复杂运行工况下牵引网避雷器泄漏电流的演变特征

为何确保货运列车安全运行至关重要

现代重载货运铁路使用电力机车运输大量煤炭、矿石和货物。为确保安全，轨上方的电力线必须能经受住雷击、突发负载变化以及列车自身产生的电气干扰。本文聚焦这些线路上的关键保护装置——避雷器，阐明其微弱的泄漏电流如何揭示避雷器是静默守护还是刚刚抵御了一次危险冲击。理解这些规律有助于提高铁路电力系统的可靠性，同时减少不必要的检修。

铁路电力网的隐形守护者

电气化货运铁路采用特殊的单相制式，利用架空接触网和轨道本身输送电流。当遭遇雷击或电压过高时，避雷器像安全阀一样将多余能量导入大地，防止变电所、绝缘子和信号设备受损。当前，许多铁路仅靠机械计数器统计避雷器的动作次数。但计数器无法区分一次记录是由雷击、开关操作还是来自列车设备的无害电压波动引起，这会导致对健康避雷器的过度维护或对受损避雷器的忽视。

在计算机中模拟真实铁路

作者在 PSCAD 仿真程序中建立了一个详细的 30 公里重载铁路数字模型。模型包括牵引变电站、一台产生真实高频谐波的恒功率电力机车、架空接触网和轨道，以及分别置于距列车 10 公里和 20 公里的避雷器。在该虚拟铁路上，他们重现了多种真实工况：有无谐波的正常运行、外部电网故障与线路断裂、开关操作以及对线路的直接雷击。对每种情形，研究者跟踪了避雷器上的电压和泄漏电流随时间的演变。

不同干扰如何留下独特的电学指纹

在无强谐波的正常情况下，沿线避雷器的泄漏电流很小且在不同位置相近，且随列车移动几乎无变化。当加入来自机车的高频谐波时，最靠近列车的避雷器会遭遇明显更大的电流——足以触发并使计数器递增——而较远的避雷器几乎感觉不到。外部电网故障则表现不同。短路故障实际上会降低轨侧电压，导致避雷器电流略微下降。相比之下，线路断裂和异相切换会产生富含约 20 Hz 低频分量的过电压，使避雷器电流以与过电压峰值相关的缓慢周期脉动上升。

区分例行浪涌与真实雷击事件

铁路上的开关操作会产生短时过电压，使避雷器电流升至约 1,100 微安——约为正常水平的两倍半——但仅持续几毫秒。雷电冲击看起来类似但强得多：避雷器电流可再增至约 2,200 微安，且振荡发生在微秒量级。为实现自动区分，作者从三方面分析监测到的泄漏电流。其一，跟踪简单的数学指标：平均电流和一种标示锋利变化的快速能量测度（Teager 能量算子）。其二，将电流分解为频率成分，以判断其是否以工频、低频或超高频成分为主。其三，估算避雷器随时间产生的热量：在某些类型的线路断裂后热量会急剧上升，而在非常短暂的雷击和开关浪涌期间几乎不变。

面向更智能、有针对性的监测路线图

通过结合这三种视角——整体水平、频率构成与发热情况——论文提出了若干阈值，使在线监测系统仅凭避雷器泄漏电流就能区分无害谐波、外部电网故障、运行性过电压与真实的雷击。例如，低于工频的低频分量指向断线故障，而强烈的超高频能量突发和明显的平均电流跳变则提示雷击。对避雷器在服役中“感知”到情况的更丰富解读，能帮助铁路运营者仅在真正需要时安排维护，并更快响应危险故障，从而提升重载铁路的安全性与运行效率。

引用: Pengxiong, W., Lifeng, F., Yongqiang, G. et al. The evolution characteristics of leakage current in traction network surge arresters under complex operating conditions. Sci Rep 16, 8106 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39185-0

关键词: 铁路电气化, 避雷器监测, 防雷, 电力系统谐波, 故障诊断