地鐵架空地線和高架段接觸網(wǎng)的防雷技術(shù)

改造者：吳銀修

地鐵架空地線和高架段接觸網(wǎng)的防雷技術(shù)

改造者：吳銀修

隨著地鐵建設(shè)工程增多，要保證地鐵的安全運(yùn)行十分重要，鑒于目前雷擊故障問題越來越嚴(yán)重，特別是高架段地鐵更容易受雷擊，所以有必要對地鐵采取防雷措施。本文概述了地鐵防雷方面的研究現(xiàn)狀，重點研究了地鐵高架段接觸網(wǎng)的防雷措施，及其采用架空地線防雷時的優(yōu)點和問題，建議采用“疏導(dǎo)”方法解決該問題。

地鐵作為一種公共交通工具，具有準(zhǔn)時、安全、快速、舒適等優(yōu)點，我國目前很多地區(qū)都在進(jìn)行地鐵建設(shè)。但是在一些地方雷電現(xiàn)象頻繁發(fā)生，產(chǎn)生很高的雷電過電壓，致使電氣設(shè)備發(fā)生閃絡(luò)與損壞，進(jìn)而導(dǎo)致地鐵系統(tǒng)的停電，影響地鐵系統(tǒng)的正常安全運(yùn)行。而且地鐵高架段的線路因為暴露在外面，所以更容易受到雷電干擾，因此對地鐵系統(tǒng)防雷進(jìn)行研究是非常有必要的。

地鐵防雷的必要性

地鐵建筑屬于公共場所，人流密集、投資巨大，地鐵系統(tǒng)由電氣、機(jī)電、電子類設(shè)備系統(tǒng)組成，它是各種設(shè)備與系統(tǒng)高度集中的工程項目，這些設(shè)備與系統(tǒng)是地鐵的中樞神經(jīng)，維持在地鐵系統(tǒng)的正常運(yùn)行，其中通信、信號等弱電系統(tǒng)是地鐵系統(tǒng)的核心，也是對雷電非常敏感的部分。這些系統(tǒng)如果被雷擊或侵入雷電波，那么就會導(dǎo)致地鐵系統(tǒng)無法正常工作，擾亂運(yùn)輸秩序，嚴(yán)重時會對人身安全造成威脅，并造成巨大的社會經(jīng)濟(jì)損失。另外，如果因為雷擊導(dǎo)致地鐵發(fā)生火災(zāi)，那么所造成的后果與損失是不堪設(shè)想的。

雷電能夠通過多種方式侵入地鐵系統(tǒng)中，例如雷電直接擊中地鐵車站或設(shè)施、通過感應(yīng)與閃電電涌干擾地鐵軌道和線路等，威脅乘客和地鐵工作人員的生命安全，影響通信系統(tǒng)、牽引電源、照明等系統(tǒng)可靠運(yùn)行，對于高架段的線路，因為暴露在外面，其受到雷電危害的可能性更高，危害程度也更為嚴(yán)重。

接觸網(wǎng)受到的雷擊按照雷擊發(fā)生過程分類，可以分為兩種，即直擊雷和感應(yīng)雷。在地鐵中，遭受直擊雷的主要是露天接觸網(wǎng)及其附近地面、車輛段、運(yùn)營控制中心等地面建筑；遭受感應(yīng)雷的主要是地鐵中的線路和線路的終端設(shè)備?？梢灾览纂娪泻芏喾N途徑與方式侵入地鐵系統(tǒng)，所以地鐵系統(tǒng)的防雷非常重要。

架空地線防雷

地鐵的雷擊問題越來越嚴(yán)重，現(xiàn)在開始通過架設(shè)架空地線來進(jìn)行防護(hù)，但是地鐵系統(tǒng)的接觸網(wǎng)與電力系統(tǒng)輸電線路相比是有很大區(qū)別的，在設(shè)計規(guī)范方面缺少相應(yīng)的規(guī)定，所以國內(nèi)目前缺乏對架空地線的防雷作用的系統(tǒng)研究。

研究雷擊閃絡(luò)次數(shù)主要有電氣幾何模型和先導(dǎo)發(fā)展模型兩種方法。電氣幾何模型適合分析小型目標(biāo)物的雷電屏蔽性能；先導(dǎo)發(fā)展模型比較適合研究大型目標(biāo)物，但這個模型中在關(guān)鍵參數(shù)取值方面仍然存在爭議。

通過文獻(xiàn)建模可知，在地鐵中架設(shè)架空地線能夠有效減少接觸網(wǎng)雷擊閃絡(luò)的次數(shù)，而且隨著架空地線的高度越高，雷擊閃絡(luò)次數(shù)就越少，防雷效果越好，因此可以通過架空地線來進(jìn)行地鐵防雷；架空地線的安裝方式有兩種：安裝在支柱頂端或者是安裝在導(dǎo)線的上方，無論采用什么安裝方式，接觸網(wǎng)的閃絡(luò)次數(shù)差別不是很大。

在地鐵系統(tǒng)中，架設(shè)架空地線是為了在短路時起保護(hù)作用，當(dāng)架空地線同時具有防雷作用時，這種情況下架空地線必須與接地裝置可靠連接，讓雷電流能夠就近流入大地，這種方案可以有效減小雷電壓危害的區(qū)域。但是這樣會產(chǎn)生大量的雜散電流流過鋼柱、架空地線、接地極等，會對周圍設(shè)施產(chǎn)生腐蝕。

架空地線雖然防雷效果良好，但是所造成的雜散電流腐蝕也不能忽視，可以從兩個方面解決這一問題：即“封堵”和“疏導(dǎo)”?！胺舛隆保櫭剂x，就是指阻斷鋼支柱與橋梁鋼筋間的泄漏電流通路，實施中需要實現(xiàn)橋梁和鋼支柱間的電氣隔離，但是在兩者之間又需要很大的機(jī)械作用力，目前的技術(shù)手段還達(dá)不到經(jīng)濟(jì)性、合理性的要求，不能實現(xiàn)兩者之間的電氣隔離，而且他們所承受的雷電過電壓非常高，在絕緣方面也很難達(dá)到要求?！笆鑼?dǎo)”是指將雷電流和泄漏電流分開進(jìn)行處理，阻斷電流從鋼支柱泄漏到橋梁鋼筋中，并且為雷電流提供泄入大地的通路，“疏導(dǎo)”可以較好地解決雜散電流防護(hù)不能接地與架空地線防雷時必須接地的矛盾。在工程中建議架空地線串接雷電沖擊接地器，能夠較好地解決這一矛盾，該接地器是由金屬氧化物電阻片與氣體放電管組成，這種方案可以完全滿足工程需要，與電位均衡裝置接地等方案相比有很大的優(yōu)勢。但是在實際工程中，應(yīng)注意架空地線的防雷效果畢竟有限，所以在地鐵中也應(yīng)該考慮采取其他的防雷措施。

高架段接觸網(wǎng)防雷

目前，對接觸網(wǎng)防雷的研究，主要是針對普通鐵路，例如：曹曉斌等在電氣幾何模型原理的基礎(chǔ)上，分別建立了單線和復(fù)線區(qū)段接觸網(wǎng)的模型，推導(dǎo)出各暴露弧的交點坐標(biāo)方程組以求出不同雷擊的引雷范圍，并給出不同雷擊的跳閘率計算公式和評估總跳閘率的方法；邊凱等人建立了計算模型以計算接觸網(wǎng)的雷電過電壓，通過計算定量分析接觸網(wǎng)雷擊跳閘的概率和特點；谷山強(qiáng)基于風(fēng)險管理提出了評估高速鐵路接觸網(wǎng)雷電風(fēng)險的方法，并以累計跳閘率為指標(biāo)進(jìn)行風(fēng)險等級劃分，進(jìn)行雷電風(fēng)險評估。

由于地鐵和鐵路在接觸網(wǎng)懸掛方式和電壓等級方面不同，因此有必要專門開展針對地鐵高架區(qū)段接觸網(wǎng)防雷方面的研究。黃德亮等人基于實際地鐵情況，在 ATPEMTP中建立了高架區(qū)段接觸網(wǎng)模型，分析架空地線和接觸網(wǎng)的耐雷水平，并研究了不同接地和避雷器安裝方式因素的影響；金亮等采用鏡像法，計算接觸網(wǎng)的感應(yīng)過電壓，比較了在是否有高架和避雷線是否接地的情況下接觸網(wǎng)的耐雷水平；李瑞芳等建立了地鐵高架段模型分析接觸網(wǎng)的耐雷水平，研究接地電阻、避雷線和避雷器的位置等參數(shù)的改變對耐雷水平的影響；田雨結(jié)合津濱線接觸網(wǎng)實際情況建立了數(shù)學(xué)模型，利用CDEGS等軟件分析了接觸網(wǎng)雷電閃絡(luò)特性，提出適當(dāng)?shù)慕佑|網(wǎng)防雷措施，并且研制出軌道交通專用接觸網(wǎng)避雷器。

高架區(qū)段接觸網(wǎng)防雷措施主要有：（1）架設(shè)架空地線。架空地線具有防雷作用，前面已經(jīng)講過，在這里就不在贅述。架空地線應(yīng)該覆蓋接觸網(wǎng)，在實際工程中架空地線每隔200m需要設(shè)置火花間隙。架空地線防雷效果與保護(hù)角有關(guān)，也就是與被保護(hù)線路之間所形成的角度。在電力系統(tǒng)中，保護(hù)角與線路的電壓等級有關(guān)，輸電線路電壓在66kV及以下時保護(hù)角規(guī)定為20°～30°，而地鐵的線路高度遠(yuǎn)低于輸電線路的架設(shè)高度，所以雖然地鐵接觸網(wǎng)的電壓等級比較低，但是所求得的保護(hù)角遠(yuǎn)大于上述規(guī)定值，因此在實際地鐵系統(tǒng)中架空地線的安裝想要滿足保護(hù)角的要求是比較難的。在實際運(yùn)行地鐵中，架空地線高度變高做避雷線時，可以減少接觸網(wǎng)遭受雷直接的次數(shù)，并且相應(yīng)的牽引所跳閘次數(shù)也會減少，在高架區(qū)段效果尤其明顯，能減少30%左右。但是如果在部分地區(qū)雷暴頻繁發(fā)生，架空地線高度變高反而會導(dǎo)致線路更容易遭受雷擊，會在線路兩端產(chǎn)生很高的過電壓，使大地產(chǎn)生高電壓，會燒毀接觸網(wǎng)的絕緣子或者把雷電流引入地鐵中的電氣設(shè)備，影響地鐵系統(tǒng)的正常運(yùn)行。（2）設(shè)置避雷器。工程要求接觸網(wǎng)每隔250m需要設(shè)置一臺避雷器，避雷器上接接觸網(wǎng)，下接大地，與被保護(hù)的設(shè)備并聯(lián)，在高架區(qū)段，避雷器與橋墩的縱向鋼筋連接。避雷器的工作原理是：在正常運(yùn)行情況下，避雷器處于高電阻狀態(tài)，只有微弱的電流流過，但是當(dāng)接觸網(wǎng)存在很高的過電壓時，避雷器電阻很小，電流通過避雷器流入大地，以保護(hù)與避雷器并聯(lián)的設(shè)備。避雷器對它所在的支柱絕緣子的保護(hù)具有隨機(jī)性，因為落雷點是不確定的，如果落雷點在離避雷器較遠(yuǎn)的地方時，那么支柱絕緣子可能會發(fā)生雷電閃絡(luò)，并且可能會引起絕緣子連續(xù)閃絡(luò)，擴(kuò)大雷電影響的范圍；地鐵在高架區(qū)段時，因為高架橋每隔200m經(jīng)過橋墩接地，所以如果落雷點不在橋墩附近，雷電流會流過很長距離才會入地，此時橋墩接地電阻對接觸網(wǎng)的耐雷水平影響就比較小，而且距離橋墩近的支柱耐雷水平要比離橋墩遠(yuǎn)的支柱高很多。

通過研究表明：地鐵在高架區(qū)段中，在安裝避雷器的位置和接地點接觸網(wǎng)的耐雷水平比較高，沒有保護(hù)裝置的則比較低；在接觸網(wǎng)上方架設(shè)架空地線可以提高接觸網(wǎng)的耐雷水平；在雷擊接觸網(wǎng)時，安裝避雷器可以明顯提高接觸網(wǎng)的耐雷水平，在雷擊架空地線，接地可以明顯提高接觸網(wǎng)的耐雷水平。

總結(jié)

地鐵作為一個公共交通工具，其安全可靠運(yùn)行是非常重要的，因此對地鐵的防雷研究是有必要。本文主要研究了地鐵高架段接觸網(wǎng)的防雷，和采用架空地線防雷時的優(yōu)點和問題。概述了目前在地鐵防雷方面的研究現(xiàn)狀，高架段接觸網(wǎng)主要是通過架空地線和安裝避雷器進(jìn)行防雷，架設(shè)架空地線防雷時可以減少接觸網(wǎng)雷擊閃絡(luò)的次數(shù)，但是會對周圍設(shè)施造成雜散電流腐蝕，所以在工程中建議架空地線串接雷電沖擊接地器，采取“疏導(dǎo)”的方法，將雷電流和雜散電流分別對待。工程上也應(yīng)該采取其他的防雷措施，以保證地鐵的安全運(yùn)營，減小雷電的危害。

吳銀修

中鐵十一局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.09.033