倾角也能有效地防止绕击率。

4 结束语

高速电气化铁路的防雷技术较多，常用的有避雷器技术和防雷线技术。这两种技术各有利弊，单独使用可能暴露出较为明显的不足，如果把两种技术综合起来应用，在不同区段采用不同的抗雷技术，安装不同的抗雷设施，可以互相弥补不足，能有效保证高速铁路的全线防雷避雷安全。因此本文提出了高速铁路接触网避雷器技术和防雷线技术综合应用的初步构想。

这一设想的具体内容是，为防治雷电直击雷害，保证高速铁路运行安全，保证各种设备安全无虞，建议在强雷电频繁区段、重要设备安装地段以及平坦地段等的高速铁路接触网上，架设防雷线，并尽量安装在接触网的承力索上方，做好防雷线接地。同时，为防治感应雷电雷害，在一般中雷区以下地段、山区复杂地段和一些特别地段等的高速铁路接触网上，则要安装避雷器，两种抗雷技术综合应用，实现技术互补和抗雷全覆盖，以有效增加防雷避雷效果，更好地保障高速铁路安全。

这一设想突破了传统的抗雷技术限制，弥补了单一抗雷技术的缺陷，解决了高速铁路所有路段、不同区域的有效抗雷问题，是一个极具创意的技术创新措施。据知这一设想曾在一些地方有过实施，但还未形成规模，作为高速铁路抗雷的一种有效的创新举措，值得推广应用并在实践中进一步创新。

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Integrated Research on Application of Technology of Lightning Arrester and Lightning Protection Rod in High-speed Railway System

SUN Wei

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300251， China)

In China, high-speed railways, in most cases, are to take path through diverse landform，topography where differed geography, climate and operational conditions at varied areas would make lightning protection even tougher for the development of high-speed railways, but what even more challenging is that the technology of lightning arrester and lightning protection rod are still self-deficient. Thus, any separate use of certain lightning protection technology can hardly help to achieve technological promotion of lightning arrestment and lightning protection in high-speed railways, optimally. It is constructively rendered a conformation in this article that at all the sections where high-speed railways are to travel through, lightning arrester and lightning protection rod as a set of comprehensive engineering system can be applied to high-speed railway catenary, which designed to make the entire lines subject to overall protection and control under a system of lightning arrestment and lightning protection and therefore, to form an organic combination and reciprocal advantage between these two mature technologies. As attested by certain researches, at the geographic locations where are allocated with mountainous areas, areas with a varied topography and specially distributed landform, catenary onto high-speed railways is primarily being furnished with lightning arrester meanwhile at the geographic locations where intense lightning/thunderstorm being likely distributed, topography flat and main electrical equipment installed, erection of lightning arrestment rod would be empirical. These two afore said means would have to account for differed topographic areas, intended to form full coverage of lightning arrestment and lightning protection, and thus, to effectively secure safety of high-speed railway lines and facilities．

high-speed railway; lightning arrester; lightning protection rod; technology; integrated application

2016-04-06

孙巍(1980-)，男，工程师。

1674—8247(2016)04—0071—05

文献标志码：A