高速鐵路避雷器與防雷線技術(shù)綜合應(yīng)用研究

孫 巍

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300251)

高速鐵路避雷器與防雷線技術(shù)綜合應(yīng)用研究

孫 巍

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300251)

我國高速鐵路線路大多要經(jīng)過多種地形、地貌,不同區(qū)域地理、氣候、運(yùn)行條件的差異增加了高速鐵路防范雷擊的難度，且避雷器與防雷線技術(shù)均存在自身不足。故單獨(dú)使用某一項(xiàng)防雷技術(shù)都難以最優(yōu)化地實(shí)現(xiàn)高速鐵路避雷、防雷技術(shù)的提升。文章提出在高速鐵路線路經(jīng)過的所有區(qū)域路段，將避雷器、防雷線技術(shù)作為工程體系技術(shù)綜合應(yīng)用在高速鐵路接觸網(wǎng)上，使全線路置于防雷、避雷系統(tǒng)全面防控之下的構(gòu)想，形成兩種成熟技術(shù)的有機(jī)組合和優(yōu)勢互補(bǔ)。研究證明：在山區(qū)、復(fù)雜地段和特別路段的高速鐵路接觸網(wǎng)上主要裝置避雷器；在強(qiáng)雷區(qū)和平坦地段、主要電氣設(shè)備安裝地段等架設(shè)防雷線，兩者各自負(fù)責(zé)不同區(qū)域，形成避雷、防雷全覆蓋，可以有效保證高速鐵路線路和設(shè)施的安全。

高速鐵路； 避雷器； 防雷線； 技術(shù)； 綜合應(yīng)用

高速電氣化鐵路的抗雷安全是一個重要的課題，隨著我國高速鐵路快速發(fā)展，相應(yīng)的抗雷技術(shù)及其措施需要大規(guī)模的跟進(jìn)，以保證高速鐵路設(shè)施和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全?？估装踩旧砑夹g(shù)含量高，操作難度大，高速鐵路線路區(qū)段氣候復(fù)雜，各種因素雜糅，相關(guān)的防雷、避雷和安全保障措施必須引入高新技術(shù)，提高施工質(zhì)量，才能保證高速鐵路的安全。因此，做好高速電氣化鐵路的抗雷工作意義重大。文章結(jié)合我國高速鐵路發(fā)展?fàn)顩r，分析高速鐵路避雷、防雷技術(shù)的應(yīng)用實(shí)際，提出高速鐵路抗雷技術(shù)應(yīng)用的創(chuàng)新策略措施。

1 高速鐵路一般的抗雷技術(shù)措施

多年來，在我國高速鐵路發(fā)展過程中，抗雷技術(shù)主要是通過接觸網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用來預(yù)防雷擊，保證鐵路行車和人民生命財(cái)產(chǎn)安全?？估准夹g(shù)具體包括避雷器技術(shù)和防雷線技術(shù)。

1.1 高速鐵路防雷避雷的技術(shù)規(guī)定

雷電是高速鐵路的大敵，它嚴(yán)重影響著高速鐵路的安全。而我國又具有氣象復(fù)雜、雷電區(qū)域繁多的特點(diǎn)。在技術(shù)層面上，表征某個地區(qū)的雷電頻繁程度通常是以當(dāng)?shù)氐睦妆┤瞻l(fā)生天數(shù)(td)來決定的。雷暴日越多，則雷電活動愈頻繁。雷暴日是指一個地區(qū)平均一年內(nèi)的雷電放電的平均天數(shù)，單位為d/a。在雷電預(yù)防的技術(shù)應(yīng)用中，我國高速鐵路借助接觸網(wǎng)抗雷技術(shù)應(yīng)用有其理論依據(jù)，主要是根據(jù)我國技術(shù)部門制定的GB 50343-2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》和GB 50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定。按照這些相關(guān)規(guī)定，人們根據(jù)區(qū)域天氣情況，確定雷電狀況，主要參考地域發(fā)生的雷電日天數(shù)來劃分雷電技術(shù)等級。其具體規(guī)定是，每年的雷電日平均在25 d及其以下的區(qū)域列為少雷區(qū)，年平均雷暴日大于25 d，但在40 d以下的區(qū)域列為中雷區(qū)，年平均雷暴日大于40 d、但在90 d以下的地區(qū)列為多雷區(qū)，年平均雷暴日超過90 d的地區(qū)列為強(qiáng)雷區(qū)。我國幅員遼闊，地域復(fù)雜，雷電分布不勻，各種復(fù)雜情況普遍存在，雷區(qū)特別是多雷區(qū)、強(qiáng)雷區(qū)較多，抗雷任務(wù)繁重。因此必須嚴(yán)格按照TB 10621-2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求做好防雷避雷措施。該規(guī)范特別明確規(guī)定，長隧道(規(guī)定為長度1 km)的兩端，都要安裝防雷設(shè)施，以保證高速電氣化鐵路及其相關(guān)設(shè)置的安全。

1.2 高速鐵路接觸網(wǎng)避雷器技術(shù)

避雷器是高速鐵路電氣化鐵路抗雷措施中，用于限制高速鐵路線路區(qū)段的雷電過電壓、操作過電壓的避雷設(shè)施。避雷器的實(shí)質(zhì)是一種過電壓的限制器，避雷器裝置常與線路電器設(shè)備并聯(lián)起來形成回路，當(dāng)過電壓出現(xiàn)時，先經(jīng)過避雷器，當(dāng)過電壓超過避雷器的放電標(biāo)準(zhǔn)時，避雷器就會先行過電，過電壓就不再經(jīng)過其它電器設(shè)備，這樣就避免了超高過電壓對高速鐵路電氣設(shè)備的沖擊，預(yù)防其損壞。避雷器類型眾多，常用的有排氣式避雷器、保護(hù)間隙、金屬氧化物避雷器和閥門式避雷器等。

避雷器的優(yōu)勢在于，其非線性伏安特性明顯，一些特別區(qū)段最適宜架設(shè)避雷器來避雷。如雷電活躍地帶、打雷概率較高的路段、峽谷和山地風(fēng)口區(qū)段、土壤電阻率較高且降低支柱接地電阻困難的路段等。此外，人員密集區(qū)域、重要站場地帶等也宜使用避雷器來防雷避雷，不但防護(hù)范圍大，效果也比較顯著。

1.3 高速鐵路接觸網(wǎng)防雷線技術(shù)

防雷線是在高速鐵路接觸網(wǎng)上方架設(shè)的專用線，用以避免雷電過電壓直接流過接觸網(wǎng)、牽引網(wǎng)設(shè)備等的過電壓線。設(shè)置防雷線以后，當(dāng)雷電流出現(xiàn)時，會先行經(jīng)過防雷線，由防雷線吸引接地。這樣，高速鐵路的牽引供電系統(tǒng)和其它系統(tǒng)，就能得到有效的防雷保護(hù)。

防雷線的過雷電流很大，基本上把本來要經(jīng)過高速鐵路設(shè)施的雷擊電流全部分流吸引并導(dǎo)入接地，這就有效地防止了雷擊電流對高速鐵路設(shè)施的傷害。具體功能包括：(1)分流流入高速鐵路基礎(chǔ)網(wǎng)的桿塔的電流，大幅度地降低過桿塔塔頂?shù)碾妷海?2)防雷線形成耦合導(dǎo)線，有效降低導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓。在技術(shù)要求上，防雷線一般架設(shè)在高于接觸網(wǎng)系統(tǒng)的上方，當(dāng)出現(xiàn)雷擊時，雷電先行接觸到的是防雷線，而不是接觸網(wǎng)，防雷線率先形成接觸雷電的先導(dǎo)系統(tǒng)，把雷電引流到大地。即雷電僅對防雷線放電，通過接地后被消化掉，因此，防雷線安裝必須連接有良好的接地線路裝置。雷電襲擊時，防雷線把雷電流順利引入大地，接觸網(wǎng)和鐵路設(shè)施就避免了雷電沖擊。因此，裝置防雷線也能極大地降低接觸網(wǎng)遭受雷擊的概率和程度。

2 兩種抗雷技術(shù)的不足及高速鐵路抗雷的困難

由于不同地域各有特點(diǎn)，因而兩種抗雷技術(shù)措施各自都能發(fā)揮出巨大的作用，較好地保證了高速鐵路安全。但又因客觀原因和本身的技術(shù)發(fā)展制約均存在著自身的不足。

2.1 避雷器技術(shù)的不足

接觸網(wǎng)避雷器技術(shù)不足之處主要表現(xiàn)在(1)避雷器所安裝的地方多為山區(qū)或復(fù)雜地段，環(huán)境條件較差，接觸網(wǎng)避雷器的安裝、維護(hù)、維修、更換等都比較困難。且避雷器本身的技術(shù)質(zhì)量如密封、防爆、可靠性、機(jī)械強(qiáng)度等要求也比較高，否則起不到避雷效果。(2)避雷器的抗雷水平和程度往往與高速鐵路線路所在的地形、氣象條件等密切相關(guān), 不同的地域、地段差異較大, 即使是同一地域，線路經(jīng)過的不同地形也有一定程度的差別, 故接觸網(wǎng)安裝避雷器的避雷保護(hù)作用有一定的局限。避雷器無法應(yīng)對所有區(qū)段的防雷、抗震。(3)避雷器的避雷效果大面積應(yīng)用還比較困難，如果高密度地安裝避雷器，相關(guān)的檢查維修和各種開支會大幅度增加投資。如果安裝密度過低，又起不到避雷效果。

2.2 防雷線技術(shù)的不足

防雷線技術(shù)是通過架設(shè)在接觸網(wǎng)上面的專線來防備雷擊的。由于防雷線可以沿線拉開，高速鐵路較長線路、區(qū)段都可以全覆蓋，故防雷線技術(shù)適宜應(yīng)用在較為平坦、空曠的線路地段。而地形復(fù)雜、雷擊頻繁、中雷區(qū)以下等復(fù)雜地段，雷擊率高，防雷線無法應(yīng)付這些地段的雷擊。

因此，單一的避雷技術(shù)是無法保證高速鐵路全線的防雷、抗雷安全的，應(yīng)引入其它技術(shù)方法綜合防范，將雷電災(zāi)害降低到最低限度。

2.3 高速鐵路抗雷存在的困難和問題

近年來，我國高速鐵路發(fā)展很快，多條高速鐵路全線開通，較好地滿足了廣大人民群眾的交通出行要求。我國高速鐵路的技術(shù)水平也在全世界遙遙領(lǐng)先。但由于高速鐵路本身技術(shù)難度大，各種工程系統(tǒng)都難以避免地存在著技術(shù)瓶頸，需要在發(fā)展的同時繼續(xù)加大技術(shù)創(chuàng)新的力度，以提高高速鐵路總體水平。其中，高速電氣化鐵路的抗雷工程，就是技術(shù)含量相當(dāng)高的部分。由于我國地域遼闊廣大，地形地貌復(fù)雜，高速鐵路地理區(qū)域往往橫跨了多種地形地貌，所經(jīng)過地區(qū)的地理、氣候條件千差萬別，情況復(fù)雜，雷擊相對較多，尤其是高速鐵路接觸網(wǎng)對地高度的寬度較大，遭受雷擊的概率也會增大。

對起伏坡度大、高峰低谷錯雜的地段，高速鐵路主要采用高架橋的形式通過，很好避開了地段的復(fù)雜地形地貌。但由此往往會增加接觸網(wǎng)在該區(qū)段的相對高度，因而增加了區(qū)域路段鐵路接觸網(wǎng)的高度，使得高速鐵路接觸網(wǎng)遭受雷擊的機(jī)率大大增加，這也就增加了接觸網(wǎng)體系防雷避雷的難度。作為高速鐵路設(shè)施的重要組成部分，接觸網(wǎng)不可或缺。接觸網(wǎng)是高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分，大部分是裸露的，承受雷擊的概率大，且沒有備用設(shè)施，這就需要足夠的避免或減少過電壓的防護(hù)措施。接觸網(wǎng)的防護(hù)措施不力，會直接引起接觸網(wǎng)的絕緣子損壞，造成電路跳閘，出現(xiàn)停電現(xiàn)象，影響高速鐵路有效運(yùn)營。雷擊產(chǎn)生的高強(qiáng)電流的過電壓，會通過接觸網(wǎng)流入變電所，直接攻擊變電所的電氣設(shè)備和線路的其它設(shè)施，易造成更大的事故。因此，高速鐵路接觸網(wǎng)的雷電防護(hù)，當(dāng)是高速鐵路安全防范的重要內(nèi)容，它直接關(guān)系到高速鐵路的正常運(yùn)營和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。為此，從高速鐵路設(shè)計(jì)開始，就必須高度重視防雷避雷措施，引入新的技術(shù)，提高抗雷水平，以實(shí)現(xiàn)高速鐵路運(yùn)營安全。

高速鐵路及其相關(guān)設(shè)施所遭受的雷擊危害，大體包括雷電反擊、直接雷擊和感應(yīng)雷擊過電壓等幾種情況。研究發(fā)現(xiàn)，直接雷擊過電壓約為100倍的電流幅值,接觸網(wǎng)上的防雷線或避雷器的直接雷擊承力將承受幾百到幾千kV/單位面積的過電壓。雷電反擊主要出現(xiàn)在接觸網(wǎng)支柱的頂部，支柱頂部不僅承受雷擊電流通過，而且還產(chǎn)生大量的過電壓，由此導(dǎo)致空氣中的電磁場發(fā)生劇烈而迅速的變化，這也會在導(dǎo)線上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。據(jù)統(tǒng)計(jì)即使在平原地區(qū)，每100 km每年因雷擊跳閘次數(shù)也高達(dá)15次，這會給高速鐵路運(yùn)行安全帶來了極大的隱患。

我國高速鐵路的絕大部分接觸網(wǎng)缺乏多層次防護(hù)措施，大量地裸露于外部環(huán)境中，這也增加了防護(hù)的困難。一般的避雷器措施和防雷線技術(shù)，各自都無法全面地有效預(yù)防。局部的防雷技術(shù)應(yīng)用無法起到預(yù)期防護(hù)效果。

我國高速鐵路特殊的內(nèi)外部條件，特別是不同區(qū)域的地理、氣候和運(yùn)行條件的差異，增加了雷擊防范的難度。當(dāng)高速鐵路線路途經(jīng)空曠原野、高架橋等地段時，高速鐵路的相關(guān)建筑普遍高于其它設(shè)施，這就成了雷擊的主要目標(biāo)，極易遭受雷擊，特別是那些強(qiáng)雷區(qū)、高雷區(qū)，雷電活動頻繁，高速鐵路接觸網(wǎng)遭受雷害風(fēng)險(xiǎn)程度相對嚴(yán)重。據(jù)有關(guān)報(bào)道武廣線、貴昆線等，均因高速鐵路設(shè)施高于其它建筑而發(fā)生過雷擊接觸網(wǎng)并造成嚴(yán)重設(shè)備損壞的事故。因此，實(shí)施持續(xù)的技術(shù)革新，提高技術(shù)水平，扎扎實(shí)實(shí)提高高速電氣化鐵路的接觸網(wǎng)抗防雷水平是十分必要的。

3 防雷線技術(shù)和避雷器技術(shù)綜合應(yīng)用的初步構(gòu)想

結(jié)合我國高速鐵路的雷擊風(fēng)險(xiǎn)實(shí)際以及國內(nèi)外防雷經(jīng)驗(yàn)，為有效提高抗雷效果，更好地保障我國高速鐵路安全，提出把防雷當(dāng)作一個系統(tǒng)工程來抓，改變傳統(tǒng)的單一防范手段，綜合應(yīng)用多技術(shù)的防范手段。根據(jù)高速鐵路不同路段的線路實(shí)際，在高速鐵路接觸網(wǎng)上方同時分別架設(shè)架空防雷線和接觸網(wǎng)避雷器的方案，即把避雷器和防雷線技術(shù)同時綜合應(yīng)用，以強(qiáng)化高速鐵路線路的防雷避雷水平，更好地保證高速鐵路安全。

3.1 分段分別安裝避雷器和防雷線

避雷器的裝置主要考慮山區(qū)、復(fù)雜地段，以及一些特別地段。主要包括：分相區(qū)域、站場端部的絕緣錨段關(guān)節(jié)，長度1 km以上的隧道兩端、供電線(長度大于200 m)、分相和站場端部的絕緣錨段關(guān)節(jié)、自耦變壓器供電線與接觸網(wǎng)的連接處，懸崖、峽谷等雷擊概率大的地點(diǎn)以及27.5 kV電纜的接頭及電纜終端處等。此類地段多屬于中雷區(qū)地段，年雷擊日40 d以下，直接采用避雷器防雷。

一般地段和強(qiáng)雷區(qū)則應(yīng)設(shè)置避雷線，在年雷擊日大于40 d，甚至超過90 d以上的強(qiáng)雷區(qū)地段，則應(yīng)架設(shè)全線全網(wǎng)的防雷線，以全面防備和減少雷擊，并注意防雷線宜每200～300 m設(shè)獨(dú)立接地極。

接觸網(wǎng)避雷器技術(shù)應(yīng)用和接觸網(wǎng)全網(wǎng)全線防雷線安裝的綜合使用，可更好地解決我國雷區(qū)高速鐵路抗雷的技術(shù)問題，提高避雷防雷效果。

3.2 接觸網(wǎng)的避雷器架設(shè)技術(shù)方案

接觸網(wǎng)抗雷主要用于高雷區(qū)，當(dāng)避雷器的沖擊放電電壓小于接觸網(wǎng)絕緣子的沖擊放電電壓時，避雷器發(fā)生作用，避免線路變電所的電器跳閘。因?yàn)楸芾灼靼l(fā)揮作用，大量吸收了雷擊電量，接觸網(wǎng)的絕緣子、支柱等收到的沖擊電壓就明顯減少，往往只是一些殘壓，不會造成沖擊危害，這就提高了接觸網(wǎng)的耐雷電沖擊水平，有效保護(hù)了高速鐵路接觸網(wǎng)和相關(guān)電器。

避雷器本身體積小，重量輕，加上自身的密封性、耐污性、防爆性和可靠性等都比較高，避雷效果好，是接觸網(wǎng)避雷所不可缺少的。有一種帶脫離器的氧化鋅避雷器，其標(biāo)稱電壓的有效值為27.5 kV, 避雷器的持續(xù)運(yùn)行電壓有效值為34 kV,額定電壓有效值為42 kV,陡波沖擊電流殘壓為138 kV, 雷電沖擊電流殘壓為120 kV，操作沖擊電流殘壓為98 kV。這些基本數(shù)據(jù)是避雷的基本要求。這些數(shù)據(jù)的確認(rèn)是高速鐵路接觸網(wǎng)避雷器避雷的基本保證。

3.3 接觸網(wǎng)防雷線架設(shè)技術(shù)方案

接觸網(wǎng)上方架空防雷線，可把防雷線安裝在支柱頂部，防雷線與接觸網(wǎng)水平腕臂距離為2 m，保護(hù)角為20°～30°。研究計(jì)算證明，這樣的距離設(shè)置，可以有效防護(hù)包括支柱上以及沿線接觸網(wǎng)在內(nèi)的所有設(shè)備。連接時要把防雷線與接地引線連接起來，接地引線更與支柱鋼筋緊密連在一起，焊接緊密，防止焊接松弛，還要通過支柱接地線緊密接地，接地電阻一般規(guī)定小于10 Ω，接地間距為4個跨距左右，以保障防雷線等防雷避雷設(shè)施發(fā)揮作用，正常運(yùn)行。文獻(xiàn)研究的結(jié)果表明：當(dāng)輸電線路與防雷線的位置角度被減小的時候，輸電線路的耐雷水平能得到有效提高。此外，減小防雷線的地面傾角也能有效地防止繞擊率。

4 結(jié)束語

高速電氣化鐵路的防雷技術(shù)較多，常用的有避雷器技術(shù)和防雷線技術(shù)。這兩種技術(shù)各有利弊，單獨(dú)使用可能暴露出較為明顯的不足，如果把兩種技術(shù)綜合起來應(yīng)用，在不同區(qū)段采用不同的抗雷技術(shù)，安裝不同的抗雷設(shè)施，可以互相彌補(bǔ)不足，能有效保證高速鐵路的全線防雷避雷安全。因此本文提出了高速鐵路接觸網(wǎng)避雷器技術(shù)和防雷線技術(shù)綜合應(yīng)用的初步構(gòu)想。

這一設(shè)想的具體內(nèi)容是，為防治雷電直擊雷害，保證高速鐵路運(yùn)行安全，保證各種設(shè)備安全無虞，建議在強(qiáng)雷電頻繁區(qū)段、重要設(shè)備安裝地段以及平坦地段等的高速鐵路接觸網(wǎng)上，架設(shè)防雷線，并盡量安裝在接觸網(wǎng)的承力索上方，做好防雷線接地。同時，為防治感應(yīng)雷電雷害，在一般中雷區(qū)以下地段、山區(qū)復(fù)雜地段和一些特別地段等的高速鐵路接觸網(wǎng)上，則要安裝避雷器，兩種抗雷技術(shù)綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)技術(shù)互補(bǔ)和抗雷全覆蓋，以有效增加防雷避雷效果，更好地保障高速鐵路安全。

這一設(shè)想突破了傳統(tǒng)的抗雷技術(shù)限制，彌補(bǔ)了單一抗雷技術(shù)的缺陷，解決了高速鐵路所有路段、不同區(qū)域的有效抗雷問題，是一個極具創(chuàng)意的技術(shù)創(chuàng)新措施。據(jù)知這一設(shè)想曾在一些地方有過實(shí)施，但還未形成規(guī)模，作為高速鐵路抗雷的一種有效的創(chuàng)新舉措，值得推廣應(yīng)用并在實(shí)踐中進(jìn)一步創(chuàng)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

孫巍(1980-)，男，工程師。

1674—8247(2016)04—0071—05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A