石云峰
[摘 要]本文针对京沪高铁开通运行以来由于接触网绝缘子雷电闪络造成的供电电故障，总结和分析了架空线路绝缘子雷电闪络影响规律，并提出了一些观点和建议，为牵引供电系统的安全运行和维护提供借鉴。
[关键词]京沪高铁 接触网绝缘子 闪络跳闸与防范
中图分类号：TM863 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）08-0346-01
1 前言
长期以来，国内外学者在雷电活动规律、雷击线路的物理过程和冲击闪络机理方面做了大量的研究工作，建立了较为完善的输电线路防雷理论体系。但是，到目前为止，电网中雷击引起的故障仍然占电网故障的40%～70%，特别是雷击闪络后工频续流损坏绝缘子、金具、导线，仍然严重影响电网的安全运行，迄今为止，针对牵引供电系统研究雷电的冲击特性及其影响因素并不多。本文结合京沪高铁运行环境和设备现时状态中雷击绝缘子闪络引起跳闸的现象和特点，分析和总结了架空线路绝缘子雷电闪络影响规律。
2 京沪高铁接触网绝缘子雷电闪络跳闸统计分析
京沪高铁自2011年6月30日开通运行以来，接触网系统时常遭受雷电袭击造成绝缘子闪络放电，引起牵引变电所跳闸停电故障，严重影响了铁路行车安全。
2011年6月30日至2011年10月1日京沪高铁（北京至双口间）共发生雷击跳闸12次，根据故测仪故障电流数据显示，9次自恢复性故障是由T线（接触网）闪络造成的，其中有1次T线故障是由于雷击正馈线引起牵引变电所跳闸，故障点已找到，6次T线故障是故标处所附近均同杆架设加强线或上网供电线（位置高于接触线和承力索）。3次的自恢复性故障是由F线（正馈线）闪络造成的，其中两次2次F线绝缘子破损故障的已经找到。另外1次为T线故障是由于雷击正馈线引起牵引变电所跳闸。
根据对京沪高铁的雷击故障统计分析可以得出接触网遭受雷击的主要特点：
（1）京沪线接触网的线路绝缘子雷电闪络跳闸故障多为正馈线和加强线遭受雷击造成。
（2）京沪线接触网的线路绝缘子雷电闪络跳闸故障多为感应雷造成。
3 接触网遭受雷击过电压的分析
3.1 接触网雷击的种类
接触网雷击包括直接雷击，雷电反击和感应雷击过电压等。
3.1.1 直接雷击
直接雷击是指雷电直接作用于承力索、接触线、附加导线或支柱上，使接触网产生直击雷过电压，过电压叠加后其峰值可达上千千伏甚至更高，导致接触网设备烧损。
3.1.2 雷电反击过电压
雷击支柱顶部产生接触网雷电反击过电压，其中不仅有雷电流通过支柱，而且在支柱顶产生电位，同时空气中迅速变化的电磁场还在导线上产生感应电压。
3.1.3 感应雷击
距接触网有限远S>65 m处，雷击对地放电时，在接触网上产生的过电压与雷电流幅值成正比，其比值为3.84，即当I=100 kA时，感应过电压为384 kV，此时足以导致绝缘子发生闪络，也是引发接触网跳闸事故最多的诱因。
3.2 京沪高铁接触网设备频繁遭受雷击的原因
3.2.1 无避雷线
京沪高铁接触网线路设备上没有安装避雷线，不能有效地防止直击雷。保护线虽然有一定防雷作用，其仅能起到电力部门采取的架设耦合地线的防雷作用，架设高度远远没有达到有效防止直击雷的高度。
3.2.2 避雷器数量少
按TB10009—98的规定在重雷区及超重雷区的重点位置设置避雷器，无其它特殊要求。京沪高铁对于重雷区及超重雷区接触网上的避雷器太少，造成雷击跳闸率过高。
3.2.3 高铁线路位置关系
京沪高铁全程都是高架。光是高架离地面的距离都在20多米，再加上供电设备的高度，一般都能达到30米左右。再加上京沪高铁所建的地方都比较空旷，附近没有什么较高的建筑物。于是，其就成为周边的第一高度。这样，在遇到恶劣天气、尤其是打雷时受天气影响较大，被雷击的概率自然也就加大了。
3.2.4 接触网结构位置关系
京沪高速铁路接触网根据供电需要分无加强线和有加强线两种。无论是哪一种结构，保护线安装高度都位于正馈线和加强线之下，保护线不能起到应有的防雷作用。无加强线接触网结构中F线对T线（接触线）构成屏蔽，F线落雷概率高于T线；有加强线接触网中加强线对T线和F线均构成屏蔽，加强线的闪络概率较高。
4 京沪高铁接触网防雷电闪络措施
4.1 接触网的主要防雷措施
接触网的主要防雷措施包括：架设避雷线、绝缘子安装保护间隙、安装避雷器等。
4.1.1 架设避雷线
避雷线的保护原理是：避雷线通过其屏蔽作用减少雷电直击导线的概率，还可降低雷电感应过电压的幅值。避雷线是一种较为传统的线路防雷措施，优势在于电力系统中有多年的运行经验，不足在于会带来线路反击的问题，且对雷电感应过电压的限制效果比较有限。
4.1.2 安装保护间隙
保护间隙能够在在雷击闪络之后疏导工频续流电弧，防止绝缘子在工频续流电弧的烧蚀下发生炸裂、破损等，减少非自恢复性故障发生次数，使重合闸成功，保证供电的连续性。其优势在于成本较低，不足在于不能降低线路跳闸次数。
4.1.3 安装避雷器
避雷器能够通过其非线性伏安特性限制绝缘子两端的电压，使绝缘子不发生闪络，并抑制工频续流，防止线路因雷击跳闸。避雷器具有防护效果好的优点，不足在于成本略高。目前带串联间隙避雷器在我国电力系统中得到广泛应用。
4.2 京沪高铁接触网防雷电闪络针对性措施和建议
4.2.1 保护线位置改造
借鉴海南东环高铁接触网防雷设计，可将既有京沪高铁接触网保护线位置改移至接触网支柱顶部，提高保护线防雷效果。对于有加强线接触网区段（变电所出口至第一个分区所间），由于京沪高铁速度已降至300km/h，可考虑将加强线退出运行，将其改造成避雷线使用提高防雷效果。
4.2.2 保护间隙和避雷器配合使用
根据京沪高速铁路的工程实际，防护措施以安装保护间隙和安装带间隙避雷器为主，现已研制出适用于各类绝缘子的保护间隙和带间隙避雷器并已在部分区段进行试验。
4.2.3 加大绝缘长度以提高雷电冲击闪络电压
所有电压等级架空线路绝缘子型式个数和绝缘子串长度不是根据防雷防护而是根据工作电压来选择，通过绝缘子串中增加绝缘子个数可以提高提高雷电冲击闪络电压。
5 结论
高速铁路接触网具有良好的防雷性能是电气化铁道安全运营的基本保证之一，在工程实践中应根据当地的雷电活动情况，结合以往的施工运营经验，因地制宜，采取相应的防护措施。架设避雷线能有效地防止雷击带电部分造成危害，而避雷器和保护间隙配合则可以降低雷击过电压的峰段，提高接触网的耐雷等级，加大绝缘长度以提高雷电冲击闪络电压。
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