艾東兵

0 引言

為節(jié)約工程投資，城市軌道交通越來(lái)越多地采用地面和高架線路，因而發(fā)生多起接觸網(wǎng)雷擊事故，造成設(shè)備損毀甚至導(dǎo)致列車停運(yùn)。深圳地鐵5號(hào)線3.9 km 的高架段線路，自2011年6月28日開(kāi)通試運(yùn)營(yíng)至當(dāng)年9月19日，短短2 個(gè)多月的時(shí)間內(nèi)，發(fā)生2 次雷擊跳閘事故，并造成部分設(shè)備損壞。接觸網(wǎng)雷害防護(hù)成為急需解決的問(wèn)題。

本文以深圳地鐵羅寶線柔性架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)為例，通過(guò)理論分析、模擬計(jì)算和運(yùn)營(yíng)實(shí)際需求分析，提出了針對(duì)該線路的接觸網(wǎng)防雷改進(jìn)方案，并進(jìn)行完善，起到了良好的防雷效果。

1 羅寶線接觸網(wǎng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

深圳地鐵羅寶線全長(zhǎng)40.89 km，其中高架段3.49 km，接觸網(wǎng)采用架空柔性懸掛，接觸懸掛安裝示意圖如圖1所示。高架段接觸網(wǎng)沿線架設(shè)架空地線，且架空地線通過(guò)金屬抱箍與接觸網(wǎng)下錨底座、支持裝置等共支柱安裝，架空地線在兩側(cè)車站直接引至牽引變電所的接地母排上，同時(shí)在區(qū)間每200 m 通過(guò)地電位均衡器連接地極；接觸網(wǎng)各類絕緣子接地端的金屬底座、開(kāi)關(guān)底座、腕臂底座等均

與架空地線可靠連接；在高架橋梁設(shè)計(jì)中，接觸網(wǎng)支柱沒(méi)有有效接地；高架橋接觸網(wǎng)每隔200 m 設(shè)避雷器，并將橋墩內(nèi)部鋼筋網(wǎng)作為其接地體，接地電阻小于5 Ω。

圖1 羅寶線接觸懸掛安裝示意圖

2 防雷分析及實(shí)施方案

2.1 避雷器與架空地線共接地極

對(duì)于雷擊接觸網(wǎng)線路，形成過(guò)電壓危害的情況概括起來(lái)可以劃分為3 種：

（1）雷擊接觸網(wǎng)附近的地面，在接觸網(wǎng)上引起感應(yīng)過(guò)電壓。

（2）雷直接擊于接觸網(wǎng)導(dǎo)線（或腕臂），在接觸網(wǎng)上產(chǎn)生過(guò)電壓。

（3）雷擊接觸網(wǎng)支柱（或架空地線），在支柱頂端產(chǎn)生沖擊過(guò)電壓，造成接觸網(wǎng)絕緣子的反擊。

本節(jié)主要討論避雷器接地極與架空地線接地極不同安裝位置對(duì)接觸網(wǎng)防雷效果的影響。在下文中，選取雷電直擊接觸網(wǎng)導(dǎo)線的情況進(jìn)行分析（其他雷擊情況分析方法類似）。根據(jù)彼德遜法則，可將雷電直擊接觸網(wǎng)導(dǎo)線的作用簡(jiǎn)化為集中參數(shù)電路，如圖2所示。

圖2 接觸網(wǎng)雷電作用的等值電路（雷擊導(dǎo)線）圖

目前，國(guó)內(nèi)城市軌道交通接觸網(wǎng)系統(tǒng)主要采用DC 1500 V 或DC 750 V 兩級(jí)電壓進(jìn)行供電，列車取流較大，考慮架空地線與接觸網(wǎng)導(dǎo)線平行架設(shè)，為避免感應(yīng)電流及絕緣子泄露電流形成的雜散電流，對(duì)地鐵沿線建筑物或設(shè)備造成電腐蝕，根據(jù)《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》的要求，架空地線不能直接接地，需采用地電位均衡器將架空地線與接地極分開(kāi)，但考慮地電位均衡器的導(dǎo)通電壓較低，且導(dǎo)通后兩端殘壓較小，因此，在圖2中忽略了地電位均衡器的影響。

假設(shè)避雷器和地電位均衡器的放電響應(yīng)時(shí)間為零，即作用于避雷器和地電位均衡器的電壓達(dá)到其放電電壓后立即導(dǎo)通。

當(dāng)避雷器單獨(dú)接地，雷電直接擊中接觸網(wǎng)導(dǎo)線時(shí)，雷電流沿接觸網(wǎng)導(dǎo)線向遠(yuǎn)處傳播，同時(shí)通過(guò)避雷器和接地電阻入地，此時(shí)接觸網(wǎng)雷電作用的等值電路如圖2a所示，接觸網(wǎng)絕緣子兩端的電壓差為

式中，ures(t)為避雷器殘壓；ug(t)為接地極沖擊電壓。

當(dāng)避雷器與架空地線共接地極，雷電直接擊中接觸網(wǎng)導(dǎo)線時(shí)，雷電流沿接觸網(wǎng)導(dǎo)線向遠(yuǎn)處傳播，同時(shí)通過(guò)避雷器和接地電阻入地。另外，由于避雷器與架空地線共接地極，雷電流通過(guò)避雷器后，沿地電位均衡器、架空地線和遠(yuǎn)方架空地線接地極入地，此時(shí)接觸網(wǎng)雷電作用的等值電路如圖2b所示，接觸網(wǎng)絕緣子兩端的電壓差為

通過(guò)式（1）和式（2）可知，當(dāng)避雷器與架空地線共接地極時(shí)，雷電過(guò)電壓在接觸網(wǎng)絕緣子兩端產(chǎn)生的電壓差僅為避雷器殘壓，但當(dāng)避雷器單獨(dú)接地時(shí)，雷電過(guò)電壓在接觸網(wǎng)絕緣子兩端產(chǎn)生的電壓差為避雷器殘壓與接地電阻沖擊電壓之和?？紤]接觸網(wǎng)避雷器在選型時(shí)的絕緣配合設(shè)計(jì)，即Ures≤BIL/K，BIL 為被保護(hù)設(shè)備的雷電沖擊耐受電壓，K 為配合因數(shù)，國(guó)際電工委員會(huì)規(guī)定K≥1.2，因此，當(dāng)避雷器與架空地線共接地極時(shí)，不會(huì)發(fā)生絕緣擊穿。其次，由圖1a和圖1b對(duì)比可知：當(dāng)避雷器與架空地線共接地極時(shí)，雷電流通過(guò)避雷器后，除通過(guò)接地極泄流外，還沿地電位均衡器、架空地線和遠(yuǎn)方架空地線接地極入地，增加了泄流通道；當(dāng)雷電參數(shù)和雷擊點(diǎn)相同時(shí)，i1(t)＜i2(t)，即有利于雷電流快速泄流，降低接觸網(wǎng)導(dǎo)線電壓。

通過(guò)上述分析可知，避雷器和架空地線共接地極在雷電流作用時(shí)，能有效鉗制絕緣子兩端電壓小于或等于避雷器殘壓，同時(shí)增加雷電流的泄流通道，有利于提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)的耐雷水平。避雷器與架空地線共接地極的示意圖如圖3所示。

2.2 接觸網(wǎng)下錨處采用不平衡絕緣

根據(jù)架空接觸網(wǎng)安裝形式，雷電過(guò)電壓會(huì)造成區(qū)間接觸網(wǎng)腕臂絕緣子、下錨絕緣子及饋線絕緣子等絕緣部位的絕緣擊穿，最終造成接觸網(wǎng)線路失壓，影響供電可靠性。其中，又以雷擊接觸網(wǎng)下錨處，造成下錨絕緣子擊穿、補(bǔ)償繩斷裂或絕緣子爆裂影響最為嚴(yán)重。以深圳地鐵2007年12月2日竹子林車輛段試車線1 號(hào)支柱補(bǔ)償繩斷裂為例，該次事故造成了試車線多處絕緣子、防風(fēng)支撐管、調(diào)整螺栓、吊弦、電連接損壞、接觸線硬彎、扭面和燒傷、線岔參數(shù)變化等，由于設(shè)備損壞較多，恢復(fù)難度較大，所需時(shí)間較長(zhǎng)，因此，在接觸網(wǎng)關(guān)鍵部位采用不平衡絕緣是非常必要的。

圖3 避雷器與架空地線共接地極的示意圖

根據(jù)接觸網(wǎng)設(shè)備的安裝形式，接觸網(wǎng)下錨裝置都與腕臂同支柱架設(shè)，采用不平衡絕緣的方法，加強(qiáng)下錨支接觸網(wǎng)的絕緣等級(jí)。圖4表示接觸網(wǎng)不同絕緣等級(jí)時(shí)擊穿場(chǎng)強(qiáng)與電壓作用時(shí)間的關(guān)系。

當(dāng)接觸網(wǎng)遭受雷電流入侵時(shí)，在t1時(shí)刻，雷電壓升至u1，因?yàn)閡1

（1）增加了雷電流分流通道，使雷電流能更快地釋放，降低了接觸網(wǎng)導(dǎo)線電壓。

（2）由于腕臂絕緣子擊穿后，需通過(guò)架空地線和架空地線接地極進(jìn)行能量釋放，受架空地線和接地極的鉗制作用，支柱側(cè)電位升高，進(jìn)而使接觸網(wǎng)下錨絕緣子兩端電壓差進(jìn)一步降低。

（3）由于導(dǎo)通支接觸網(wǎng)導(dǎo)線對(duì)下錨支接觸網(wǎng)導(dǎo)線的耦合作用，提高了下錨支的耐雷水平。

圖4 絕緣子擊穿場(chǎng)強(qiáng)與電壓作用時(shí)間的關(guān)系圖

通過(guò)上述分析，采用不平衡絕緣，加強(qiáng)下錨處的絕緣強(qiáng)度，能有效提高接觸網(wǎng)下錨處絕緣子的耐雷水平，有利于減少因雷擊造成的事故影響范圍。為此，羅寶線接觸網(wǎng)在下錨處串聯(lián)了2 個(gè)下錨絕緣子，方案如圖5所示。

圖5 下錨處采用不平衡絕緣的方案示意圖

2.3 減小架空地線接地極間距

圖6 雷擊支柱或架空地線時(shí)電位分布曲線圖

根據(jù)上文中羅寶線接觸網(wǎng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介可知，接觸網(wǎng)支柱均未直接接地，而是通過(guò)架空地線每200 m進(jìn)行一處接地，通過(guò)模擬計(jì)算可知：當(dāng)雷電擊中接觸網(wǎng)支柱或架空地線時(shí)，支柱不接地時(shí)反擊電位不消減，容易造成雷擊點(diǎn)附近多個(gè)絕緣子擊穿，增加事故范圍，只有當(dāng)支柱接地時(shí)，反擊電位才會(huì)得到有效降低，減小反擊事故的發(fā)生概率。圖6是支柱或架空地線遭雷擊時(shí)電位分布曲線。 考慮每根支柱都直接接地，為防止雜散電流的影響，就必須在每個(gè)接地極處設(shè)置地電位均衡器，由此帶來(lái)的巨大投資和日后繁重的檢修任務(wù)量是防雷整改中必須考慮的問(wèn)題，因此，針對(duì)接地極間距設(shè)置的問(wèn)題，綜合考慮深圳年雷暴日大于90 d，屬雷電活動(dòng)特別強(qiáng)烈地區(qū)的實(shí)際情況，將架空地線接地極間距由200 m 縮短為100 m，通過(guò)模擬計(jì)算，表明減小接地極間距對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)防雷有所改善，其模擬計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 空地線時(shí)不同接地極間距的電位分布曲線圖

3 結(jié)論

針對(duì)沿線安裝有架空地線的城市軌道接觸網(wǎng)系統(tǒng)，可結(jié)合實(shí)際運(yùn)營(yíng)需求，充分考慮設(shè)備維修、故障恢復(fù)、氣象條件及經(jīng)濟(jì)性等因素，有區(qū)別、有針對(duì)性地進(jìn)行防雷方案的設(shè)計(jì)，能切實(shí)改善和提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)的防雷水平。通過(guò)理論分析和模擬計(jì)算，提出以下建議：

（1）接觸網(wǎng)避雷器應(yīng)與架空地線共接地極，能有效降低絕緣子兩端電壓差，減少絕緣子擊穿概率。

（2）針對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)下錨等關(guān)鍵部位，宜采用不平衡的絕緣方式，減小事故影響。

（3）適當(dāng)縮短接地極間距，能有效降低雷電反擊事故的發(fā)生概率。

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