城市軌道接觸網(wǎng)系統(tǒng)防雷措施淺析

艾東兵

0 引言

為節(jié)約工程投資，城市軌道交通越來越多地采用地面和高架線路，因而發(fā)生多起接觸網(wǎng)雷擊事故，造成設(shè)備損毀甚至導致列車停運。深圳地鐵5號線3.9 km 的高架段線路，自2011年6月28日開通試運營至當年9月19日，短短2 個多月的時間內(nèi)，發(fā)生2 次雷擊跳閘事故，并造成部分設(shè)備損壞。接觸網(wǎng)雷害防護成為急需解決的問題。

本文以深圳地鐵羅寶線柔性架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)為例，通過理論分析、模擬計算和運營實際需求分析，提出了針對該線路的接觸網(wǎng)防雷改進方案，并進行完善，起到了良好的防雷效果。

1 羅寶線接觸網(wǎng)系統(tǒng)簡介

深圳地鐵羅寶線全長40.89 km，其中高架段3.49 km，接觸網(wǎng)采用架空柔性懸掛，接觸懸掛安裝示意圖如圖1所示。高架段接觸網(wǎng)沿線架設(shè)架空地線，且架空地線通過金屬抱箍與接觸網(wǎng)下錨底座、支持裝置等共支柱安裝，架空地線在兩側(cè)車站直接引至牽引變電所的接地母排上，同時在區(qū)間每200 m 通過地電位均衡器連接地極；接觸網(wǎng)各類絕緣子接地端的金屬底座、開關(guān)底座、腕臂底座等均

與架空地線可靠連接；在高架橋梁設(shè)計中，接觸網(wǎng)支柱沒有有效接地；高架橋接觸網(wǎng)每隔200 m 設(shè)避雷器，并將橋墩內(nèi)部鋼筋網(wǎng)作為其接地體，接地電阻小于5 Ω。

圖1 羅寶線接觸懸掛安裝示意圖

2 防雷分析及實施方案

2.1 避雷器與架空地線共接地極

對于雷擊接觸網(wǎng)線路，形成過電壓危害的情況概括起來可以劃分為3 種：

（1）雷擊接觸網(wǎng)附近的地面，在接觸網(wǎng)上引起感應過電壓。

（2）雷直接擊于接觸網(wǎng)導線（或腕臂），在接觸網(wǎng)上產(chǎn)生過電壓。

（3）雷擊接觸網(wǎng)支柱（或架空地線），在支柱頂端產(chǎn)生沖擊過電壓，造成接觸網(wǎng)絕緣子的反擊。

本節(jié)主要討論避雷器接地極與架空地線接地極不同安裝位置對接觸網(wǎng)防雷效果的影響。在下文中，選取雷電直擊接觸網(wǎng)導線的情況進行分析（其他雷擊情況分析方法類似）。根據(jù)彼德遜法則，可將雷電直擊接觸網(wǎng)導線的作用簡化為集中參數(shù)電路，如圖2所示。

圖2 接觸網(wǎng)雷電作用的等值電路（雷擊導線）圖

目前，國內(nèi)城市軌道交通接觸網(wǎng)系統(tǒng)主要采用DC 1500 V 或DC 750 V 兩級電壓進行供電，列車取流較大，考慮架空地線與接觸網(wǎng)導線平行架設(shè)，為避免感應電流及絕緣子泄露電流形成的雜散電流，對地鐵沿線建筑物或設(shè)備造成電腐蝕，根據(jù)《地鐵雜散電流腐蝕防護技術(shù)規(guī)程》的要求，架空地線不能直接接地，需采用地電位均衡器將架空地線與接地極分開，但考慮地電位均衡器的導通電壓較低，且導通后兩端殘壓較小，因此，在圖2中忽略了地電位均衡器的影響。

假設(shè)避雷器和地電位均衡器的放電響應時間為零，即作用于避雷器和地電位均衡器的電壓達到其放電電壓后立即導通。

當避雷器單獨接地，雷電直接擊中接觸網(wǎng)導線時，雷電流沿接觸網(wǎng)導線向遠處傳播，同時通過避雷器和接地電阻入地，此時接觸網(wǎng)雷電作用的等值電路如圖2a所示，接觸網(wǎng)絕緣子兩端的電壓差為

式中，ures(t)為避雷器殘壓；ug(t)為接地極沖擊電壓。

當避雷器與架空地線共接地極，雷電直接擊中接觸網(wǎng)導線時，雷電流沿接觸網(wǎng)導線向遠處傳播，同時通過避雷器和接地電阻入地。另外，由于避雷器與架空地線共接地極，雷電流通過避雷器后，沿地電位均衡器、架空地線和遠方架空地線接地極入地，此時接觸網(wǎng)雷電作用的等值電路如圖2b所示，接觸網(wǎng)絕緣子兩端的電壓差為

通過式（1）和式（2）可知，當避雷器與架空地線共接地極時，雷電過電壓在接觸網(wǎng)絕緣子兩端產(chǎn)生的電壓差僅為避雷器殘壓，但當避雷器單獨接地時，雷電過電壓在接觸網(wǎng)絕緣子兩端產(chǎn)生的電壓差為避雷器殘壓與接地電阻沖擊電壓之和?？紤]接觸網(wǎng)避雷器在選型時的絕緣配合設(shè)計，即Ures≤BIL/K，BIL 為被保護設(shè)備的雷電沖擊耐受電壓，K 為配合因數(shù)，國際電工委員會規(guī)定K≥1.2，因此，當避雷器與架空地線共接地極時，不會發(fā)生絕緣擊穿。其次，由圖1a和圖1b對比可知：當避雷器與架空地線共接地極時，雷電流通過避雷器后，除通過接地極泄流外，還沿地電位均衡器、架空地線和遠方架空地線接地極入地，增加了泄流通道；當雷電參數(shù)和雷擊點相同時，i1(t)＜i2(t)，即有利于雷電流快速泄流，降低接觸網(wǎng)導線電壓。

通過上述分析可知，避雷器和架空地線共接地極在雷電流作用時，能有效鉗制絕緣子兩端電壓小于或等于避雷器殘壓，同時增加雷電流的泄流通道，有利于提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)的耐雷水平。避雷器與架空地線共接地極的示意圖如圖3所示。

2.2 接觸網(wǎng)下錨處采用不平衡絕緣

根據(jù)架空接觸網(wǎng)安裝形式，雷電過電壓會造成區(qū)間接觸網(wǎng)腕臂絕緣子、下錨絕緣子及饋線絕緣子等絕緣部位的絕緣擊穿，最終造成接觸網(wǎng)線路失壓，影響供電可靠性。其中，又以雷擊接觸網(wǎng)下錨處，造成下錨絕緣子擊穿、補償繩斷裂或絕緣子爆裂影響最為嚴重。以深圳地鐵2007年12月2日竹子林車輛段試車線1 號支柱補償繩斷裂為例，該次事故造成了試車線多處絕緣子、防風支撐管、調(diào)整螺栓、吊弦、電連接損壞、接觸線硬彎、扭面和燒傷、線岔參數(shù)變化等，由于設(shè)備損壞較多，恢復難度較大，所需時間較長，因此，在接觸網(wǎng)關(guān)鍵部位采用不平衡絕緣是非常必要的。

圖3 避雷器與架空地線共接地極的示意圖

根據(jù)接觸網(wǎng)設(shè)備的安裝形式，接觸網(wǎng)下錨裝置都與腕臂同支柱架設(shè)，采用不平衡絕緣的方法，加強下錨支接觸網(wǎng)的絕緣等級。圖4表示接觸網(wǎng)不同絕緣等級時擊穿場強與電壓作用時間的關(guān)系。

當接觸網(wǎng)遭受雷電流入侵時，在t1時刻，雷電壓升至u1，因為u1

（1）增加了雷電流分流通道，使雷電流能更快地釋放，降低了接觸網(wǎng)導線電壓。

（2）由于腕臂絕緣子擊穿后，需通過架空地線和架空地線接地極進行能量釋放，受架空地線和接地極的鉗制作用，支柱側(cè)電位升高，進而使接觸網(wǎng)下錨絕緣子兩端電壓差進一步降低。

（3）由于導通支接觸網(wǎng)導線對下錨支接觸網(wǎng)導線的耦合作用，提高了下錨支的耐雷水平。

圖4 絕緣子擊穿場強與電壓作用時間的關(guān)系圖

通過上述分析，采用不平衡絕緣，加強下錨處的絕緣強度，能有效提高接觸網(wǎng)下錨處絕緣子的耐雷水平，有利于減少因雷擊造成的事故影響范圍。為此，羅寶線接觸網(wǎng)在下錨處串聯(lián)了2 個下錨絕緣子，方案如圖5所示。

圖5 下錨處采用不平衡絕緣的方案示意圖

2.3 減小架空地線接地極間距

圖6 雷擊支柱或架空地線時電位分布曲線圖

根據(jù)上文中羅寶線接觸網(wǎng)系統(tǒng)簡介可知，接觸網(wǎng)支柱均未直接接地，而是通過架空地線每200 m進行一處接地，通過模擬計算可知：當雷電擊中接觸網(wǎng)支柱或架空地線時，支柱不接地時反擊電位不消減，容易造成雷擊點附近多個絕緣子擊穿，增加事故范圍，只有當支柱接地時，反擊電位才會得到有效降低，減小反擊事故的發(fā)生概率。圖6是支柱或架空地線遭雷擊時電位分布曲線。 考慮每根支柱都直接接地，為防止雜散電流的影響，就必須在每個接地極處設(shè)置地電位均衡器，由此帶來的巨大投資和日后繁重的檢修任務量是防雷整改中必須考慮的問題，因此，針對接地極間距設(shè)置的問題，綜合考慮深圳年雷暴日大于90 d，屬雷電活動特別強烈地區(qū)的實際情況，將架空地線接地極間距由200 m 縮短為100 m，通過模擬計算，表明減小接地極間距對接觸網(wǎng)系統(tǒng)防雷有所改善，其模擬計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 空地線時不同接地極間距的電位分布曲線圖

3 結(jié)論

針對沿線安裝有架空地線的城市軌道接觸網(wǎng)系統(tǒng)，可結(jié)合實際運營需求，充分考慮設(shè)備維修、故障恢復、氣象條件及經(jīng)濟性等因素，有區(qū)別、有針對性地進行防雷方案的設(shè)計，能切實改善和提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)的防雷水平。通過理論分析和模擬計算，提出以下建議：

（1）接觸網(wǎng)避雷器應與架空地線共接地極，能有效降低絕緣子兩端電壓差，減少絕緣子擊穿概率。

（2）針對接觸網(wǎng)系統(tǒng)下錨等關(guān)鍵部位，宜采用不平衡的絕緣方式，減小事故影響。

（3）適當縮短接地極間距，能有效降低雷電反擊事故的發(fā)生概率。

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