铁路牵引供电接触网直击雷防护分析

铁路牵引供电接触网直击雷防护分析

吴昊岩

沈阳铁路局集团有限公司调度所

摘要：电能是经济社会发展的重要能源保障，铁路牵引供电系统是为列车提供牵引电力的供电系统。随着我国高速铁路建设的不断发展，牵引供电系统的规模也在不断扩大。铁路工业的快速发展对牵引供电系统提出了越来越高的要求。中国对电力系统的安全稳定运行提出了非常严格的要求，但在实际运行过程中仍然存在一定的问题，特别是对于雷击。雷击架空接触网或其支撑架后，安装在附近的信号设备和铺设的信号电缆可能会发生损坏或故障。基于此，本文后续就铁路牵引供电接触网直击雷防护展开相关探究。

关键词：铁路；牵引供电；接触网；直击雷防护

中图分类号：U284文献标识码：A

引言

在过去的十年里，运输需求的不断扩大推动了电气化铁路的发展。电气化铁路的牵引系统在其运营中起着至关重要的作用，铁路事故也时有发生。列车运行期间接触网雷击发生率较高，导致设备故障和安全隐患。雷电环境会导致弓网系统短路和起弧，损坏弓网设备，扰乱列车正常运行。同时，许多学者对降弓运动与机车运行的关系进行了研究，发现在热效应的影响下，降弓电弧对机车高压端设备材料的侵蚀影响尤为显著。在分相和降弓过程中会出现能量振荡，对车顶的高压设备构成威胁。由此可见，为了保证列车的正常运行，要改进符合中国实际的接触网直击雷防护技术，这也是本研究的主要目的。

1 铁路牵引供电接触网直击雷故障分析

铁路项目的建设和发展大大提高了运营的综合经济效益，以电力为主要驱动力，运营效率高，载客量大，可以有效缓解公路交通的拥堵问题。为了满足高效运营的需要，铁路设施需要牵引供电系统的支持。然而，供电系统中接触网的剩余电压问题不仅影响了铁路设施的运行效率，还降低了整个供电系统的安全性，为铁路的稳定运行埋下了安全隐患[1]。在电气化铁路区段，接触网支柱通过贯通地线、分散接地、钢轨接地或架空地线等方式接地。分散接地方式的接地电阻不大于30Ω，其他接地方式不大于10Ω。架空接触网的供电线路、回流线路和支柱是铁路沿线相对较高的结构和金属导体，容易产生雷击点。接触网支柱或架空地线接地后，放电和接地过程中的雷电电流可通过静电感应、电阻耦合、电容耦合、地电位反击等多种途径，引起沿线铁路信号设备故障。牵引供电线路与雷电连接后，较高的雷电过电压会导致支撑绝缘子沿表面闪络，使工频电流和雷电流沿闪络通道和支柱内钢筋（或钢柱本体）入地，造成附近的信号设备、箱盒、电缆等故障，甚至导致设备设施火灾故障。沿线信号设备的此类故障问题，在普速铁路尤为常见。针对典型的铁路牵引供电接触网直击雷故障进行分析，并提出优化建议。

2 铁路牵引供电接触网直击雷防护策略

2.1 铁路牵引供电系统优化设计

对于电力系统或牵引供电系统来说，减少铁路枢纽变电站的规模，避免枢纽变电站和配电站的共建，有利于提高牵引供电系统的稳定性、供电可靠性和灵活性。对于大型铁路枢纽变电站，应考虑将其分散为几个小型变电站，这些变电站可以相互独立供电。在发生事故或其他紧急情况时，可以快速实施跨区供电，实现有限范围的系统供电“自我修复”。在变电站设备布置方面，应尽可能采用传统的平面布置方式，特别注意高低压区域的划分，最大限度地减少设备空间的堆放和交叉，从根本上确保消防隔离和人身安全。在防雷和强电流侵入防护方面，根据变电站的雷电、工频过电压和维护需求的特点，对变电站二次系统采取综合防雷措施，对接触网隔离开关电路采取强电流防护措施，特别是对于AC/DC系统和集成自动化系统。确保站内及沿线设备的等电位连接和接地连接结构完整可靠[2]。可以设计一种使用电源指纹技术的独立于传统保护的应急系统，通过采集电力系统用电设备的电气数据，通过AI和大数据技术计算出正常的用电模式特征，建立用电指纹特征库，一旦系统用电出现异常（如发生短路），系统将检测到电压电流出现异常波动，若此时传统保护失灵，系统将启动自动响应切除故障，避免故障扩大。

2.2 雷电波及大电流入侵影响控制

一是在雷击集中的区域安装避雷针，防止直击雷对一次设备造成损坏，并确保接地电阻符合要求[3]。设置避雷针可以形成扇形屏蔽区，达到避免直击雷的目的。与传统技术相比，该技术可以提高雷电感应过电压的参数值，有助于增强防雷效果。根据现有工程项目经验，避雷针通常安装在塔杆顶部，保护角度为20°至30°，距离横向悬臂1.7m，并与地线相连；二是在一次设备上安装避雷器，防止雷电波侵入。目前，高速铁路上常见的避雷器是无间隙氧化锌避雷器，在正常运行条件下流过屏障的电流几乎可以忽略不计。然而，雷击后，由于避雷器的非线性特性，通过避雷器的瞬时电流可能达到数千安培。此时，避雷器处于导电状态，可以在短时间内释放电压能量，最终减少雷击造成的损害[4]；三是一次设备的绝缘强度必须有一定的冗余度，严禁在边界状态下运行；四是二次机构箱应适当接地，接地线的截面积应符合要求，防止雷电流过接地线而导致烧坏；五是二次箱的接地线与接地体连接紧密，防止接触不良；六是在主控室面板或设备至箱体的二次线端子排上安装交直流浪涌保护器，在与通信管理机相连的通信线路上增加以太网和串口防雷端子，避免雷电波侵入设备；七是正确接地遥控装置和附件外壳。在设计和生产过程中，使用变阻器对板元件采取了一定的防雷措施。当电压大于一定值时，雷电短路接地，达到防雷效果。

2.3 建立接触网可视化接地系统

随着我国技术水平的不断提高，在铁路供电系统运行过程中，可以利用先进的信息技术为接触网构建可视化接地系统，全面提高接触网检测的及时性，减少接触网残压问题。架空接触网的可视接地系统主要由主站、监控装置、接地装置等组成，它可以远程控制停电后架空接触网设备的电气检查、接地线连接和拆除说明。内部结构的接地装置可以自动检测和记录接触残余电压，还具有一定的放电功能。如果接触网在停电后处于带电运行状态或剩余电压值超过标准，则可以使用接触网可视化接地系统的远程操作功能向设备发出自动放电指令。在接触网残余电压值降低到标准范围后，可以继续进行接地操作，以确保接触网和周围人员的安全，避免触电事故的发生。该方法可以有效减少人工操作造成的处理延迟问题，大大提高架空接触网中残余电压的处理效率，避免人为失误。据了解，接触网可视化接地系统已在我国多个城市的铁路线路上被广泛应用，有效利用接触网可视化接地系统开展具体工作，可实现对铁路供电系统及接触网残压问题的逐一处理，针对各接触网供电分区的检测、接地等操作均可在30min内完成，有利于缩减人工挂接地线的时间，可全面提升接触网残压问题的检修效率，保证挂线操作、供电系统以及检修人员的安全性。

结束语

综上，目前，铁路牵引供电接触网的直击雷防护已成为保障铁路安全的重要组成部分。根据工程经验，结合实际情况改进直击雷防护方案，可以显著提高系统安全性，有效提高闪络频率，达到预期效果。这对类似铁路电气防雷系统方案的改造具有一定的参考价值，值得进一步推广。

参考文献：

[1] 周海杰.浅析高铁牵引供电网雷电防护系统设计[J].科技与创新,2020(08):130-131.

[2] 方小飞.高速铁路牵引供电接触网用带间隙避雷器的研制探索[J].科技创新导报,2018,15(27):73-74.

[3] 陶婷.铁路牵引供电接触网防雷措施分析[J].内燃机与配件,2017(11):149-150.

[4] 郭栋.高速铁路牵引供电接触网雷电防护探讨[J].数码设计,2017,6(11):71.