張慧潔，唐賈言，古曉東

（1.天津市賽英工程建設(shè)咨詢管理有限公司，助理工程師，天津 300191；2.上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院，高級工程師，上海 200125；3.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，工程師，天津 300251）

近年來，國內(nèi)很多城市都在大力發(fā)展城市軌道交通，其中以地鐵、輕軌形式居多。對于現(xiàn)在還不具備大規(guī)模建設(shè)地鐵、輕軌的中小城市，采用有軌電車的形式既可以合理利用城市現(xiàn)有地形，又可以較好地優(yōu)化城市交通結(jié)構(gòu)，具有投資少、見效快的優(yōu)點(diǎn)。架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)是有軌電車供電系統(tǒng)的重要組成部分，采用直流750 V牽引系統(tǒng)供電。由于線路情況的復(fù)雜性和接觸網(wǎng)系統(tǒng)自身無備用的特點(diǎn)，使接觸網(wǎng)成為整個(gè)牽引供電系統(tǒng)中較為薄弱的環(huán)節(jié)，一旦發(fā)生斷線等事故將嚴(yán)重影響機(jī)車運(yùn)行。鑒于所處客運(yùn)行業(yè)的特殊性，要求盡量減少或避免發(fā)生停運(yùn)事故，因此做好接觸網(wǎng)的相關(guān)防護(hù)措施顯得尤為重要〔1〕。

采用簡單懸掛方式的有軌電車接觸網(wǎng)系統(tǒng)，通常由架空地線、接觸線、支持裝置、支柱與基礎(chǔ)組成。其中，架空地線在該系統(tǒng)中除起到工作接地作用外，還兼有避雷線的作用。但全線架設(shè)架空地線也有不少缺點(diǎn)，如投資大、運(yùn)行維護(hù)不便、不利于城市景觀的美觀性等。為此，本文以某地區(qū)有軌電車接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中架空地線的架設(shè)必要性為例，從接地方案和防雷性能兩方面對架空地線的作用進(jìn)行分析，使其能為有軌電車接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)；介紹了國內(nèi)外有軌電車接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀及結(jié)合有軌電車的地理位置及景觀要求，對3種接角網(wǎng)架設(shè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，最后對蘇州有軌電車接觸網(wǎng)架設(shè)提出建議。

1 接地方案分析

接地被定義為“一種有意或非有意的導(dǎo)電連接，由于這種連接，可使電路或電氣設(shè)備接到大地，或接到代替大地的某種較大的導(dǎo)電體”，其作用：一是使連接到地的導(dǎo)體具有等于或近似于大地（或代替大地的導(dǎo)電體）的電位；二是引導(dǎo)入地電流流入和流出大地（或代替大地的導(dǎo)電體）。接地的方案有架空地線接地、單個(gè)支柱打接地極或埋地線。

1.1 架空地線接地 架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)中，當(dāng)線路絕緣子發(fā)生閃絡(luò)或其它故障時(shí)，故障電流必須能通過接地系統(tǒng)及時(shí)流入大地并觸發(fā)變電所繼電保護(hù)裝置動(dòng)作。因此良好的接地系統(tǒng)對于架空接觸網(wǎng)而言顯得非常重要。架空地線的設(shè)置對于保證接地系統(tǒng)良好運(yùn)行有重要的作用，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，故障電流能通過架空地線及時(shí)流入大地。如果取消架空地線，只能采取單個(gè)支柱打接地極或埋地線的方案，而這兩者都易受雜散電流腐蝕的影響。

1.2 單個(gè)支柱打接地極 在城市軌道交通等直流供電運(yùn)輸系統(tǒng)中，常以軌道作為回流通路，而軌道很難做到完全對地絕緣，從而有部分電流從軌道泄漏到道床及周圍土壤中，這部分電流即為雜散電流。雜散電流會(huì)對道床、高架橋梁體內(nèi)部的金屬結(jié)構(gòu)及地下輸油、輸氣管道，甚至鄰近的外部建筑物的鋼筋結(jié)構(gòu)及其相關(guān)金屬設(shè)備產(chǎn)生腐蝕，導(dǎo)致建筑物的強(qiáng)度和設(shè)備的使用壽命降低。根據(jù)法拉第電解定律，當(dāng)流出陽極金屬的電流為1 A時(shí)，一年內(nèi)可腐蝕的金屬量為：鉛36 kg、銅11 kg、鐵10 kg。在雜散電流干擾比較嚴(yán)重的地區(qū)，電流可達(dá)幾十安培甚至幾百安培，壁厚8～9 mm的鋼管，快則2～3個(gè)月就會(huì)穿孔，因此雜散電流造成的腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重。綜上，相比架空地線方案，單獨(dú)打接地極的方案存在以下幾方面的缺點(diǎn)：

1）每個(gè)支柱單獨(dú)打接地極成本高于設(shè)置統(tǒng)一的架空地線；

2）受地質(zhì)條件限制，各支柱所在地區(qū)的土壤電阻率不盡相同，難以保證每個(gè)接地極的接地電阻都符合標(biāo)準(zhǔn)要求；

3）接地極長期處于地下雜散電流的腐蝕下，設(shè)備使用壽命降低，以后的維護(hù)工作量較大。

1.3 埋地線接地 采用沿線路埋設(shè)地線的方案同樣易受地下雜散電流腐蝕的影響，不便于維護(hù)，同時(shí)也增加了防水防潮等工程量，進(jìn)而增加了投資。

2 防雷性能分析

一般而言，線路防雷性能的優(yōu)劣主要由耐雷水平及雷擊跳閘率來衡量。耐雷水平即線路遭受雷擊所能耐受不至于引起閃絡(luò)的最大雷電流（kA）。雷擊跳閘率即每100 km線路每年因雷擊引起的跳閘次數(shù)。

一般來說，根據(jù)雷電活動(dòng)的頻度和雷害的嚴(yán)重程度，我國把年平均雷暴日數(shù)T>90的地區(qū)叫做強(qiáng)雷區(qū)，T≥40的地區(qū)為多雷區(qū)，15≤T≤40的地區(qū)為中雷區(qū)，T≤15的地區(qū)為少雷區(qū)〔2〕。

根據(jù)國家氣象臺(tái)資料，某地區(qū)年平均雷暴日數(shù)為52天，屬于多雷區(qū)。我國的牽引供電系統(tǒng)在雷雨季節(jié)發(fā)生頻繁跳閘與接觸網(wǎng)不能很好地防止感應(yīng)過電壓有關(guān)。有軌電車系統(tǒng)架空接觸網(wǎng)線路絕緣水平與電力系統(tǒng)10 kV配電線路相當(dāng)，現(xiàn)利用電氣幾何模型方法對該地區(qū)有軌電車接觸網(wǎng)系統(tǒng)有架空地線和無架空地線的防雷性能進(jìn)行評估分析。

2.1 直擊雷過電壓 架空地線的直擊雷保護(hù)效果同它下方的接觸線和所成的保護(hù)角有關(guān)。電力部門對于不同電壓等級的保護(hù)角的有如下相關(guān)要求：

1）500 kV輸電線路保護(hù)角宜采用10～15°；

2）330 kV及雙地線220 kV輸電線路宜采用20°；

3）山區(qū)110 kV輸電線路宜采用25°；

4）66 kV及以下輸電線路一般采用20～30°，山區(qū)單架空地線桿塔保護(hù)角可采用25°。

參考此標(biāo)準(zhǔn)，取接觸線的平均高度為5 800 mm，則有軌電車接觸網(wǎng)所需架空地線的安裝高度應(yīng)為10 089 mm。出于工程投資和城市景觀美觀性的考慮，目前架空地線一般高度為8 000 mm，保護(hù)角α=42.274°，對直擊雷起到一定的防護(hù)作用。由于有軌電車一般處于城市建筑較為密集區(qū)域，受到周圍建筑物的影響，處于雷電的非暴露區(qū)，因而遭受直擊雷的可能性相對較小。因此從直擊雷防護(hù)的角度來說，架空地線具有重要的作用，但當(dāng)周邊建筑物較高較密時(shí)，其重要性有所下降。

2.2 感應(yīng)雷過電壓 基于城市軌道交通的線路特點(diǎn)，應(yīng)將感應(yīng)雷防護(hù)作為考慮的重點(diǎn)，現(xiàn)分別對有無架空地線的情況進(jìn)行討論，通過以下計(jì)算可看出架設(shè)架空地線對于降低感應(yīng)雷擊跳閘率和提高耐雷水平有重要作用。

2.2.1 有架空地線 當(dāng)有架空地線的線路附近地面落雷時(shí)，如果在接觸網(wǎng)上產(chǎn)生的感應(yīng)雷過電壓超過線路耐雷水平，將會(huì)引起絕緣子的閃絡(luò)，甚至引起線路跳閘。假定每次絕緣子閃絡(luò)都引起線路跳閘，雷云對地放電時(shí)，在接觸網(wǎng)上產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓與雷電流幅值成正比，與地面落雷點(diǎn)同接觸網(wǎng)的水平距離成反比。由于架空地線的存在，接觸網(wǎng)上的感應(yīng)電壓必然會(huì)受到架空地線的耦合作用而受到削弱。故當(dāng)?shù)孛媛淅c(diǎn)與接觸網(wǎng)的距離為S時(shí)，接觸網(wǎng)上的感應(yīng)過電壓Ugy為

式中：hb為架空地線平均對地高度（m）；

hd為導(dǎo)線平均對地高度（m）；

k0為導(dǎo)線與架空地線的幾何耦合系數(shù)。

l為架空地線與導(dǎo)線的水平距離（m）。此處假設(shè)架空地線在支柱中心正上方。接觸網(wǎng)的耐雷水平為

式中：U50%為絕緣子的閃絡(luò)電壓（kV）。

地面落雷密度Ng=0.023Td1.3。

取落雷點(diǎn)距接觸網(wǎng)的距離S為2 hb時(shí)，接觸網(wǎng)的感應(yīng)耐雷水平為最小臨界值

根據(jù)《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》（DL/T620-1997），在供電線路的防雷計(jì)算中，我國一般地區(qū)雷電流幅值超過某定值的概率公式為計(jì)算可得有架空地線時(shí)雷電流大于該值的概率為34.3%。

接觸網(wǎng)附近地面落雷如圖1所示，圖中以感應(yīng)雷和直擊雷的臨界點(diǎn)為原點(diǎn)，以垂直鋼軌方向?yàn)閤軸，垂直地面方向?yàn)閥軸，平行鋼軌方向?yàn)閦軸。將接觸網(wǎng)附近地面落雷區(qū)劃分為多個(gè)小區(qū)間。從該點(diǎn)開始按照Δx（單位為m）的寬度等分，直到無窮遠(yuǎn)處為止。對于每個(gè)小區(qū)間（xi，xi+1），i=0，1，2，…，其寬度Δx與接觸網(wǎng)長度（在此為100 km）的乘積：100Δx/1 000=0.1x（km2），即為該小區(qū)間的受雷面積。該小區(qū)間的年落雷次數(shù)為Ni=0.023Td1.3×0.1Δx。

圖1 接觸網(wǎng)附近地面落雷示意圖

在小區(qū)間（xi，xi+1）內(nèi)落雷時(shí)接觸網(wǎng)的耐雷水平為

雷擊該小區(qū)間時(shí)的年跳閘次數(shù)為

按照廣義積分法，則可得100 km長度接觸網(wǎng)（雙側(cè)）的年感應(yīng)雷擊跳閘次數(shù)為

2.2.2 無架空地線 無架空地線時(shí)同樣假定每次絕緣子閃絡(luò)都引起線路跳閘，接觸網(wǎng)上的感應(yīng)過電壓，接觸網(wǎng)的耐雷水平

取落雷點(diǎn)距接觸網(wǎng)的距離為2hd時(shí)，接觸網(wǎng)的感應(yīng)耐雷水平為最小臨界值。雷電流大于該值的概率為56.8%。

在小區(qū)間（xi，xi+1）內(nèi)落雷時(shí)，接觸網(wǎng)的耐雷水平

由此可得100 km長度接觸網(wǎng)（雙側(cè)）的年感應(yīng)雷擊跳閘次數(shù)為

3 國內(nèi)外有軌電車接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

據(jù)有關(guān)資料表明，歐洲中部地區(qū)每100 km接觸網(wǎng)在一年的時(shí)間內(nèi)可能遭受1次雷電沖擊。以德國為例，其在設(shè)計(jì)中采用過電壓保護(hù)裝置限制雷電過電壓，一般應(yīng)用避雷器；同時(shí)他們認(rèn)為避雷器只能對感應(yīng)過電壓進(jìn)行有限的保護(hù)，不能對直擊雷進(jìn)行有效地保護(hù)，一般只用于無頻繁雷電存在的地段。由于歐洲大部分地區(qū)雷電活動(dòng)強(qiáng)度低，故無論是從防護(hù)方面還是經(jīng)濟(jì)效益方面一般不考慮設(shè)置防雷裝置，這也是在歐洲的有軌電車中很少見到架空避雷線的原因。

由于日本特殊的地理?xiàng)l件和氣象條件，在電氣化鐵道接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)雷擊頻度及線路重要程度，將國土的防雷等級劃分為A、B、C區(qū)域并規(guī)定了相應(yīng)的防雷措施見表1。

表1 日本國鐵接觸網(wǎng)防雷措施

國內(nèi)的《北京市現(xiàn)代有軌電車技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定：接觸網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)架設(shè)貫通的架空地線，所以與接觸網(wǎng)帶電部分通過絕緣隔離的金屬部分皆連接至架空地線。以上海張江有軌電車接觸網(wǎng)系統(tǒng)和大連有軌電車接觸網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)物圖為例進(jìn)行說明。張江有軌電車接觸網(wǎng)系統(tǒng)中架設(shè)了架空地線見圖2的a、b所示。據(jù)上海氣象局提供的雷電參數(shù)，年雷暴日為49，屬高雷區(qū)，運(yùn)行至今共發(fā)生雷電波入侵達(dá)20多次，但未對變電所及接觸網(wǎng)帶來損害。

圖2 張江有軌電車接觸網(wǎng)（架設(shè)架空地線）實(shí)物圖

大連有軌電車接觸網(wǎng)系統(tǒng)見圖3的a、b所示，從圖中看出柱子上未架設(shè)架空地線。但據(jù)了解是采用電纜形式埋入地下對全線的接觸網(wǎng)立桿作了接地，這種方式無法實(shí)現(xiàn)架空地線的防雷作用，但改善了城市景觀性的要求。大連的年雷暴日僅為19，屬少雷區(qū)接觸網(wǎng)及變電所運(yùn)行至今相對可靠。

圖3 大連有軌電車接觸網(wǎng)（未設(shè)架空地線）實(shí)物圖

4 接觸網(wǎng)架設(shè)方案分析

根據(jù)上訴分析可得出架設(shè)架空地線對于接地和防雷都具有重要作用。結(jié)合有軌電車的地理位置及景觀的要求，接觸網(wǎng)有以下3個(gè)方案。

4.1 全線架設(shè)架空接地線 全線架設(shè)接地線具有以下優(yōu)點(diǎn)：保證接地系統(tǒng)的良好運(yùn)行，造價(jià)相對較低，不受地下雜散電流腐蝕影響，后期維護(hù)工作量??；能夠大幅度降低接觸網(wǎng)的感應(yīng)雷電壓和直擊雷概率，提高接觸網(wǎng)的可靠性。缺點(diǎn)：美觀度差。

4.2 部分區(qū)域設(shè)置架空接地線 在空曠區(qū)域有軌電車設(shè)置架空地線，其他地段采用埋地接地線。由于在空曠的區(qū)域有軌電車附近沒有高聳的建筑物或構(gòu)筑物，接觸網(wǎng)容易受到感應(yīng)雷或直接雷。同時(shí)由于地處空曠區(qū)段，架空地線的架設(shè)不會(huì)造成大的視覺沖擊。而在城區(qū)內(nèi)四周有較高的建筑，道路的路幅較窄，接觸網(wǎng)遭受感應(yīng)雷或直接雷的概率大大降低，且造成損壞停電的概率也較低。另外，由于地處較狹窄的道路空間，架空地線會(huì)對人的視覺造成較大沖擊，與周圍的建筑不協(xié)調(diào)。綜合上述，為兼顧防雷及景觀，可在地處空曠的區(qū)域的有軌電車接觸網(wǎng)設(shè)置架空接地線，而在城區(qū)段不設(shè)架空接地線（而采用埋地敷設(shè)的接地線）。優(yōu)點(diǎn)：能兼顧防雷及景觀的要求。缺點(diǎn)：替代的接地方案造價(jià)較高，易受雜散電流腐蝕影響。

4.3 全線不設(shè)架空接地線 有軌電車全線都不設(shè)架空地線，能夠使景觀得到大幅的改善，但會(huì)使得處在空曠地段的接觸網(wǎng)受到雷擊的概率大大提高，可能會(huì)使接觸網(wǎng)受到較大的雷電沖擊而造成接觸網(wǎng)或供電設(shè)備的損壞，造成較長時(shí)間的有軌電車

停運(yùn)，帶來較大的社會(huì)影響。優(yōu)點(diǎn)：景觀性改善。缺點(diǎn)：接觸網(wǎng)容易受到雷擊影響，進(jìn)而造成長時(shí)間停電；替代的接地方案造價(jià)較高，難以避免雜散電流的腐蝕影響。

5 結(jié)束語

由于目前還缺乏有軌電車的防雷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)參照電力部門和國外國鐵防雷經(jīng)驗(yàn)，本報(bào)告建議蘇州有軌電車接觸網(wǎng)系統(tǒng)中全線架設(shè)架空地線，或至少在空曠的太湖大道段的有軌電車接觸網(wǎng)架設(shè)單獨(dú)架空地線，城區(qū)段出于景觀的要求可不設(shè)置架空地線，采用埋地敷設(shè)的接地干線實(shí)現(xiàn)接地功能。

〔1〕于喜林，陸軍.城市軌道交通接觸網(wǎng)防雷技術(shù)應(yīng)用〔J〕.電氣化鐵道，2011，（4）：46-50.

〔2〕于增.接觸網(wǎng)防雷技術(shù)研究〔J〕.鐵道工程學(xué)報(bào)，2002，（3）：89-94.