引言

在现代交通系统中，重载铁路运输扮演着极为关键的角色，而重载铁路的兴起，又对供电线路的稳定性和安全性，提出了更高要求，供电系统面对重载需求，必须确保大容量与高负荷电力传输的有效性，因而其防雷性能受到特别关注，随着雷电对供电系统影响的加剧，所引发的设备损坏及供电中断事故频发，对重载铁路运输安全性构成严峻挑战。在这一背景下，研究与应用有效的防雷技术，已成为保障重载铁路运输，不受雷电威胁的关键手段，这些技术不仅有助于确保供电线路的安全，而且能够强化电力系统的整体稳定性，保障重载铁路运输的可持续运行及其可靠性，因此，对于重载铁路供电线路的防雷措施进行深入研究，不仅具有理论上的研究价值，也具有明显的实践重要性。

一、雷电模型及雷击过电压种类

（一）雷电模型

雷电作为一种自然现象，长久以来一直是电气工程领域研究的重要课题，雷电模型的构建，不仅帮助理解雷电的物理本质，也为防雷技术的发展提供了理论基础，雷电现象包括多种放电形式，例如云对地、云中、云对云以及云对空气放电等，在这些放电形式中，尤为重要的云对地放电，其过程可以被划分为四个阶段：先导放电、迎面先导、形成等离子体通道和主放电，先导放电是雷电发生的初期阶段，其中云内电荷的重新分布导致电场强度增加，达到一定程度时会引起先导通道的生成，迎面先导则是地面或物体产生的向上先导，与已经存在的下行先导相遇的过程。等离子体通道的形成标志着雷电放电通路已经建立，这一过程伴随着极端的高温和强光，最终发展阶段的主放电则造成了巨大的能量释放，形成强大的电流波形。在雷电流波形特征方面，它是一种非周期性瞬态电流，以快速上升的波头到达峰值后，以较慢的速度下降，这种特征波形说明了雷电流具有很高的上升速率和较大的峰值电流，其特性对于防雷系统的具体设计与执行具有决定性的指导意义^[1]。

雷击过电压是导致电力系统故障的重要元凶之一，根据雷击电压进入通信、信号和电力等设备的方式，可以区分直击雷和感应雷两种类型，直击雷是指雷云通过线路直接放电的现象，此时线路直接承受了雷电流的作用，其结果往往会导致设备击穿或绝缘子的闪烁，造成直接的物理破坏，而感应雷则是由于雷云与大地之间的静电场作用而产生的，当雷击到通信、信号或电力线路附近的物体时，会在附近空间生成的强电磁场影响线路和设备，引起电涌或电路波动，这一过程虽然没有直接接触，但足以导致设备内部元件的损坏或性能降低。在实际生产生活中，直击雷约占20%，感应雷则占80%，这表明在多数情况下，雷电带来的冲击是通过复杂电磁场的间接方式影响设备，这也意味着对感应雷防护的重要性不容忽视，由于感应雷往往具有更广泛的影响范围，和更隐蔽的作用机制，它对电力系统的长期稳定运行构成了潜在威胁，因此，研究感应雷影响下的过电压特性，优化和强化低压电力系统的抗雷能力，如合理设置接地系统、选用性能良好的雷电浪涌抑制设备以及加强线路设计和维护，已成为电力系统保护的重要内容。

二、雷击事故原因分析

（一）雷击事故原因分析

我国重载铁路供电系统在遭受极端天气时，时常发生雷击事故，这一现象主要由雷击引发的三种过电压造成：感应过电压、雷击水泥杆引起的过电压和直击雷的过电压，感应过电压源于雷电在电气化线路附近打击时，在接触网上产生的一种危险电压，通常被视为引发事故的主要原因。雷击水泥杆引起的过电压，往往是由于重载铁路10kV送电线路，普遍采用的水泥杆塔，多数不具备人工接地体，导致接地电阻值较高所致，如此高的接地电阻，无法有效释放雷击带来的电荷，增加了雷电过电压击穿设备的风险，至于直击雷的过电压，则是雷电直接击中线路或设备，产生极高电压，这类事故的影响通常最为剧烈。

（二）雷击水泥杆事故原因分析

深入探讨雷击水泥杆事故的成因，首先需要明确的是，当雷击致电气化线路附近的地面上，通过静电感应或电磁感应原理，在线路接触网的供电线、承力索、接触线和回流线上产生高达100千到200千伏的感应过电压，这一现象至关重要，因为尽管水泥杆的自然接地电阻，通常高达60欧姆，其设计耐压值却只有数千伏至十几千伏，这种显著的比率差距使得雷电过电压极易击穿水泥层，引发局部损坏。感应过电压的传播规律与雷击位置紧密相关，位于郊区草地或水田周边的水泥杆更易受到破坏，因为这里的地面积水和湿润，增加了雷电能量传导到水泥杆的概率。

（三）雷击引起频繁跳闸的原因分析

重载铁路供电系统中，感应过电压对保护设备的压力尤为显著，因为间隙避雷器的设计初衷是响应这类过电压，具体而言，感应过电压触发间隙避雷器动作后，极易导致断路器跳闸，另一方面，绝缘子的闪络通常由雷击导线产生的过电压造成，为详细阐述此现象，可以参考相关计算公式：受雷击点A处的过电压UA，其值可以通过雷电通道的波阻抗Z0和线路阻抗Z的关系式来计算，即UA=i*Z0*Z/(2*Z0+Z)，其中i为雷击产生的主放电电流，Z0为雷电通道的波阻抗，Z为线路的阻抗。当雷电通道的阻抗发生变化时，引发的过电压行波将在导线上向各个方向传播，在行波到达杆塔时，若作用在绝缘子串上的电压值超过绝缘子串冲击放电电压的50%，便会造成闪络，若此闪络未能及时消除，持续的高能量闪络将逐渐转变为工频电弧，最终导致供电线路跳闸，这种情况下，系统失去对正常供电流的控制，跳闸现象随之出现，频繁的跳闸无疑对重载铁路运输安全造成了连续且严重的影响^[2]。

三、雷击事故应对措施

（一）雷击水泥杆降损措施

针对雷击水泥杆引发的损害，当前防雷技术需要进一步精细化和系统化，以实现更卓越的保护效果，在降损措施方面，安装带有专门人工接地体的水泥杆尤为关键，这种设计的核心在于通过增加接地体数量来优化其分布和改善接地性能，例如，设计者可以利用地下水位、土壤温度和湿度参数进行科学计算，确定接地体的具体布局，最大限度地削弱电流，可能带来的不利影响，加装并联接地体能显著降低接地电阻，通常目标是将接地电阻值降至20Ω以下，以保证雷电流迅速导引至大地，保护水泥杆不受损害。关于水泥杆自身结构的改善，包括钢筋连接的优化，具体而言，应重点关注电气连杆的焊接质量和接头处的防腐处理，参照电工规范，使用抗腐蚀且高强度的材料进行连接，同时对接头处的防湿气渗透处理要求特别严格，以满足长期在户外恶劣天气影响下的水泥杆耐用性，为水泥杆提供额外保护，可在水泥杆旁边外接略高于杆的扁铁地面线，并确保其可靠接地，这可以形成一个屏蔽层，有效分散雷击电流密度，大大降低水泥杆因直击雷受到的损害，扁铁地面线与水泥杆之间需保持一定距离，防止雷击时产生的高电压直接传导到水泥杆上。

（二）减少雷击引起频繁跳闸的策略

为应对雷击引发的频繁跳闸问题，采用带外间隙的氧化锌避雷器，替代现有间隙避雷器是有效的解决方法，带外间隙的氧化锌避雷器设计，通过引入额外空气间隙，在不改变原有间隙避雷器电气特性的基础上，提高设备的耐高电压能力，具体而言，氧化锌避雷器在雷电冲击电压作用下能迅速呈现较低电阻，让高达数千安培的雷电流迅速释放到大地，减少感应过电压产生的跳闸现象。氧化锌避雷器内部的氧化锌材料，在工频电压作用下表现出相当高的电阻，这种特性保证在正常工作电压下，避雷器能有效切断工频续流，避免不必要的跳闸，氧化锌避雷器中配置的外间隙作用不容忽视。外间隙能预防氧化锌阀片长时间承受工作电压影响而引起的泄漏电流发热问题，有效避免电气设备因材料老化，引发的性能衰退，从而大幅度提升电力系统稳定性，为保证氧化锌避雷器的长期可靠性，设计时需充分考虑环境因素如温度、湿度，安装时也必须严格遵守相关电气安装规程，确保接地质量达到设计要求，定期检测和维护不可或缺，通过预防性维护，及时发现并处理外间隙污染、氧化锌阀片腐蚀老化等潜在问题，确保避雷器始终处于良好工作状态^[3]。

三、防雷设施设计与实施

（一）避雷针及其安装技术

为了防范雷电对重载铁路供电线路的危害，避雷针的设计和安装显得尤为重要，设计上需考虑避雷针的高度、形状与材料，其顶端应选择尖锐形状，以满足尖端放电效应，因为这种方法能有效地释放电流，避雷针的材料通常选用铜或镀锌钢材，因为它们具备优秀的导电性能且耐腐蚀。在安装位置的规划上，应依据重载铁路供电线路的具体布局和地形地貌等因素，规划在最易受雷击的区域，同时确保安装的稳固性和长期可靠性，安装过程中，还应考虑避雷针与接地系统的连接牢靠性，并配合测试和检测工作，以确保避雷针在雷雨季节到来之前充分发挥其作用。

（二）接地系统的设计与优化

接地系统作为防雷系统的核心组成部分，其设计与优化对于确保供电线路免遭雷击具有关键作用，设计接地系统时需要避免土壤电阻率较高的区域，在设计中应采集周围土壤的电阻率数据，并考虑使用降低接地电阻的材料和结构，例如化学降阻剂和接地模块。为了提升接地效能，应设计成环路形的接地系统，并根据运行中的实际需要和地形的特殊性，设计多个接地极，以求达到最优的接地效果，在实际施工中，须确保地极的正确埋设深度和连接线的抗腐蚀性，避免因接地不良引发的雷害。

（三）雷电流导引装置的应用

雷电流导引装置的目的，是将雷电以最有效的方式引入接地系统，并减少其对供电线路可能产生的损害，在装置设计上，应广泛使用分流及旁路技术，引导雷电流顺畅流入地下，降低雷电流在导线上的电压和电流密度，设计中应配备等电位连接和屏蔽措施，例如使用金属屏蔽线缆和屏蔽管道，以进一步确保雷电流顺利导向地面。在具体应用过程中，须通过搭建模型或仿真分析等技术手段研究雷电流分布特征，以优化导引装置的具体设计和安装细节，保证其对雷击的响应时间和防护范围达到最佳状态。

（四）防雷器材的选择与配置

在选择与配置防雷器材时，应重点考虑器材的质量、耐久性和防护等级，器材类型包括浪涌保护器、避雷器和断路器等，这些器材在此环节中起到了有效分流和抑制电涌的作用。在选择时应严格依据相关标准和电气参数，确保其与重载铁路供电线路的兼容性，在配置方面，需要细致规划每个电源接入点或敏感设备的保护措施和防护距离，以提高整体的防护效果，合理的维护保养计划和应急处理措施也是选择与配置防雷器材过程中不可忽视的部分。

（五）防雷设备的维护与检测

无论是在建设初期还是运行期间，有效地维护与检测，都对保持防雷系统长期稳定安全运作至关重要，维护活动中要定期检查避雷针、接地系统和防护装置等关键部件，确保没有明显损耗或功能退化。定期进行电气测试，测量接地电阻值和防雷性能，记录检测数据，分析和预测防雷设备的使用寿命，及时更新与更换，检测过程中，应使用合适的精确设备和方法，如地阻测试仪，以保证数据的准确性，建议制定和执行一套完善的防雷系统管理规章和操作程序，确保防雷设施在任何极端天气下正常运作。

结束语

重载铁路供电线路的防雷性能，对于确保列车安全行驶至关重要，雷电活动对这些供电系统构成显著威胁，因此，深入探究与实施防雷技术，不仅能保护关键电力设施，减少雷击风险，还能显著提升铁路供电系统的稳定性和可靠性。展望未来，随着技术持续进步和创新材料的应用，防雷技术在铁路供电领域的角色将更加凸显，持续深入研究防雷技术，将为铁路运输的可持续发展提供更坚固的保障，并推动铁路运输行业在高效安全的轨道交通发展中不断前行。

参考文献：

[1]孟繁宏.铁路供电线路防雷技术研究[J].铁道技术监督,2013,41(002):36-38.

[2]刘新宽,史宏江.铁路供电线路防雷技术探究分析[J].中文科技期刊数据库（全文版）工程技术,2017(2):200-200.

[3]程胜柱,武涛,张永生.铁路供电线路防雷技术研究[J].工程技术(文摘版),2016,000(002):263-263.

作者简介：白雪岩（1995.8-）男，山西原平人，本科，助理工程师，研究方向：铁路供电。