現(xiàn)代有軌電車供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)防雷技術研究

嚴 蘭

現(xiàn)代有軌電車供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)防雷技術研究

嚴 蘭

（上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司，200125，上海∥教授級高級工程師）

根據(jù)蘇州市當?shù)氐沫h(huán)境、氣象、地質(zhì)等條件和雷電活動規(guī)律，分析了幾種雷擊發(fā)生閃爍事故的風險，對蘇州高新區(qū)現(xiàn)代有軌電車1號線工程項目的供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)結構特性進行了深入分析和研究，通過和國家電網(wǎng)供電部門的技術人員一起對本項目進行了研究和論證，認為可以取消正線和車輛基地供電系統(tǒng)在接觸網(wǎng)上的防雷架空地線，尋找采用其他方法代替避雷線的防雷作用。此舉既保障了車輛的安全運營，又節(jié)省了投資費用，也提高了線路沿線的景觀美感。

現(xiàn)代有軌電車；供電系統(tǒng)；接觸網(wǎng)；防雷技術

1 蘇州高新區(qū)現(xiàn)代有軌電車網(wǎng)絡規(guī)劃

蘇州高新區(qū)現(xiàn)代有軌電車網(wǎng)絡規(guī)劃包括6條線路，線路總長為80 km，其中14 km共線?，F(xiàn)代有軌電車是高新區(qū)內(nèi)部公交次骨干系統(tǒng)，是城市軌道交通的延伸、過渡和補充。蘇州高新區(qū)現(xiàn)代有軌電車網(wǎng)絡規(guī)劃的6條線路示意圖如圖1所示。

圖1 蘇州高新區(qū)現(xiàn)代有軌電車網(wǎng)絡規(guī)劃的6條線路示意圖

蘇州高新區(qū)現(xiàn)代有軌電車1號線工程是現(xiàn)代有軌電車線網(wǎng)規(guī)劃中的第1條線路。該工程起點為龍安路站，終點為蘇州樂園站。線路走向為龍安路—太湖大道—建林路—華山路—湘江路—何山路—珠江路—金山路—蘇州樂園，全線長約18.19 km。途經(jīng)主要區(qū)域有西部生態(tài)城、科技城、滸墅關經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、楓橋街道、獅山街道等。線路主要以地面敷設方式為主，局部采用高架形式；全線采用架空接觸網(wǎng)供電，觸網(wǎng)設備的使用壽命為15年；配屬列車48列，2014年10月26日已正式投入運營。

2 蘇州現(xiàn)代有軌電車供電系統(tǒng)

2.1 供電系統(tǒng)

目前，現(xiàn)代有軌交通系統(tǒng)的牽引網(wǎng)形式主要有架空接觸網(wǎng)、無觸網(wǎng)和第三軌供電這3種類型。

1號線全線供電網(wǎng)方案采用10 kV分散供電設計方案,根據(jù)本工程車輛選用情況及遠期3 min行車間隔的運營要求，正線設置10座牽引降壓混合變電所，在車輛段設置2座牽引降壓混合變電所。

采用了全接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)的供電方案，由10 kV變電所、牽引網(wǎng)（包括直流饋線、接觸網(wǎng)、導軌和回流電纜）、動力照明供電系統(tǒng)、電力計算機監(jiān)控系統(tǒng)及雜散電流防護系統(tǒng)等組成。全線設電力計算機監(jiān)控系統(tǒng)，對供電系統(tǒng)設備運行狀態(tài)進行遠距離監(jiān)控。

2.2 架空接觸網(wǎng)

架空接觸網(wǎng)是給車輛受電弓提供持續(xù)電能的特殊供電設備，是無備用而直接影響行車運行的設備。接觸網(wǎng)供電研究和設計的原則體現(xiàn)“滿足電車行車速度、提高技術經(jīng)濟性能、實現(xiàn)運行安全可靠”的要求。

架空接觸網(wǎng)制式有DC 1 500 V和DC 750 V兩種。蘇州高新區(qū)現(xiàn)代有軌電車選用直流750 V供電，采用架空接觸網(wǎng)懸掛式（如圖2所示的中間支柱兩側懸掛形式和圖3所示的單邊支柱懸掛形式），全線接觸線導線采用銅合金電纜線。供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)架空地線采用硬銅絞線。

圖2 中間支柱兩側懸掛形式

圖3 單邊支柱懸掛形式

在電氣方面，考慮到持續(xù)電力電流、遠期高峰牽引負荷、牽引回流電纜的設置及電流截面要求，蘇州高新區(qū)現(xiàn)代有軌電車架空接觸網(wǎng)在設計中采取了可靠的防雷措施，以保證系統(tǒng)安全運行。

在機械方面，除了考慮技術先進、可靠、耐腐蝕、壽命長、安全等因素，以及沿線正線、停車場、庫內(nèi)等各種環(huán)境條件外，優(yōu)先選用滿足各項技術指標要求的國產(chǎn)設備。

在安全方面，全線接觸網(wǎng)具有完善的接地措施，每座牽引變電所設一個接地網(wǎng)，接地電阻一般不大于0.5 Ω，以確保人身安全。

2.3 繼電保護裝置

繼電保護是供電系統(tǒng)的重要組成部分，對保證供電系統(tǒng)的安全運行，防止事故擴大起著重要作用。繼電保護裝置的配置在設計中力求簡單可靠，重要設備應配置主保護及后備保護，繼電保護裝置采用微機型產(chǎn)品，各級保護應相互協(xié)調(diào)配合。

2.4 直流750 V饋線保護

直流750 V饋線保護包括：大電流脫扣保護（直流斷路器內(nèi)），大電流速斷保護（繼保），過電流保護，電流上升率、電流增量保護，電車線熱過負荷保護，重合閘及雙邊聯(lián)跳保護，低阻抗框架泄露保護，線路故障測試保護等。

2.5 系統(tǒng)防雷、過電壓保護

牽引變電所防雷保護與限制過電壓措施包括：變電所10 kV母線設避雷器，限制雷電波的入侵，保護變電所內(nèi)的供電設備；牽引變電所饋線出口設避雷器，限制雷電波的入侵，保護變電所內(nèi)的供電設備；牽引變電所整流器側正負極間設避雷器，用作內(nèi)部過電壓保護。

接觸網(wǎng)防雷保護與限制過電壓措施包括：正線上架空地線每隔250 m通過放電間隙接地，接地電阻不大于10 Ω；正線上接觸網(wǎng)每隔500 m設置避雷器；變電所饋線上網(wǎng)隔離開關處設置避雷器，限制雷電波侵入變電所；全線接觸網(wǎng)所有不帶電金屬部分均與架空地線連接，運行架空地線與變電所接地網(wǎng)相連，構成接觸網(wǎng)接地保護回路。

3 蘇州現(xiàn)代有軌電車供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)防雷

蘇州高新區(qū)城市電網(wǎng)的供電條件較好。本工程的一般車站與城市軌道交通傳統(tǒng)意義上的車站完全不同，類似于普通道路公交候車站，車站無需專門設置降壓變電所。牽引變電所的設置可根據(jù)供電計算及線路的沿線地形條件設置，無需考慮車站的設置。由若干個牽引變電所直接從電力公司取得電源，向全線的牽引接觸網(wǎng)及動力用能供電。

根據(jù)蘇州市防雷中心提供的48年雷暴日統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，只有1963年記載為54 d。隨著蘇州城市日新月異的發(fā)展和擴大,隨后年代的雷暴日基本都在30 d左右。根據(jù)《建筑物防雷設計規(guī)范》，該地區(qū)不屬于高雷區(qū)。

圖4和圖5分別為蘇州和天津有軌電車在接觸網(wǎng)桿頂上架設防雷接地線實景圖。

圖4 接觸網(wǎng)桿頂上架設的防雷地線（蘇州）

圖5 接觸網(wǎng)桿頂上架設的防雷地線（天津）

預防防雷電波侵入設計包括以下幾方面內(nèi)容：變電所、位于地面的變電所房屋（如車輛段）按建筑物防雷規(guī)定設置避雷帶或避雷針；變壓器高、低壓側各相裝設避雷器；變壓器高、低壓側各相分別裝設適配的電涌保護器（SPD）；在動力變壓器0.4 kV側或向重要設備（環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)、火災報警系統(tǒng)、自動售檢票、通信信號等）供電的末端配電箱的各相母線上，裝設SPD；在信息系統(tǒng)機房配電箱處（第三級）裝設不小于 20 kA（8/20 μs）（限壓型）的 SPD；對于采用直流供電的設備，應根據(jù)線路的長度和工作電壓，選用標稱放電電流不小于10 kA適配的SPD；電纜、金屬線槽和管道接地設計中的沖擊接地電阻不大于10 Ω。

針對蘇州城市現(xiàn)代有軌電車站臺的特色、站點現(xiàn)狀及站點遭受雷擊可能導致的損失，設計方案參照了《建筑物防雷設計規(guī)范》和《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》的技術要求，防雷類別防護設計符合第三類防雷建筑物的要求。車站接地網(wǎng)設計具體包括：

（1）對于站臺來說，雨棚為金屬材料，可作為防雷接閃器；站點候車亭雨棚支架等為金屬材料，可利用作為“引下線”，采用穿聚氯乙烯（PVC）管等方式絕緣，避免與人員接觸產(chǎn)生觸電危險。

（2）接地網(wǎng)對站臺防雷接地，新增環(huán)形人工接地網(wǎng)（見圖 6）。

圖6 現(xiàn)代有軌電車車站站臺接地網(wǎng)

（3）等電位連接將金屬雨棚、站臺指示牌與接地網(wǎng)可靠連接，站牌廣告燈箱、電源線屏蔽鋼管、設備機箱、金屬路燈桿等可通過等電位連接排與接地網(wǎng)可靠連接。

（4）管線屏蔽將站臺廣告牌燈箱、信息屏、顯示系統(tǒng)等的電源線進行屏蔽，采用Φ20 mm鋼管進行屏蔽并做好兩端接地處理。屏蔽體埋地長度應不小于15 m。

（5）電涌保護器安裝將根據(jù)供配電線路導體長距離傳輸?shù)奶攸c、防雷器件的特性、來自線路雷電流的強度，以及配電系統(tǒng)各部分的耐電水平，采用多級分級防雷保護。

4 國外有軌電車供電系統(tǒng)防雷設計

20世紀初，有軌電車在歐洲、美洲、大洋洲和亞洲的一些國外城市風行一時。目前，在瑞士、德國、波蘭、奧地利、意大利、比利時、荷蘭、日本及東歐等國的有軌電車實現(xiàn)了現(xiàn)代化網(wǎng)絡運營。有軌電車采用接觸網(wǎng)供電的線路約占95%，沒有在牽引接觸網(wǎng)的架空饋線上架設防雷地線（如圖7和圖8所示）。

歐洲有軌電車供電接觸網(wǎng)只有兩根提供受電弓受電的饋線線路，非常簡潔。其防雷做法是根據(jù)當?shù)氐臍庀髼l件分析，采取了以下9項技術措施：

（1）根據(jù)蒙特卡羅算法，對采集的數(shù)據(jù)進行分類查詢，比較所有隨機收集的不同數(shù)據(jù)概率密度的變量函數(shù)，進行建模，以分析雷電閃絡率，確定桿塔上的絕緣子和電阻值選取錯誤的數(shù)值，仿真模擬后，調(diào)整正確的閃絡率數(shù)值大小的參數(shù)。

圖7 牽引接觸網(wǎng)無架空防雷接地線圖（德國柏林）

圖8 牽引接觸網(wǎng)無架空防雷接地線圖（法國巴黎）

（2）在饋線桿塔接觸網(wǎng)上裝設受到雷擊發(fā)生閃絡的絕緣子，在桿塔上裝設計算器，進行實時數(shù)據(jù)采集，對增加的雷擊數(shù)據(jù)進行計數(shù)，通過數(shù)據(jù)的匯集和計算，對不斷更新的地面閃絡率進行計數(shù)后，再通過通信的傳輸發(fā)送到供電系統(tǒng)自動化控制系統(tǒng)中，實時處理并及時對接觸網(wǎng)防雷系統(tǒng)進行預警。

（3）去當?shù)貧庀笾行氖占陆ㄓ熊夒娷嚲€路地區(qū)的氣象資料。

（4）在電氣方面，考慮持續(xù)電力電流及遠期高峰小時牽引負荷、牽引回流電纜的設置及電流截面要求。

（5）全線接觸網(wǎng)具有完善的接地裝置，每座牽引變電所設一個接地網(wǎng)，接地電阻一般為0.5～1.0 Ω。

（6）在變電所安裝繼電保護及自動裝置。

（7）直流750 V饋線安裝保護裝置。

（8）供電系統(tǒng)裝設防雷、過電壓保護設備。

（9）接觸網(wǎng)防雷保護采用限制過電壓措施。

5 結論

通過對蘇州現(xiàn)代有軌電車與國外有軌電車的供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)防雷技術研究后，與蘇州供電局供電高壓線路部門的技術人員共同對“蘇州有軌電車1號線路供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)關于防雷系統(tǒng)技術問題”進行了討論和分析研究，認為應該按照中華人民共和國電力系統(tǒng)技術規(guī)范《66 kV及以下的架空電力線路設計規(guī)范》、《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》進行分析設計。

（1）蘇州現(xiàn)代有軌電車1號線供電接觸網(wǎng)上方加裝避雷地線應經(jīng)過嚴格的建模及仿真試驗，獲取確切的數(shù)據(jù)后，進行理論和實踐分析得出結論，再決定是否加裝接觸網(wǎng)避雷地線。而不是看到高鐵、地鐵、輕軌在供電接觸網(wǎng)上加裝了避雷地線，就理所當然地認為現(xiàn)代有軌電車供電接觸網(wǎng)上方也必須加裝避雷地線。

（2）地鐵、輕軌供電接觸網(wǎng)采用的是直流和交流（1 500 V或27.5 V）的供電電壓等級，平均運營速度為80～120 km/h；而蘇州現(xiàn)代有軌電車采用的供電接觸網(wǎng)是直流750 V電壓等級，這充分說明，有軌電車從用電量上就和地鐵、高鐵不是一個檔次。根據(jù)江蘇電力設計院提供的“蘇州高新區(qū)有軌電車1號線工程牽引站一次接入系統(tǒng)設計報告”中最大負荷計算量，筆者認為現(xiàn)代有軌電車的電氣容量不一定要按照國內(nèi)地鐵、輕軌供電系統(tǒng)電壓等級的要求設計接觸網(wǎng)，這樣既不科學，也沒有科學依據(jù)。

（3）蘇州現(xiàn)代有軌電車直流供電系統(tǒng)為750 V的電壓等級，和國外采用的供電電壓一致，車輛運營的平均速度為35～45 km/h，變電所和歐洲供電系統(tǒng)變電所采用的引出饋線接觸網(wǎng)防雷系統(tǒng)的措施基本相同。如果按照鐵路、地鐵、輕軌的1 500 V供電接觸網(wǎng)電壓等級架設防雷接地線，不但妨礙沿線的景觀，而且加大了投資，不經(jīng)濟。

［1］ 國家電力公司東北電力設計院.電力工程高壓送電線路設計手冊［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［2］ 水利電力西北電力設計院.電力工程電氣設計手冊：電氣一次部分［M］.北京：中國電力出版社，1989.

［3］ 水利電力西北電力設計院.電力工程高壓送電線路設計手冊：電氣二次部分［M］.北京：中國電力出版社，1991.

［4］ 中國航空工業(yè)規(guī)劃設計研究院.工業(yè)與民用配電設計手冊［M］.北京：中國電力出版社，2016.

［5］ 中華人民共和國建設部.民用建筑電氣設計規(guī)范：JGJ 16—2008［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［6］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.供配電系統(tǒng)設計規(guī)范：GB 50052—2012［S］.北京：中國計劃出版社，2012.

［7］ 中華人民共和國建設部.電力工程電纜設計規(guī)范：GB 50217—2007［S］.北京：中國計劃出版社，2007.

［8］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.20 kV及以下變電所設計規(guī)范：GB 50053—2013［S］.北京：中國計劃出版社，2013.

［9］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.建筑物防雷設計規(guī)范：GB 50057—2010［S］.北京：中國計劃出版社，2010.

［10］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.35 kV～110 kV變電站設計規(guī)范：GB 50059—2011［S］.北京：中國計劃出版社，2011.

［11］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.城市電力規(guī)劃規(guī)范：GB/T 50293—2014［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

［12］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.交流電氣裝置的接地設計規(guī)范：GB/T 50065—2011［D］.北京：中國計劃出版社，2011.

［13］ 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.電力工程直流系統(tǒng)設計技術規(guī)程：DL/T 5044—2004［S］.北京：中國電力出版社，2004.

［14］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.66 kV及以下架空電力線路設計規(guī)范：GB 50061—2010［S］.北京：中國計劃出版社，2010.

［15］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范：GB 50343—2012［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

On Lightning-proof Technique for the Power Supply System Catenary of Modern Tram

YAN Lan

According to the local environmental，meteorological and geological conditions,as well as the law of lightning activity in Suzhou City，the risk of flicker accidents occurred in lightning storms is analyzed.The characteristics of catenary structure in the power supply system of the modern tram Line 1 project that runs in Suzhou High-tech Zone are analyzed in depth.Through working with the technical staff of power supply system department in National Grid,the overhead lightning-proof ground wire installed in power supply system of the main lines and depot is considered as redundant，it should be replaced by other methods.This initiative can protect the safe operation of vehicles，save investment costs and strengthen landscape beauty along the tram line at the same time.

modern tram；power supply system；catenary；lightning-proof technique

TM922.5：U482.1；

10.16037/j.1007-869x.2017.11.030

Author′s address Shanghai Urban Construction and Design Research Institute（Group）Co.，Ltd.，200125，Shanghai，China

2016-03-09）