地鐵架空地線的防雷接地方案研究

趙海軍，陳維江，沈海濱，王立天，尹 彬

地鐵架空地線的防雷接地方案研究

趙海軍，陳維江，沈海濱，王立天，尹 彬

本文基于阻礙鋼支柱與橋梁鋼筋間形成雜散電流通道但提供雷電流泄放通道的方法，對(duì)架空地線的防雷接地方案進(jìn)行了研究，提出架空地線防雷接地方案選用原則，分析既有接地方案的不足，提出采用雷電沖擊接地器接地的新方案。完成了雷電沖擊接地器樣品試制并在工程中試用，建議在今后地鐵工程高架橋架空地線防雷接地設(shè)計(jì)時(shí)選用。

地鐵；架空地線；防雷；接地；雷電沖擊接地器

1 研究背景

在地鐵牽引供電系統(tǒng)中，架空接觸網(wǎng)通常都設(shè)置架空地線，目的是建立短路電流回路，起到短路保護(hù)的作用。當(dāng)?shù)罔F采用架空地線兼做雷電防護(hù)作用時(shí)，架空地線應(yīng)可靠接地，使雷電流就近泄入大地以減少雷電過(guò)電壓作用范圍。但從雜散電流防護(hù)角度卻要求架空地線不能直接接地。這是因?yàn)榈罔F供電系統(tǒng)是以架空接觸網(wǎng)為正極、機(jī)車(chē)走行的鋼軌為負(fù)極的不直接接地系統(tǒng)。受實(shí)際運(yùn)營(yíng)環(huán)境（道床表面臟污、導(dǎo)電粉塵覆蓋或積水等）、工程經(jīng)濟(jì)性及其他一些條件的限制，鋼軌不可能完全絕緣于道床結(jié)構(gòu)，也就不可避免地要向道床及橋梁鋼筋泄漏電流（即雜散電流）。為了避免雜散電流泄漏入地對(duì)系統(tǒng)以外設(shè)施形成電流腐蝕，地鐵工程要求高架橋橋梁和敷設(shè)鋼軌的道床可靠連接并與大地電氣隔離，構(gòu)成雜散電流收集網(wǎng)，雜散電流經(jīng)引線匯集至牽引變電所集中收集。由于接觸網(wǎng)安裝用的鋼支柱與橋梁鋼筋是可靠連接的，如果架空地線直接接地，則雜散電流將通過(guò)鋼柱、架空地線、接地極泄漏，造成雜散電流就近入地。

解決這一問(wèn)題，可以從“封堵”和“疏導(dǎo)”兩方面尋求解決辦法?！胺舛隆狈椒ㄖ缸璧K鋼支柱與橋梁鋼筋間形成泄漏電流通道，實(shí)施中需要鋼支柱與橋梁之間電氣隔離，但鋼支柱與橋梁之間需要存在較大的機(jī)械作用力，目前工程中還沒(méi)有經(jīng)濟(jì)合理的技術(shù)手段能夠?qū)崿F(xiàn)兩者之間的電氣隔離，并且鋼支柱與橋梁需要耐受的雷電過(guò)電壓很高，絕緣配置也不易實(shí)現(xiàn)?！笆鑼?dǎo)”方法指區(qū)別對(duì)待泄漏電流和雷電流，阻礙鋼支柱與橋梁鋼筋間形成泄漏電流通道但提供雷電流泄放通道，采用“疏導(dǎo)”方法解決架空地線防雷要求接地與雜散電流防護(hù)不能接地的矛盾較為可行。

本文針對(duì)架空地線的防雷接地方案開(kāi)展研究，基于“疏導(dǎo)”方法提出架空地線防雷接地方案選用原則，分析既有接地方案的不足，確定防雷接地裝置主要技術(shù)參數(shù)，完成樣品試制并在工程中試用。

2 接地方案應(yīng)滿足的技術(shù)條件

從“疏導(dǎo)”角度，架空地線的防雷接地方案應(yīng)阻礙形成泄漏電流通道但提供雷電流泄放通道，即應(yīng)滿足雜散電流防護(hù)和防雷接地的要求。但采取的方案應(yīng)避免對(duì)地鐵牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生影響，不能改變架空地線的短路保護(hù)功能及系統(tǒng)參數(shù)配置。另外接地方案應(yīng)適合工程應(yīng)用。故地鐵架空地線的防雷接地工程應(yīng)用方案應(yīng)滿足以下4個(gè)技術(shù)條件：

（1）在不發(fā)生雷擊時(shí)，架空地線與接地極之間須電氣隔離，滿足雜散電流防護(hù)要求。

（2）在雷擊發(fā)生時(shí)，架空地線與接地極須導(dǎo)通，使雷電流就近盡快泄入大地。

（3）不應(yīng)改變接觸網(wǎng)系統(tǒng)電氣回路模型，不影響系統(tǒng)短路保護(hù)參數(shù)配置。

（4）接地裝置應(yīng)運(yùn)行安全、動(dòng)作可靠，盡量減少維修及更換次數(shù)，降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

3 既有方案存在的問(wèn)題分析

目前，國(guó)內(nèi)地鐵工程中架空地線防雷接地主要采用了放電間隙接地和電位均衡裝置接地2種方案，但兩者都不能同時(shí)滿足上述4個(gè)技術(shù)條件要求，存在應(yīng)用缺陷。下面對(duì)既有接地方案存在的問(wèn)題分別進(jìn)行分析。

3.1 放電間隙接地

放電間隙結(jié)構(gòu)如圖1所示，由2個(gè)角形電極與串聯(lián)空氣間隙構(gòu)成，一端電極與架空地線相連，另一端電極通過(guò)接地引下線接至接地極。電極間空氣間隙距離約3～5 mm，其標(biāo)稱放電電壓（1.2/50 μs）為2.0 kV，標(biāo)稱放電（8/20 μs）電流為20 kA。

圖1 放電間隙結(jié)構(gòu)及工程應(yīng)用實(shí)例圖

不發(fā)生雷擊時(shí)，由于空氣間隙的隔離能阻止雜散電流通過(guò)放電間隙泄漏，滿足了雜散電流防護(hù)的要求；在雷擊發(fā)生時(shí)，雷電過(guò)電壓作用下放電間隙迅速擊穿，雷電流可通過(guò)放電間隙泄入大地，滿足防雷接地要求。放電間隙滿足技術(shù)條件（1）和（2）。接觸網(wǎng)最高系統(tǒng)運(yùn)行電壓為1.8 kV，當(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生接地短路故障而接觸網(wǎng)未遭受雷擊時(shí)，2.0 kV的標(biāo)稱放電電壓保證了放電間隙不擊穿動(dòng)作。當(dāng)雷擊誘發(fā)接觸網(wǎng)接地短路，雷電流流過(guò)后，系統(tǒng)短路電流也會(huì)流過(guò)放電間隙通道，改變了接觸網(wǎng)的電氣回路模型，不滿足條件（3）。地鐵接觸網(wǎng)的絕緣配置水平很低，僅與電力系統(tǒng)10 kV線路絕緣水平相當(dāng)，且絕大多數(shù)架設(shè)在高架橋上，雷擊造成的接觸網(wǎng)絕緣閃絡(luò)進(jìn)而系統(tǒng)接地短路的概率很大，根據(jù)文獻(xiàn)[8]，在40個(gè)雷暴日下，每100 km線路每年發(fā)生的絕緣子雷擊閃絡(luò)次數(shù)高達(dá)60次。短路電流會(huì)燒蝕角形電極，在潮濕環(huán)境下容易發(fā)生銹蝕。由于電極間空氣間隙很小，工程中出現(xiàn)了銹蝕物導(dǎo)致空氣間隙值縮小、標(biāo)稱放電電壓降低的情況。如不能及時(shí)更換會(huì)造成空氣間隙最終失效。所以采用放電間隙時(shí)運(yùn)營(yíng)維護(hù)量很大，不滿足條件（4）。目前國(guó)內(nèi)新建工程已少有采用放電間隙接地方案。

3.2 電位均衡裝置接地

近年來(lái)，部分地鐵工程采用了一種電位均衡裝置接地。該裝置主要構(gòu)件是一個(gè)氣體放電管，標(biāo)稱直流擊穿電壓為350 V。當(dāng)承受電壓不大于350 V時(shí)其呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，絕緣電阻達(dá)到1 GΩ以上；當(dāng)承受電壓大于350 V時(shí)其呈現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)，自身最大電壓降不大于20 V。工程中將其一端與鋼支柱連接，另一端通過(guò)引下線接至接地極（圖2）。

圖2 電位均衡裝置工程應(yīng)用實(shí)例圖

正常工況下，鋼軌對(duì)地電壓不高于120 V，電位均衡裝置承受電壓也不會(huì)大于120 V，呈現(xiàn)高阻狀態(tài)；當(dāng)雷電發(fā)生時(shí)，電位均衡裝置承受電壓遠(yuǎn)大于350 V，擊穿導(dǎo)通將雷電流泄入大地。該方案滿足條件（1）和（2），但與放電間隙一樣，不能滿足條件（3）和（4）。這是因?yàn)殡娢痪庋b置動(dòng)作電壓比放電間隙更低，當(dāng)雷擊導(dǎo)致接觸網(wǎng)短路時(shí)，會(huì)分流短路電流；即使不發(fā)生雷擊，接觸網(wǎng)自身短路過(guò)電壓也可能造成電位均衡裝置導(dǎo)通，因此該方案不滿足條件（3）。除此以外，該裝置自身通流能力有限并且沒(méi)有限流措施，在雷電流和短路電流的沖擊作用下，壽命周期很短，天津和南京等工程實(shí)踐顯示，電位均衡裝置損壞率高、更換頻繁，運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本較高，因此也不符合條件（4）的要求。

4 采用雷電沖擊接地器接地方案的研究

通過(guò)分析既有接地方案存在的缺陷可以看出，架空地線的防雷接地方案應(yīng)重點(diǎn)從避免對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)電氣回路產(chǎn)生影響和延長(zhǎng)裝置使用壽命兩方面采取措施。為此，本文研究新的接地方案，提出了一種地鐵架空地線防雷接地專(zhuān)用雷電沖擊接地器裝置，并展開(kāi)了樣品研制工作。

雷電沖擊接地器由氣體放電管和金屬氧化物電阻片串聯(lián)組成，二者均密閉在絕緣套筒內(nèi)。

雷電沖擊接地器一端與接觸網(wǎng)鋼支柱連接，另一端與接地極連接。其工作原理：正常工況及接觸網(wǎng)短路情況下，由于氣體放電管和氧化鋅電阻片的隔離，雷電沖擊接地器處于高阻狀態(tài)，避免雜散電流泄漏和短路電流分流；當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，氣體放電管和氧化鋅電阻片導(dǎo)通，雷電沖擊接地器立即變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，雷電流泄放；雷擊發(fā)生后加在雷電沖擊接地器兩端的電壓降低，其重新恢復(fù)高阻狀態(tài)。設(shè)計(jì)成型的雷電沖擊接地器的技術(shù)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

雷電沖擊接地器接地方案能夠滿足架空地線防雷接地要求的4個(gè)技術(shù)條件：該裝置放電電壓大于2.0 kV，在雜散電流作用下呈阻斷狀態(tài)，雷電沖擊放電電壓不大于3.0 kV，保證絕大多數(shù)雷電流能泄入大地，因此滿足條件（1）和（2）；在接觸網(wǎng)非雷擊短路時(shí)，最高系統(tǒng)電壓小于2.0 kV，該裝置呈阻斷狀態(tài)；發(fā)生雷擊接觸網(wǎng)短路時(shí)，在雷電作用下氣體放電管動(dòng)作，金屬氧化物電阻片在雷電過(guò)電壓作用下對(duì)雷電流呈導(dǎo)通狀態(tài)，雷電流過(guò)后迅速恢復(fù)高阻狀態(tài)，對(duì)接觸網(wǎng)短路電流形成阻斷，因此不影響接觸網(wǎng)電氣回路，滿足條件（3）；當(dāng)不發(fā)生雷擊時(shí)，金屬氧化物電阻片因氣體放電管隔離幾乎不承擔(dān)系統(tǒng)電壓，只有在雷電擊穿氣體放電管后電阻片才動(dòng)作，整體壽命長(zhǎng)，可免維護(hù)。另外，氣體放電管放電電壓穩(wěn)定，裝置滿足條件（4）。

雷電沖擊接地器樣品通過(guò)了電力工業(yè)電氣設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心（北京）的各項(xiàng)委托試驗(yàn)檢驗(yàn)。委托試驗(yàn)項(xiàng)目和結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 雷電沖擊接地器委托試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)結(jié)果匯總表

2014年6月雷雨季節(jié)來(lái)臨之前，在天津津?yàn)I輕軌工程共完成6只樣品的安裝。截止到2014年11月，根據(jù)該工程運(yùn)營(yíng)維護(hù)單位反饋意見(jiàn)，經(jīng)過(guò)一個(gè)雷雨季節(jié)的考驗(yàn)，雷電沖擊接地器運(yùn)行狀況良好。

5 結(jié)論與建議

當(dāng)?shù)罔F采用架空地線兼做雷電防護(hù)作用時(shí)，架空地線的防雷接地與雜散電流防護(hù)之間的矛盾是一個(gè)工程難題。 本文基于“疏導(dǎo)”方法，對(duì)架空地線的防雷接地方案進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論與建議：

（1）當(dāng)接地方案滿足本文提出的4個(gè)技術(shù)條件時(shí)就能完全解決架空地線防雷接地與雜散電流防護(hù)之間的矛盾，并且適于工程應(yīng)用，建議在今后地鐵工程中按此要求開(kāi)展防雷接地設(shè)計(jì)。

（2）架空地線采用由氣體放電管和金屬氧化物電阻片串聯(lián)構(gòu)成的雷電沖擊接地器方案能夠完全滿足工程需求，相比放電間隙或電位均衡裝置接地方案優(yōu)點(diǎn)明顯，建議在今后地鐵工程高架橋架空地線防雷接地設(shè)計(jì)時(shí)選用。

（3）本文僅研究了地鐵架空地線兼做雷電防護(hù)作用時(shí)的接地方案，但應(yīng)注意架空地線對(duì)于地鐵接觸網(wǎng)的雷電防護(hù)作用有限，應(yīng)同時(shí)考慮其他雷電防護(hù)措施。

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收稿日期：2014-12-11

The paper studies the lightning earthing scheme for overhead earthing wires on basis of a method that the stray current channel between steel mast and steel bars of bridge beam is obstructed but the channel for discharging of lightning current is offered, puts forward the principle for selection of lightning protection earthing scheme for overhead earthing wire, analyzes the disadvantages of the existing earthing scheme, raises a new scheme on basis of the earthed lightning strike earthing device. The samples of lightning strike earthing devices are tested and applied in engineering application, and they are proposed to be selected and applied for design of lightning protection earthing of overhead earthing wires for subway viaducts in the future.

Subway; overhead earthing wire; lightning protection; earthing; lightning strike earthing device

U226.8 3

B

1007-936X(2015)02-0028-03

2014-11-20

趙海軍.中鐵電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，高級(jí)工程師，電話：18602266878；陳維江.國(guó)家電網(wǎng)公司，教授級(jí)高級(jí)工程師；沈海濱.中國(guó)電力科學(xué)研究院，高級(jí)工程師；王立天.中鐵電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，教授級(jí)高級(jí)工程師；尹 彬.山東迅實(shí)電氣有限公司，高級(jí)工程師。