本刊特稿
年来，随着电气化铁路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问题突出，对供电设备安全运行和运输秩序造成较大影响。高速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。 1 供电设备雷害机理及其影响
1.1 雷害基本机理
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4 kA，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。
微波天线
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45 kA，接触网因感应雷引起的跳闸率较直击雷引起的跳闸率要低得多。
1.2 雷害跳闸闪络放电部位分析
对雷害跳闸闪络放电设备部位的分类统计见表1。从中可以发现，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铁路和高速铁路的接触网设备，高速铁路AT供电方式相对普速铁路供电方式，F线总量基数小，但F线部位跳闸总数占比为29%。 1.3 雷害跳闸的影响分析
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，或因为
高速铁路接触网雷害特征与防护侯文玉：中国铁路总公司运输局，副局长兼供电部主任，高级工程师，北京，100844
摘 要：阐述电气化铁路供电设备雷害机理与影
响，并总结其主要特征。重点就高速铁路接触网
雷电防护现状及存在的问题进行探讨，研究雷害
整治措施，并通过典型线路防雷设施改造效果分
析，提出供电设备雷电防护技术路线。
关键词：高速铁路；供电；接触网；雷电；雷
害；跳闸；避雷器
中图分类号：U223.8 文献标识码：A
文章编号：1001-683X（2016）11-0001-06
近
高速铁路接触网雷害特征与防护 侯文玉
绝缘机体损坏造成电气绝缘性能下降而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，目前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为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线路，接触网雷雨跳闸件数一般为每百公里9～33件，平均百公里跳闸10件左右（见表2）。
2 供电设备雷害主要特征
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进行分析，可以发现供电设备雷害呈现明显的规律性。2.1 季节性
高铁雷雨跳闸季节性特点明显，一般5—9月为高发期，其中8月跳闸件数最多（见图1）。
2.2 地域性
供电设备雷雨天气跳闸件数分布地域差异较大。雷雨跳闸较为集中在南昌、南宁、广州、上海、北京和沈阳铁路局（公司），这些铁路局（公司）所处地区和气象部门公布的年均雷暴日指标为高雷区、强雷区主要分布区的规律基本一致。
以京沪高铁25座牵引变电所跳闸件数分布情况（见图2）为例，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。
表1 接触网雷害跳闸闪络放电部位分类统计
表2 部分高铁线路百公里雷击跳闸统计
图1 高铁雷击跳闸季节性趋势变化
300 250 200 150 100 50 0
0 5 5
26
62
89
146
262
跳闸件数/件
102
3 0 0
1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月
图2 京沪高铁牵引变电所雷击跳闸统计
12 10
8 6 4 2 0
虹
桥
昆山南 南京南
无锡 郑陆 丹阳 下蜀 腰铺 桑润
蚌埠南固镇 桃沟
徐州东
周营 东郭 王庄 泰铁
济高禹城
德州东
城关 清池 静海 华苑
周立营
2012年 2013年 2014年
跳闸件数/件
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2.3 高铁线路相比普速线路更易遭受雷击
（1）同一区域内，高铁雷雨天气跳闸率明显高于普速线路。以北京铁路局管内各线路数据为例，雷雨天气接触网跳闸共计186件，其中高速铁路149件，占总数的80%；普速铁路37件，占总数的20%。高铁线路每百条公里设备受雷击跳闸3.73件；普速线路每百条公里设备受雷击跳闸0.36件，高铁是普速线路的10.4倍。
（2）在并行走廊中，高铁线路雷雨天气跳闸件数明显高于普速线路。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、哈大两条高铁线路分别与京广线、哈大线区域走向基本一致，但雷雨天气跳闸件数高铁明显多于普速线路，京广高铁件数甚至达到京广线的近2倍（见表3）。
2.4 同区域内因地理和运行环境不同体现的差异性
北京铁路局部分高铁雷击跳闸统计见图3。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。
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集团管内的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。
3 接触网雷电防护现状
3.1 现有设计规范关于雷电防护的要求
TB 10009—2005《铁路电力牵引供电设计规范》[1]
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2 000 m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。
3.2 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。
3.3 存在的主要问题
（1）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，其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。京广高铁部分典型雷雨闪络跳闸和避雷器位置见表4。
（2）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
表3 并行区段高铁和普速线路雷击跳闸情况对比 件
图3 北京铁路局部分高铁雷击跳闸统计
哈勃太空望远镜
18.00 16.00 14.00 12.00 10.00 8.00 6.00 4.002.00 0.00
12.77
百公里跳闸件数/件
8.86报表系统
16.95
11.84
0.89
京广高铁 京沪高铁 京津城际 津秦高铁 石太客专
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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的最大电气距离。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，容易造成长时间停电，影响运输秩序。2011年4月30日，京广高铁武汉—咸宁北区间111#避雷器爆炸；2013年4月5日，京广高铁驻马店西—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 min；南宁铁路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2015年1月4日，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 min。
（3）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。
（4）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，在相邻区段，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件数由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件数由改造前的3件降为改造后的1件，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50 m。
（5）根据雷电日进行接触网大气过电压保护设计欠精准。TB 10009—2005《铁路电力牵引供电设计规范》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，南昌铁路局京九线、杭深线、沪昆线等铁路按照多雷区或高雷区进行设计，但南昌铁路局江西、福建两省遭受雷击情况频繁，仅2014年8月29日21：00—22：40的100 min内南昌地区响雷达1 144次，平均每分钟响雷11次，气象部门监测结果显示100 min内江西省监测到4 050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·年的雷击跳闸件数限值分段设计。
4 防雷工作整治措施
4.1 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，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。积极推动实施表4 京广高铁部分典型雷雨闪络跳闸和避雷器位置
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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。
4.2 推进供电设备防雷安全专项整治
将防雷工作列入中国铁路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。
京沪高铁完成加强线改架空地线1 026条公里，新增架空地线755条公里。沈阳、北京、武汉、上海、南昌、广州等铁路局（公司）认真实施接触网防雷功能改造，自2013年至今，完成加装架空避雷线858.787 km，实施牵引变电所接地网整治58座。
4.3 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。国家铁路局最新颁布TB 10621—2014《高速铁路设计规范》[2]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40 d的地区宜采用架空避雷线为主的设计措施”。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，运输局正组织编制《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。
5 雷电防护工程实效
通过采取一系列有效措施，在防雷设施改造区段，接触网雷雨跳闸件数和跳闸率较改造前有较大幅度下降。
5.1 京沪高铁
自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。自2014年开始，对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件数逐年下降，2013年较2012年减少31件，下降25%；2014年较2012年减少72件，下降58%；2015年较2012年减少80件，下降65%（见图4）。
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5
9%）。这是由京沪高铁接触网安装结构特殊性的固有特点而导致的，同时也从另一侧面印证避雷线的防护效果。
5.2 京广高铁
2014年，京广高铁完成清远—广州南高雷区段50 km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34件降到2015年6件。2013年，京广高铁武广段咸宁北—赤壁北上下行接触网架设避雷线82.9 km，改造区段2010年雷击跳闸13件，2011年7件，2012年4件，2013年避雷线架设完成后雷击跳闸0件。2015年，对京广高铁郑武段孝感北—横店东上下行接触网架设避雷线45.9 km，改造区段2013年雷击跳闸2件，2014年4件，2015年2件，2016年避雷线架设完成后雷击跳闸0件。
5.3 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，沈阳铁路局对四平东变电所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。
图4 京沪高铁2012—2015年雷雨跳闸统计
140
120
100
80
60
40
20
124
跳霍尔电流
闸
dmtn件
数
/
件
93
医用钛52 44
2012年 2013年 2014年 2015年
豫公网安备41160202000603
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