地鐵高壓供電系統(tǒng)的防雷保護研究

摘 要：在地鐵交通系統(tǒng)中，高壓供電網(wǎng)絡(luò)是確保列車安全、高效運行的關(guān)鍵。然而，這一系統(tǒng)常常暴露于自然環(huán)境中，面臨著雷電等極端天氣條件的嚴(yán)峻考驗。雷電不僅可能造成設(shè)備損壞，還可能引發(fā)供電中斷，嚴(yán)重影響地鐵的正常運營。因此，對地鐵高壓供電系統(tǒng)的防雷保護研究顯得尤為重要。本研究旨在深入分析雷電對地鐵高壓供電系統(tǒng)的影響。結(jié)合高架橋段地鐵接觸軌線路的實際參數(shù)的具體案例進(jìn)行分析，探討接觸軌高架線路中常見的雷擊類型，建立相關(guān)線路模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，找出對提高接觸軌耐雷性能影響較為顯著的關(guān)鍵因素，確保地鐵交通的連續(xù)性和乘客的安全。

關(guān)鍵詞：地鐵 高壓供電 接觸軌 避雷器 防雷

1 緒論

我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，導(dǎo)致了城市交通壓力的不斷增加。在這種背景下，城市軌道交通憑借其較高的載客量、較快的運行速度和較低的環(huán)境污染，不失為一種很好的解決方案。這一趨勢在一定程度上推動了地鐵系統(tǒng)的快速發(fā)展，成為各大城市交通發(fā)展的重要方向[1]。自從中華人民共和國的首條城軌（首都軌道交通1號線）通車至今，截至 2024 年底，中國大陸地區(qū)共有58個城市開通城市軌道交通運營線路 361 條，運營里程12160.77 公里。其中，地鐵運營線路9306.09 公里，占比76.53%；其他制式城軌交通運營線路2854.69公里，占比 23.47%。當(dāng)年運營里程凈增長 936.23 公里。國內(nèi)軌道交通的供電系統(tǒng)方法一般分為觸及網(wǎng)供電系統(tǒng)和觸及軌供電系統(tǒng)。通過分析雷電過電壓的物理過程，研究不同雷擊類型下過電壓的分布規(guī)律及其雷擊閃絡(luò)特性，對于現(xiàn)實中的工程項目建設(shè)和應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 地鐵雷擊特性及雷電防護的研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，關(guān)于地鐵雷擊特性及雷電防護的研究主要集中在雷擊的物理過程、雷電過電壓的分布規(guī)律以及如何提高地鐵系統(tǒng)的雷電耐受性方面。研究表明，雷電引發(fā)的感應(yīng)過電壓是造成地鐵設(shè)備損壞的主要原因，尤其是高架軌道段易受到雷電影響。為此，學(xué)者們提出了多種防護策略，如在接觸軌及弱電設(shè)備中安裝避雷裝置、采用接地技術(shù)減少雷電能量的傳播等。同時，基于雷電仿真模型的研究也逐漸成熟，能夠模擬不同雷擊條件下的電氣響應(yīng)，預(yù)測雷擊對地鐵設(shè)備的影響。目前，盡管雷電防護技術(shù)不斷進(jìn)步，但如何在提高防護效率的同時，降低成本與維護難度，仍然是未來研究的重要方向。

2.2 地鐵接地系統(tǒng)雷擊暫態(tài)特性研究現(xiàn)狀

近年來，關(guān)于地鐵接地系統(tǒng)雷擊暫態(tài)特性的研究逐漸受到關(guān)注。研究主要集中在雷擊時接地系統(tǒng)的電氣響應(yīng)、暫態(tài)過電壓的傳播特性及其對設(shè)備的影響。通過建立雷擊暫態(tài)仿真模型，學(xué)者們能夠分析不同雷擊條件下接地系統(tǒng)的電流分布、過電壓幅度以及系統(tǒng)的保護效果。研究發(fā)現(xiàn)，接地系統(tǒng)的設(shè)計對雷擊暫態(tài)響應(yīng)具有重要影響，尤其是接地電阻、接地網(wǎng)的配置及接地線的布置方式。通過優(yōu)化接地系統(tǒng)，能夠有效降低雷電能量的傳播，減輕對設(shè)備的損害。此外，部分研究還提出了多層次防護方案，如組合使用接地、避雷及過電壓保護設(shè)備，以提高系統(tǒng)的抗雷擊能力。盡管相關(guān)技術(shù)不斷進(jìn)步，但如何在實際應(yīng)用中平衡成本、效能和維護依然是當(dāng)前研究中的一個挑戰(zhàn)。

3 接觸軌線路雷擊特性研究

3.1 接觸軌線路雷擊類型及對供電系統(tǒng)的影響

3.1.1 接觸軌雷擊類型

接觸軌類型的地鐵的電流控制系統(tǒng)是進(jìn)行單方向的供電設(shè)備控制系統(tǒng)，如果在遭遇雷擊的情況下很容易發(fā)生供電系統(tǒng)的損壞。接觸軌類型的地鐵的電壓主要分為感應(yīng)和直擊過電壓兩種類型。在接觸軌線遭遇雷擊的情況下，對于高架橋或地鐵線路而言，通常采用第二類防雷接地系統(tǒng)。在進(jìn)行避雷帶大小范圍確定的時候，根據(jù)滾球算法能夠大致計算出來半徑大小為45米，由此可以大致計算出來防雷擊的對應(yīng)的范圍，那么對于防雷的措施制定具有重要的現(xiàn)實意義。

3.1.2 雷擊對接觸軌供電系統(tǒng)的影響

分析表明，在高架橋的觸軌系統(tǒng)中發(fā)生雷擊后，雷擊避水帶或旅客列車正常運行的概率較大。而在雷擊避水帶中，較大雷流可以采用感知或打擊的方式引起絕緣隔離支架/絕緣子閃絡(luò)，從而造成其絕緣隔離性受損，旅客列車缺電；而觸及軌與連接扁銅則由絕緣隔離支撐保護，但如果絕緣隔離支撐閃絡(luò)，極易引起觸軌與連接扁銅短路，使軌道交通線路跳躍，從而造成供電中斷。而雷擊列車運行除去可以采用感知或打擊的方式引起絕緣隔離支撐閃絡(luò)外，也可以引起旅客列車電磁閥的啟動，從而造成車站電氣設(shè)備受損。

3.2 接觸軌線路模型的搭建

選擇以廣州的某一條城市軌道交通線路為具體案例進(jìn)行分析，繪制出來該線路的高價區(qū)段的接觸軌的線路的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。圖1中交流軌道為a，接地扁銅為b，接觸鋼軌為c，接地連接鋼筋為d，豎向聯(lián)接引下線為e，橋墩連接端子為f。接地端的連接線是防止雷擊直接于打的連接，其中的電氣連接是通過橋端的避水帶的橫向連接的鋼筋進(jìn)行連接的，實現(xiàn)電氣的通斷，接地扁銅設(shè)置在絕緣支撐鋼板底座上進(jìn)行固定。地鐵采用的是直流供電系統(tǒng)，在供電和雷擊的過程中會產(chǎn)生大量的電熱流對軌道造成損壞，為排除這種損壞在混凝土軌道床下設(shè)置排流網(wǎng)。

3.3 雷擊避雷帶時雷擊特性分析

3.3.1 雷擊避雷帶時電壓分布

如果接觸軌沒有車輛通過的時候，直擊雷不會對軌道造成直擊，而是作用于避水帶。本案例研究雷擊避雷帶時各導(dǎo)線的電流分布情況，使用CDEGS軟件進(jìn)行模擬仿真。水泥的最大擊穿電流一般在8-12kV/cm，而水泥的最大擊穿電流則與溫濕度直接相關(guān)，本文取水泥的最大擊穿電流為10kV/cm。綜合考慮雷擊主要發(fā)生在接地或引下線的位置，假設(shè)雷流幅值介于10kA到140kA之間，通過計算各導(dǎo)線間的電位差分布。

3.3.2 雷擊避雷帶時接觸軌擊穿情況分析

通過對各導(dǎo)體電位差分布情況分析可知，當(dāng)雷電流幅值超過38kV，絕緣支撐兩端的電壓相差就超過125kV，此時盡管絕緣支撐閃絡(luò)了，但與其他導(dǎo)線的電流差并沒有超過臨界擊穿值。這主要是由于交流軌和避水帶并列架設(shè)，當(dāng)雷擊避水帶通過時，在交流軌上形成了較高等感應(yīng)過電壓，并由此導(dǎo)致了絕緣隔離模板的閃絡(luò)。

當(dāng)雷電流幅值超過98kV，雷擊產(chǎn)生的電流會通過避水帶與梁面鋼筋共享接地引下線流入梁面鋼筋。由于此種原因?qū)е落摻罨炷翆邮艿礁鼜姷姆瓷潆娏饔绊?，并被穿透。隨著雷電流溫度的升高，當(dāng)雷電流幅值超過125kA時，鋼軌混凝土層處的排流網(wǎng)將無法承受巨大的過載，那么雷擊產(chǎn)生的電流將流向絕緣支架底座加速絕緣支架的老化過程。

4 避雷器對接觸軌耐雷水平的影響

4.1 基于ATP-EMTP接觸軌模型建立及避雷器防雷原理分析

4.1.1 基于接觸軌模型的建立

高架橋翼上設(shè)置了避雷帶，每200米通過橋墩的接槎端子與避雷帶連接。高架橋墩的柱跨距為40米，橋墩寬度為8米，并將該橋作為自然連接體進(jìn)行模擬。建立基于ATP-EMTP接觸軌線路模型，如圖2所示。

4.1.2 避雷器防護原理

在ATP-EMTP中，避雷器通過非線性電阻特性防護接觸軌線路過電壓。正常時呈高阻態(tài)，不影響運行；過電壓時轉(zhuǎn)為低阻態(tài)，泄放能量并鉗制電壓，保護設(shè)備絕緣。模型采用IEEE或Pinceti等非線性電阻元件，仿真驗證其快速響應(yīng)和防護效果，確保系統(tǒng)安全。標(biāo)準(zhǔn)避雷器模型采用IEEE 3.4.11頻率模式，通過非線性電阻特性模擬避雷器動態(tài)響應(yīng)。該模型考慮了頻率對避雷器伏安特性的影響，能更精確地反映高頻過電壓下的性能。在過電壓時，模型快速轉(zhuǎn)為低阻態(tài)，泄放能量并鉗制電壓；正常電壓下恢復(fù)高阻態(tài)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行，適用于雷電和操作過電壓的仿真分析。

4.2 金屬氧化物避雷器對接觸軌耐雷水平的影響

4.2.1 接地電阻對接觸軌耐雷水平的影響

先設(shè)定避水帶的連接間距為200m，在調(diào)整避水帶雷擊點距離后，將避水帶二接點的中間位置處作為雷擊點1，從中心點向左側(cè)每隔20米選定一個雷擊地點，共計六個雷擊點。通過分析在這些不同雷擊點下，接觸電流的變化對接觸軌耐雷能力的影響，結(jié)果如圖3所示。

從圖中數(shù)據(jù)分析可知，連接阻力對接觸軌耐雷能力的負(fù)面影響較小的點在20、40、60、80米處的位置；雷擊點和接地點的距離為0的時候，連接阻力對接觸軌耐雷能力的負(fù)面影響增大。因為直擊雷點距接地方間距較遠(yuǎn)，受大橋自身阻力影響程度也較連接阻力要大，所以連接阻力改變后對交流軌道耐雷水準(zhǔn)的負(fù)面影響并不突出；在直擊雷接地方后，由于雷流大多數(shù)直接通過高架橋墩柱進(jìn)入地面，這有助于提升交流軌道的整體耐雷強度。

4.2.2 安裝金屬氧化物避雷器對接觸軌耐雷水平的影響

基于ATP-EMTP建立接觸軌模型并安裝金屬氧化物避雷器（MOA）后，仿真分析表明MOA顯著提升了接觸軌的耐雷水平。MOA通過其非線性特性，在雷擊過電壓時迅速動作，將接觸軌上的過電壓峰值限制在安全范圍內(nèi)，避免了絕緣擊穿和設(shè)備損壞。仿真結(jié)果顯示，未安裝MOA時，接觸軌在雷擊下可能產(chǎn)生極高的過電壓，威脅系統(tǒng)安全；而安裝MOA后，過電壓幅值大幅降低，且雷電波的陡度得到有效抑制。此外，MOA的能量吸收能力確保了其在多次雷擊下的可靠性。通過對比安裝前后的電壓波形和能量分布，驗證了MOA對接觸軌防雷效果的顯著提升，為接觸軌系統(tǒng)的防雷設(shè)計提供了重要依據(jù)。

4.2.3 金屬氧化物避雷器安裝密度對接觸軌耐性能的影響

采用6種不同方式的布置避雷裝置，距離布置分別為從中間間隔一個橋墩到間隔六個橋墩進(jìn)行設(shè)置，與不同的地鐵接觸軌進(jìn)行接觸。利用得到的數(shù)據(jù)研究軌道線路耐雷能力與橋墩連接電阻變化的關(guān)系。通過仿真得到關(guān)系曲線如圖4所示。

對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，接觸軌的耐雷強度在同一橋墩相同的電阻值下受到不同金屬氧化物避雷器布置密度的影響，布置密度越大，抗雷能力也越大。最主要的原因是金屬氧化物避雷器能夠?qū)⒗讚舢a(chǎn)生的電流通過接地而進(jìn)行轉(zhuǎn)移，不至于存留在接觸軌的整個架構(gòu)上，導(dǎo)致接觸軌的損壞，提升了接觸軌的抗雷性。

4.3 防雷效果分析

通過建立結(jié)構(gòu)示意圖，設(shè)置對應(yīng)的點位，采集數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析可知，接觸軌道的耐雷能力與金屬氧化物避雷器安裝與否有很大的關(guān)系，安裝金屬氧化物避雷器能夠?qū)讚舢a(chǎn)生的電流進(jìn)行導(dǎo)流的作用，可以提升接觸軌的耐雷能力，避雷器安裝的密度在一定的范圍內(nèi)越密，那么接觸軌的耐雷能力越強。

5 結(jié)論

本文首先對我國的城市軌道交通的發(fā)展及有關(guān)軌道交通的供電方式進(jìn)行簡要的論述，分析了國內(nèi)外有關(guān)地鐵雷擊特性及雷電防護的研究現(xiàn)狀和地鐵接地系統(tǒng)雷擊暫態(tài)特性研究現(xiàn)狀。從接觸軌線路雷擊類型及對供電系統(tǒng)的影響、接觸軌線路模型的搭建和雷擊避雷帶時雷擊特性分析這三大方面對接觸軌線路雷擊特性這三大方面進(jìn)行研究。建立基于ATP-EMTP接觸軌線路模型，分析金屬氧化物避雷器對接觸軌耐雷水平的影響，得出接觸軌道的耐雷能力與金屬氧化物避雷器很大的關(guān)系，在一定密度值域內(nèi)的避雷器安裝可以有效地提升接觸軌道的耐雷能力。

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