一起雷擊接觸網(wǎng)可視化接地柜事件分析及其改進措施

摘 要：分析了廣州地鐵某線路車輛段雷擊致可視化接地柜故障事件中雷電侵入路徑及故障發(fā)展過程；按城軌露天區(qū)段與地下區(qū)間不同的防雷環(huán)境，分別從外部和柜內防雷的角度，對可視化接地柜提出了防雷差異化設計的建議。

關鍵詞：可視化接地柜；地鐵露天區(qū)段防雷；雷電反擊；防雷優(yōu)化

中圖分類號：U225" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）01-0074-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.01.018

0" " 引言

接觸網(wǎng)是城軌交通列車取得牽引電源的核心供電設備。接觸網(wǎng)停電檢修作業(yè)，一般采用人工掛地線作安全防護。近幾年，隨著供電系統(tǒng)、微機通信等技術發(fā)展，接觸網(wǎng)可視化接地系統(tǒng)已能夠在遠方控制，實現(xiàn)對接觸網(wǎng)的當?shù)刈詣域炿?、接地等工作；可視化接地柜內接地刀閘的分合位置狀態(tài)等，通過傳輸網(wǎng)絡，在遠方實現(xiàn)視頻監(jiān)視、SCADA等功能，因此消除了人工驗電掛撤地線過程中的人身安全風險，同時降低了運營人力成本，因而在城軌交通中得到廣泛應用，推動了供電系統(tǒng)自動化技術發(fā)展[1-5]。

部分接觸網(wǎng)設備須布置在露天區(qū)段，然而露天布置的可視化接地柜曾多次發(fā)生雷擊導致故障事件。本文分析了雷擊事件中接地柜雷電入侵路徑及故障原因，在此基礎上對露天區(qū)段可視化接地柜內外部防雷設計提出了針對性的優(yōu)化整改措施，可供軌道交通行業(yè)內運維單位等作參考借鑒。

1" " 事件概況

2024年某日，廣州市暴雨黃色預警，調度發(fā)現(xiàn)地鐵某線路A1、A2、B1、B2區(qū)跳閘，約20 s后重合閘成功；雷擊發(fā)生時，所有接地柜接地刀閘均處于斷開狀態(tài)；事后檢查，車輛段南面岔區(qū)兩座接觸網(wǎng)鋼支柱上的一根鋼絲繩熔斷垂落，雷擊致該鋼絲繩附近5臺可視化接地柜不同程度受損故障。

2" " 本次雷擊事件相關設備結構原理

2.1" " 可視化接地柜

2.1.1" " 接地柜結構

可視化接地柜主回路刀閘的一端通過電纜與接觸網(wǎng)相連（正極），另一端通過電纜與鋼軌連接（負極）；在刀閘正極側設置高內阻電壓檢測回路監(jiān)測接觸網(wǎng)電壓；當需要對接觸網(wǎng)停電掛地線作安全防護時，遠方發(fā)出接地刀閘合閘指令，自動經(jīng)電壓、聯(lián)鎖關系等判斷邏輯正確后，合上接地刀閘，實現(xiàn)接觸網(wǎng)維護接地；接地刀閘分合位置信號、視頻信號同時上傳到遠方，可在遠方通過位置信號、視頻畫面對接地刀閘位置進行雙重確認。

2.1.2" " 接地柜柜體接地

車輛段可視化接地柜未單獨設置接地極。柜體以地腳螺栓錨固在基礎水泥澆注體上，同時將柜體與柜內接地母排金屬連接，再從接地母排引一根70 mm2電纜連接到附近的鋼支柱（鋼支柱與架空地線連接）上，實現(xiàn)接地。

2.1.3" " 接地柜內部接地設備

2.1.3.1" " PE母排

接地柜內設置統(tǒng)一的PE母排，與柜體金屬連接安裝；一次設備外殼、二次設備金屬外殼、二次線纜鎧裝層、屏蔽層、電源PE線、SPD接地端、外部接地電纜均連接在此母排上。

2.1.3.2" " 二次設備接地線

1）采用金屬鎧裝的二次電力電纜、控制電纜、信號電纜、光纜、屏蔽雙絞線，鎧裝層雙端接地，屏蔽層單端接地；其接地線截面采用4 mm2。

2）交流電源PE線的連接：交流盤側在PE端子上連接，可視化接地柜側在接地母排上連接。

3）操作終端、攝像機通信箱、攝像機等金屬外殼通過接地線與接地銅排可靠連接。

2.1.4" " 防浪涌設備

可視化接地柜為防止電源側過電壓，分別在交流電源、直流電源的進線端以T1接線模式裝設浪涌保護器。

按GB 50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》確定雷電防護等級時，室外可視化接地柜二次回路電源處應視為LPZ1與LPZ2邊界，其浪涌保護器的沖擊電流和標稱放電電流參數(shù)需滿足第二級SPD標準規(guī)范[6]。可視化接地柜電源進線浪涌保護器型號為ABDM-80，最大放電電流為80 kA，標稱放電電流為40 kA，符合規(guī)范要求。

2.2" " 接觸網(wǎng)防雷接地設備

2.2.1" " 防直擊雷過電壓設備

車輛段主要采用H型鋼柱，架空地線為肩架安裝，高于接觸網(wǎng)帶電部分；除H型鋼柱外，段場內還有帶避雷針的混凝土柱等其他類型的支柱，這些支柱及避雷針高度均高出接觸網(wǎng)3～5 m，構成對接觸網(wǎng)的防雷保護?？梢暬拥毓裨O置在股道附近，柜體高度2 m；接觸網(wǎng)鋼柱、混凝土支柱帶避雷針高度在13～15 m不等，架空線高度6 m；接觸網(wǎng)鋼柱、架空線對可視化接地柜等形成了避雷針及避雷線，保護可視化接地柜免遭直擊雷侵入的風險；其相關計算參考GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范》“5.2 避雷針和避雷線的保護范圍”進行核驗；經(jīng)核算，接地線柜均在接觸網(wǎng)支柱及架空線形成防護網(wǎng)的保護范圍內。

2.2.2" " 防感應雷過電壓設備

車輛段接觸網(wǎng)按GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》中間距不應大于200 m的要求[7]，共設置氧化鋅避雷器22臺、雙角隙避雷器9臺、放電間隙9臺、避雷針65臺，以此防止附近感應雷電入侵接觸網(wǎng)。

車輛段可視化接地柜雷電感應過電壓防護主要依靠既有接觸網(wǎng)上設置的避雷器，對外部條件依賴性較強；在接觸網(wǎng)上網(wǎng)點位置設置的接地柜在正極引線附近設有避雷器，而非上網(wǎng)點位置的接地柜與避雷器距離相對較遠，滿足規(guī)范中間距要求，但實際防雷效果有所減弱。

3" " 雷電入侵路徑及故障原因分析

3.1" " 可視化接地柜雷電入侵路徑

3.1.1" " 雷電入侵接地柜的常見路徑

根據(jù)可視化接地柜電氣結構原理及其內外部防雷接地措施，結合前期其他雷擊可視化接地柜故障事件，得出雷電入侵接地柜的常見路徑大致分為四類：

1）從接觸網(wǎng)引下雷擊過電壓，通過正極母排對柜體放電，高壓電弧通過一次倉內二次設備竄入二次回路。

2）從接觸網(wǎng)引下雷擊過電壓，擊穿檢測回路絕緣，高壓竄入二次回路。

3）雷電直擊接觸網(wǎng)支柱或架空地線，經(jīng)支柱與柜體的連接電纜或直接通過大地，使接地柜柜體及柜內接地母排地電位大幅抬升，進而對二次回路形成反擊。

4）接地柜本身所屬二次線纜因感應雷導致二次回路故障，但可視化接地柜二次線纜均沿電纜廊道或隔音墻低處敷設，故此種概率極低。

3.1.2" " 本次事件雷電入侵接地柜的路徑分析

可視化接地柜柜內攝像頭有持續(xù)攝像記錄功能。本次雷擊事件中，在第一次雷擊時，所有接地柜均拍到附近有極強的閃光出現(xiàn)，推斷直擊雷擊中鋼絲繩致其瞬間斷裂；因鋼支柱沒有設置避雷器及單獨接地極，接地電阻較高，導致雷擊于鋼支柱或架空地線（含鋼絲繩）上時，雷電流泄流不暢，雷電壓在支柱及附近地面形成極高的地電位梯度。該電位通過接地柜與支柱的連接電纜（或大地）傳導到最近的F南2D-D1、F南2D-A1接地柜柜體，進而對兩柜二次回路（含二次回路接地線）形成反擊，造成兩柜嚴重故障；支柱上的雷電波沿正線架空地線、與2112D柜體相連的支柱傳導到2112D柜，導致該柜地排二次線故障；根據(jù)視頻記錄，F(xiàn)南1D-D1和F西1D-A1的柜內放電時間分別晚于前述雷擊時間4 s和8 s，且兩柜距離雷擊點相對較遠，視頻顯示在這兩個時間點有多次閃光出現(xiàn)，因此推斷這兩個接地柜最終故障由其他雷擊導致。綜上，各接地柜雷電侵入路徑均判斷為地電位對二次回路反擊所致，雷電入侵的典型路徑如圖1所示。

3.2" " 故障源頭設備致?lián)p原因分析

3.2.1" " 交流浪涌保護器故障原因分析

交流浪涌保護器為壓敏電阻模塊和氣體放電管模塊組合。如圖2所示，雷電波經(jīng)支柱或支柱附近地面→可視化柜體→柜內接地母排→中性線側浪涌保護器接地端→浪涌保護器→交流電源中性線→下一個接地柜中性線及浪涌保護器或經(jīng)中性線到達變電所接地網(wǎng)進入大地。

由于本次雷擊電流大，泄流時間長，遠超出中性線與地之間的氣體放電管模塊的允許放電容量，導致該浪涌保護器燒毀，電弧溢出，損及柜體及附近二次回路線纜。

3.2.2" " 接地母排上接地線故障原因分析

5臺故障柜中，除F西1D-A1外，其他各柜接地母排上的接地線均出現(xiàn)對柜體放電、燒損的現(xiàn)象。接地母排與柜體等電位，接于其上的交流電源接地線也應當與柜體等電位，不應出現(xiàn)擊穿接地線絕緣并對柜體放電的現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場排查發(fā)現(xiàn)，絕緣擊穿放電的交流電源電纜中的PE線，因預留線纜較長，因此在其接入柜內接地母排前存在繞圈存放現(xiàn)象。雷擊瞬間可視化柜體及接地母排相對遠方變電所的“地”存在極高電位，因此通過交流電源PE線向遠方變電所的“地”泄流，由于前述繞圈處存在感抗，電位差位于繞圈部分兩端，因此線圈靠電纜側與柜體間存在極大電位差，此電位差擊穿PE線絕緣，對柜體放電，導致線纜燒損故障。

4" " 可視化接地系統(tǒng)的防雷優(yōu)化措施

由上述分析可見，可視化接地系統(tǒng)作為城軌交通接觸網(wǎng)專業(yè)的一種新型設備，其防雷接地措施基本符合相關規(guī)范要求，但在露天環(huán)境的使用中出現(xiàn)了一些問題，因此在防雷設計上提出以下優(yōu)化提高措施。

4.1" " 可視化接地柜差異化設計

目前在不同安裝環(huán)境的接地柜，均采用統(tǒng)一化設計?？紤]到戶內（變電所設備房、隧道軌行區(qū)）與戶外露天區(qū)段安裝環(huán)境，在防雷要求方面區(qū)別較大，因此建議對接地柜進行差異化防雷設計。

4.1.1" " 戶內安裝

4.1.1.1" " 設備房

柜體采用絕緣安裝，設框架保護；不設置SPD；柜內不需設置避雷器；柜內二次接地母排與柜體采用電纜連接。

4.1.1.2" " 隧道軌行區(qū)

柜體采用非絕緣安裝，柜體通過電纜連接于接觸網(wǎng)地線或電纜支架扁鋼；不設置SPD；柜內不需設置避雷器；柜內二次接地母排與柜體采用電纜連接。

4.1.2" " 露天環(huán)境安裝

柜體采用非絕緣安裝，柜體通過電纜連接于單設接地極；設置SPD，SPD接地端與二次接地母排相連；柜內設置避雷器，避雷器經(jīng)電纜引至單獨設置的接地極；二次接地母排與柜體作絕緣安裝。

4.2" " 露天環(huán)境可視化接地柜防雷接地設計優(yōu)化

戶外安裝接地柜，在上述柜內優(yōu)化的基礎上，對柜內外防雷接地另作如下優(yōu)化，如圖3所示。

1）設置單獨的接地極；

2）接地柜外殼通過70 mm2電纜引至接地極；

3）柜內SPD接地端通過16 mm2電纜引至二次接地母排；

4）接觸網(wǎng)架空地線兼做避雷線時，抬高高度達到對應標準；

5）架空地線與接觸網(wǎng)各接地部件之間使用電纜作可靠連接。

5" " 結束語

接觸網(wǎng)可視化接地系統(tǒng)因其能大幅提升作業(yè)效率、降低安全風險、減少運營成本，應用效果突出，在城軌交通行業(yè)得到快速普及。

本文通過對一起典型的雷擊致可視化柜故障事件的深入分析，闡述了雷電波從正極入侵、雷電電流泄流不暢、從地電位反擊二次回路、二次接地線繞圈對接地柜體短路放電等過程及作用機理，針對性地提出了在不同安裝環(huán)境下接地柜內外部防雷的差異化設計及優(yōu)化措施，對接觸網(wǎng)可視化接地系統(tǒng)的生產(chǎn)、設計、運維等部門單位均有重要借鑒意義。

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[7] 地鐵設計規(guī)范：GB 50157—2013[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

收稿日期：2024-08-12

作者簡介：周大林（1967—），男，貴州興義人，高級工程師，研究方向：軌道交通牽引供電。