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1.前言

電氣化鐵路接觸網(wǎng)沿鐵路線露天架設(shè)，使其成為易受雷擊傷害的設(shè)備。我國高速鐵路多位于田野、郊區(qū)，高架橋梁多，其接觸網(wǎng)更易受到雷擊的侵害。由于接觸網(wǎng)絕緣子耐壓強(qiáng)度遠(yuǎn)低于雷電壓，即使大量安裝避雷器，也不能避免感應(yīng)雷電壓對(duì)接觸網(wǎng)的影響，即使按照電力系統(tǒng)110kV及以上線路全線架設(shè)避雷線，也不能防止直擊雷災(zāi)害。接觸網(wǎng)遭受雷電壓后，一般表現(xiàn)為跳閘、重合閘、合閘成功。此時(shí)，接觸網(wǎng)一般都能正常運(yùn)用。由于難以確定雷擊是否造成了接觸網(wǎng)斷線、塌網(wǎng)等災(zāi)害，在高速鐵路運(yùn)營中，一般需要首列動(dòng)車組限速運(yùn)行，以避免高速運(yùn)行動(dòng)車組引起大面積接觸網(wǎng)損壞情況的發(fā)生。以下就我國高鐵接觸網(wǎng)雷擊情況進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)加強(qiáng)高速鐵路接觸網(wǎng)防雷措施進(jìn)行探討。

2.鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)高鐵接觸網(wǎng)避雷器設(shè)計(jì)的要求

2.1按照《鐵路防雷、電磁兼容及接地工程技術(shù)暫行規(guī)定》（鐵建設(shè)〔2007〕39號(hào)）第4.3.9條規(guī)定，在高雷區(qū)、強(qiáng)雷區(qū)，接觸網(wǎng)在下列地點(diǎn)應(yīng)采用氧化鋅避雷器防護(hù)：分相和站場端部的絕緣錨段關(guān)節(jié)、長度2000m及以上隧道的兩端、長度大于200m的供電線或自耦變壓器供電線連接到接觸網(wǎng)上的接線處。

2.2按照《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10009-2005）第5.3.1條規(guī)定，根據(jù)雷電日及運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，按下列原則對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行過電壓保護(hù)：吸流變壓器的原邊應(yīng)設(shè)避雷裝置；重雷區(qū)及超重雷區(qū)在重點(diǎn)位置應(yīng)設(shè)避雷裝置，如分相和站場端部的絕緣錨段關(guān)節(jié)，長度2000m及以上隧道的兩端，供電線、正饋線上網(wǎng)點(diǎn)。按照《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范（試行）》（TB10621-2009）的規(guī)定，重污染或重雷區(qū)以及高路基、高架橋、隧道口等重點(diǎn)地段的接觸網(wǎng)應(yīng)增設(shè)氧化鋅避雷器。

3.國外鐵路防雷德國鐵路實(shí)際測量表明，歐洲中部地區(qū)每100km接觸網(wǎng)在一年的時(shí)間內(nèi)可能遭受1次雷電沖擊。雷電對(duì)接觸網(wǎng)的直接沖擊會(huì)導(dǎo)致雷電沖擊過電壓，其在設(shè)計(jì)中考慮過采用過電壓保護(hù)裝置限制雷電過電壓，一般應(yīng)用避雷器。同時(shí)他們也認(rèn)為，避雷器只能對(duì)過電壓進(jìn)行有限的保護(hù)，一般只用于有頻繁雷電存在的地段。在其它區(qū)段，無論是從經(jīng)濟(jì)方面，還是從防護(hù)效益方面考慮，一般不設(shè)置防雷設(shè)置。這是在歐洲電氣化鐵路中很少見到接觸網(wǎng)避雷裝置的原因。日本由于其特殊的地理?xiàng)l件和氣象條件，在電氣化鐵道接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)雷擊頻度及線路重要程度，將國土的防雷等級(jí)劃分為A、B、C區(qū)域，并規(guī)定了相應(yīng)的防雷措施。A級(jí)區(qū)的雷害嚴(yán)重且線路重要，需要進(jìn)行全面防雷保護(hù)，全線接觸網(wǎng)架設(shè)架空避雷線，同時(shí)在牽引變電所出口、接觸網(wǎng)隔離開關(guān)、電纜接頭或連接處、架空地線終端設(shè)置避雷器。B級(jí)區(qū)雷害比較嚴(yán)重且線路重要，對(duì)部分特別需要的場所沿接觸網(wǎng)架設(shè)架空避雷線，同時(shí)在牽引變電所出口、接觸網(wǎng)隔離開關(guān)、電纜接頭或連接處、架空地線終端設(shè)置避雷器。除A、B級(jí)以外的區(qū)域?yàn)镃級(jí)區(qū)，一般在牽引變電所出口、接觸網(wǎng)隔離開關(guān)、電纜接頭或連接處設(shè)置避雷器。

4.鄭西高鐵接觸網(wǎng)的避雷器設(shè)計(jì)根據(jù)鄭西高鐵設(shè)計(jì)，在供電線上網(wǎng)處、長度2000m及以上橋梁兩端、長大隧道、高架站房、封頂式雨棚站區(qū)的兩端設(shè)置避雷器。鄭西高鐵處于多雷區(qū)，沿線所有接觸網(wǎng)隔離開關(guān)（含隧道兩端隔離開關(guān)）均安裝有避雷裝置，全線共計(jì)設(shè)置接觸網(wǎng)避雷器454臺(tái)。

5.鄭西高鐵雷擊跳閘情況

按照跳閘時(shí)有雷電活動(dòng)和現(xiàn)場證實(shí)絕緣子有閃絡(luò)痕跡進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。2010年2月6日至2011年9月2日，鄭西高鐵共計(jì)發(fā)生接觸網(wǎng)跳閘41件。其中，因雷擊跳閘12件，占跳閘總數(shù)的29.3%。按雷擊閃絡(luò)部位，正饋線懸吊絕緣子8次，占雷擊跳閘的66.7%，腕臂絕緣子2次，正饋線下錨有機(jī)絕緣子1次，承力索下錨有機(jī)絕緣子1次。每次雷擊跳閘均重合成功，具體情況為：

5.1正饋線懸吊絕緣子8次，詳見表1。

5.2斜腕臂絕緣子雷擊閃絡(luò)2次，詳見表2。

5.3正饋線下錨硅橡膠絕緣子閃絡(luò)1次。2011年7月15日鞏義南變電所211、212DL跳閘（滎-鞏1070#），參見圖1。

5.4承力索下錨硅橡膠絕緣子閃絡(luò)1次。2011年8月25日，西寨變電所211#、212#饋線跳閘（澠池南-三門峽南區(qū)間下行1077#），參見圖2。

6.鄭西高鐵接觸網(wǎng)雷害情況分析

6.1鄭西高鐵避雷器設(shè)計(jì)情況。鄭西高鐵在每臺(tái)接觸網(wǎng)隔離開關(guān)處均設(shè)置了避雷器，滿足了設(shè)計(jì)規(guī)范接觸網(wǎng)設(shè)置避雷器的要求。

6.2避雷器防雷效果分析。自2010年2月6日鄭西高鐵開通以來，確認(rèn)雷擊造成接觸網(wǎng)跳閘12件，其中500m范圍內(nèi)安裝有避雷器的4處，500—1000m范圍內(nèi)安裝有避雷器的5處，超過1000m范圍安裝避雷器的3處。其中，2011年8月25日，澠—三區(qū)間1077#承力索下錨有機(jī)絕緣子遭雷擊，離其最近的1075#支柱（相距約50m）設(shè)有1臺(tái)避雷器。避雷器防雷效果應(yīng)進(jìn)一步深入探討。

6.3雷擊原因分析。鄭西高鐵為新建線路，沿線多位于周圍沒有高大建筑物的處所，接觸網(wǎng)設(shè)備為最高點(diǎn)，易受雷擊。部分區(qū)段正饋線絕緣子干弧距離短，僅有320mm。在保證絕緣泄露距離1400mm的情況下，裙邊直徑增大，裙邊距離相應(yīng)縮短，雷害時(shí)容易形成裙邊擊穿放電，造成閃絡(luò)。實(shí)踐還表明，即使結(jié)構(gòu)高度大的絕緣子，仍有雷擊閃絡(luò)現(xiàn)象發(fā)生。

6.4與德國對(duì)比。根據(jù)相關(guān)資料，德國接觸網(wǎng)的測量數(shù)據(jù)表明，德國鐵路一年中每100km長的線路可能遭受一次雷電沖擊。鄭州局管內(nèi)的鄭西高鐵長為357km（863條公里），運(yùn)行一年，雷擊次數(shù)為12次。

7.國內(nèi)其他主要高鐵接觸網(wǎng)雷擊情況

7.1西安局管內(nèi)鄭西高鐵。西安局管內(nèi)鄭西高鐵2010年共發(fā)生雷擊跳閘共計(jì)11次，占跳閘總數(shù)（12次）的91.67%。雷擊造成正饋線絕緣子閃絡(luò)或擊穿8處，其中絕緣子雷擊折斷1次。截至2011年8月底，鄭西高鐵發(fā)生雷擊跳閘共計(jì)1次，占跳閘總數(shù)（8次）的12.5%（正饋線于3月17日退出運(yùn)行）。

7.2上海局管內(nèi)高鐵。2011年1至8月份，上海局管內(nèi)高鐵因雷雨天氣引發(fā)接觸網(wǎng)跳閘276件。其中，京滬高鐵155件，滬寧城際54件，滬杭高鐵24件，杭深線26件，合寧線9件，合武線8件。因雷擊更換京滬高鐵支持絕緣子28處、懸式絕緣子4處，滬寧城際棒瓷絕緣子6處，杭深線棒瓷絕緣子2處、懸式絕緣子4處，合寧線棒瓷絕緣子1處、懸式絕緣子2處，合武線棒瓷絕緣子1處。

7.3廣州局管內(nèi)高鐵。自2009年12月26日武廣高鐵開通以來，截至2011年8月，廣鐵集團(tuán)管內(nèi)3條高鐵線路共發(fā)生跳閘354件。因雷擊引起或與雷擊相關(guān)的跳閘共計(jì)167件，占47.18%。其中：武廣高鐵共發(fā)生跳閘322件，含雷擊相關(guān)跳閘160件，雷擊跳閘占49.69%；廣珠城際共發(fā)生跳閘9件，雷擊相關(guān)跳閘7件，占77.78%。

7.4北京局管內(nèi)高鐵。京津城際開通以來，接觸網(wǎng)經(jīng)常出現(xiàn)因雷擊負(fù)饋線問題引發(fā)的跳閘。其中，2008年因雷擊問題損壞負(fù)饋線絕緣子7處；2009年因雷擊問題損壞負(fù)饋線絕緣子19處；2010年因雷擊問題損壞負(fù)饋線絕緣子44處；截至2011年8月20日，因雷擊問題損壞負(fù)饋線絕緣子31處。

7.5京滬高鐵。據(jù)電化院統(tǒng)計(jì)，京滬高鐵北京局管內(nèi)7月份雷擊跳閘共計(jì)27次，濟(jì)南局管內(nèi)6月25日～8月13日雷擊跳閘共計(jì)20次，上海局管內(nèi)7月份雷擊跳閘共計(jì)53次，所有雷擊跳閘均重合成功，未對(duì)正常行車造成影響，但因雷擊造成了部分絕緣子損壞。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，上述雷擊跳閘統(tǒng)計(jì)期間，北京局管內(nèi)共更換絕緣子11只，濟(jì)南局管內(nèi)共更換絕緣子21只，上海局管內(nèi)共更換絕緣子7只。

8.高鐵接觸網(wǎng)防雷措施的建議

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，避雷器加密設(shè)置可以降低雷擊概率，但要徹底消除雷擊目前做不到。即使每根支柱安裝1臺(tái)避雷器，也僅比不裝避雷器雷擊概率降低一半。造成這一現(xiàn)象的根本原因是接觸網(wǎng)的絕緣水平相對(duì)較低。從《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10009-2005）可以看出，接觸網(wǎng)上避雷器的設(shè)置主要用于防止接觸網(wǎng)雷擊時(shí)對(duì)接觸網(wǎng)隔離開關(guān)、電力機(jī)車及牽引變電所等設(shè)備的損壞，該設(shè)計(jì)原則已在我國電氣化鐵路使用多年。因此，為做好高鐵接觸網(wǎng)防雷擊災(zāi)害能力，減少對(duì)高鐵運(yùn)輸安全的影響，在此特建議：

8.1加強(qiáng)高鐵接觸網(wǎng)雷擊特點(diǎn)分析。鐵三院在高速鐵路《接觸網(wǎng)防雷專項(xiàng)評(píng)估報(bào)告》中結(jié)合我國高鐵實(shí)際，通過分析計(jì)算提出了在高雷區(qū)、強(qiáng)雷區(qū)的每一個(gè)錨段的中心錨結(jié)附近增設(shè)一臺(tái)避雷器，在多雷區(qū)、少雷區(qū)每隔一個(gè)錨段的錨段關(guān)節(jié)附近增設(shè)一臺(tái)避雷器，以降低感應(yīng)雷電壓影響。根據(jù)本文6.2統(tǒng)計(jì)結(jié)果，即使500m范圍內(nèi)有避雷器，仍有4次避雷器雷擊閃絡(luò)。因此，應(yīng)加強(qiáng)雷害點(diǎn)周邊環(huán)境特點(diǎn)、鄰近避雷器設(shè)置動(dòng)作情況和雷擊絕緣子受損情況分析，積累防雷經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步加強(qiáng)雷害特點(diǎn)和規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

8.2提高高鐵接觸網(wǎng)抗雷擊災(zāi)害能力。基于現(xiàn)實(shí)，應(yīng)加強(qiáng)接觸網(wǎng)絕緣配合和設(shè)備防雷措施的設(shè)計(jì)，即使遭受雷擊也不損壞供電設(shè)備。重點(diǎn)做好高鐵接觸網(wǎng)絕緣子性能研究，不斷改善絕緣子抗雷擊能力，即使雷擊閃絡(luò)，僅跳閘重合成功，而不造成絕緣子破壞性損壞。

8.3完善應(yīng)急處置預(yù)案。從鄭西高鐵雷害情況看，雖然雷擊跳閘均重合成功，但雷擊對(duì)接觸網(wǎng)還是有損傷的。隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間增加，雷害有可能引起斷線、塌網(wǎng)故障。因此建議：接觸網(wǎng)跳閘重合成功后，首列動(dòng)車組仍應(yīng)限速行駛。

8.4加強(qiáng)在線運(yùn)行避雷器的管理。一是積極探索和組織研制接觸網(wǎng)避雷器在線檢測設(shè)備。按照《高速鐵路接觸網(wǎng)運(yùn)行檢修暫行規(guī)程》（鐵運(yùn)〔2011〕10號(hào)）第69條規(guī)定，避雷器的維護(hù)、試驗(yàn)應(yīng)按產(chǎn)品說明書的要求進(jìn)行。電科院東芝避雷器有限公司（廊坊）要求避雷器投運(yùn)3-5年后，測量U1mA值，其值與投運(yùn)前所測值相比，變化不大于±5%。測量0.75U1mA下的泄漏電流，其值不得大于30μA。但實(shí)際上，有些廠家常?；乇茉囼?yàn)問題。因此，應(yīng)明確避雷器的預(yù)防性試驗(yàn)要求，防止避雷器自身故障的發(fā)生。為減少接觸網(wǎng)維護(hù)工作量，建議：研制推廣具有在線檢測裝置、免試驗(yàn)的接觸網(wǎng)避雷器。二是規(guī)范避雷器的安裝方式。為防止避雷器運(yùn)行中故障影響供電，脫離器必不可少。脫離器的安裝應(yīng)做到即使避雷器故障，也不影響接觸網(wǎng)運(yùn)行安全。推薦使用石武高鐵的安裝方式，見圖3。

8.5加強(qiáng)全并聯(lián)AT供電方式對(duì)接觸網(wǎng)雷擊跳閘概率影響的研究。在雷電過電壓的作用下，在發(fā)生沖擊閃絡(luò)后，絕緣子串不一定都會(huì)引起短路跳閘。只有當(dāng)在工頻電壓作用下，沖擊閃絡(luò)發(fā)展成穩(wěn)定的電弧時(shí)，才會(huì)引起短路故障。目前尚不能很好地解釋為什么與高鐵并行的既有電氣化鐵路雷擊跳閘較少的原因。據(jù)廣鐵集團(tuán)統(tǒng)計(jì)資料，海南東環(huán)線自2010年12月30日開通以來，共發(fā)生跳閘23件，卻未發(fā)生雷擊影響的跳閘，其接觸網(wǎng)安裝方式見圖4。因全并聯(lián)AT供電方式接觸網(wǎng)電壓較高、短路電流大，采用貫通地線等因素對(duì)雷擊跳閘有無影響值得深入研究。