戴麗君 楊立新 成明華

(1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道供電系,210031,南京; 2.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,300142,天津;3.上海鐵路局南京供電段,210015,南京//第一作者,副教授)

軌道交通架空接觸網(wǎng)防雷綜合技術(shù)研究

戴麗君1楊立新2成明華3

(1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道供電系,210031,南京; 2.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,300142,天津;3.上海鐵路局南京供電段,210015,南京//第一作者,副教授)

在軌道交通中,牽引供電系統(tǒng)提供列車牽引動(dòng)力,架空接觸網(wǎng)作為牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分,向動(dòng)車組供電授流。軌道交通供電系統(tǒng)一般采用架空接觸網(wǎng)授流制式,在軌道交通采用高架橋敷設(shè)形式時(shí),接觸網(wǎng)系統(tǒng)則成為區(qū)域內(nèi)的相對(duì)高點(diǎn),遭受雷害的幾率增加。針對(duì)供電系統(tǒng)架空接觸網(wǎng)防雷綜合技術(shù)策略進(jìn)行研究,分析架空接觸網(wǎng)防雷綜合技術(shù)需重點(diǎn)解決的關(guān)鍵問(wèn)題,歸納提出了行之有效的技術(shù)對(duì)策。

軌道交通; 架空接觸網(wǎng); 防雷技術(shù)

First-author′s address Nanjing Institute of Railway Technology,210031,Nanjing,China

軌道交通供電系統(tǒng)為列車提供牽引動(dòng)力,架空接觸網(wǎng)作為供電系統(tǒng)的重要組成部分,向動(dòng)車組供電授流。在高架線路上,接觸網(wǎng)系統(tǒng)則成為區(qū)域內(nèi)的相對(duì)高點(diǎn),遭受雷害的幾率增加。

本文旨在分析目前軌道交通普遍采用的架空接觸網(wǎng)的防雷技術(shù)現(xiàn)狀,結(jié)合工程案例,歸納提煉各種防雷對(duì)策的相應(yīng)效果,以提升防雷綜合技術(shù)水平。

1 架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)防雷技術(shù)概況

1.1 我國(guó)高速鐵路接觸網(wǎng)防雷技術(shù)現(xiàn)狀

目前我國(guó)高速鐵路接觸網(wǎng)的防雷措施主要有:

(1) 安裝線路避雷器。主要設(shè)置在電分相和站場(chǎng)端部絕緣關(guān)節(jié)、長(zhǎng)大隧道的兩端、供電線或AF (正饋)線連接到接觸網(wǎng)上的接線處。

(2) 安裝保護(hù)間隙。保護(hù)間隙屬于一種疏導(dǎo)式雷電防護(hù)裝置,其工作原理在于雷電過(guò)電壓情況下的空氣間隙擊穿,導(dǎo)線對(duì)地釋放雷電能量。

(3) 統(tǒng)籌設(shè)置避雷器接地引線。一般情況下,路基地段的避雷器接地一端接PW (保護(hù))線,另一端單獨(dú)接地極。

在這些防雷措施中,安裝避雷器最為常用。

1.2 國(guó)外鐵路接觸網(wǎng)防雷技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)外鐵路,特別是高速鐵路,日本和德國(guó)的電氣化鐵路具有一定的代表性。

德國(guó)鐵路采用電壓保護(hù)裝置限制雷電過(guò)電壓,一般應(yīng)用避雷器。據(jù)相關(guān)資料介紹,德國(guó)電氣化鐵路專家認(rèn)為,避雷器只能對(duì)過(guò)電壓進(jìn)行有限的保護(hù),僅在雷電現(xiàn)象過(guò)于頻繁的地段考慮設(shè)置,在其它區(qū)段則不設(shè)。這與我國(guó)鐵路行業(yè)的認(rèn)識(shí)頗為相似。

日本鐵路采用的主要形式有:在全線接觸網(wǎng)架設(shè)架空避雷線,同時(shí)在牽引變電所出口、接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)、電纜接頭或連接處、架空地線終端設(shè)置避雷器。或綜合采用各種避雷方式。

1.3 城市軌道交通防雷技術(shù)現(xiàn)狀

我國(guó)城市軌道交通多采用避雷器和架空地線兼做避雷線的防雷措施。

根據(jù)調(diào)研及相關(guān)資料數(shù)據(jù)顯示,城市軌道交通地面及高架線路遭受雷擊的事件較多。有的線路在高架和地面段普遍設(shè)置了避雷線和避雷器,當(dāng)避雷器間隔縮小后,防雷效果改善較為明顯。

2 架空接觸網(wǎng)受雷擊影響分析

大氣過(guò)電壓分為感應(yīng)雷過(guò)電壓和直擊雷過(guò)電壓。有關(guān)文獻(xiàn)對(duì)這兩種過(guò)電壓對(duì)架空接觸網(wǎng)的雷擊影響進(jìn)行了分析。

2.1 感應(yīng)雷過(guò)電壓

圖1 感應(yīng)雷過(guò)電壓計(jì)算原理圖

如圖1所示,雷擊接觸網(wǎng)附近地面時(shí),雷云離地面的高度為Z0,先導(dǎo)通道的頭部離地面的高度為Z1,承力索對(duì)地高度為H,接觸網(wǎng)導(dǎo)高為h,先導(dǎo)通道與接觸網(wǎng)之間的距離為y,先導(dǎo)通道中的平均電荷密度為τ,則雷電先導(dǎo)通道中的電荷在接觸網(wǎng)下面任何一點(diǎn)A(垂直高度設(shè)為h)的場(chǎng)強(qiáng)總垂直分量可以表示為:

(1)

式中:

ε0——空氣的介電常數(shù)。

取地面電位為零電位,接觸導(dǎo)線上的最大感應(yīng)電壓為:

(2)

當(dāng)先導(dǎo)通道到達(dá)地面時(shí),Z1→0,又由于Z0遠(yuǎn)大于H,則用Z0代替(Z0-H)和(Z0+H)不會(huì)帶來(lái)太大的誤差,則式(2)可以簡(jiǎn)化為:

(3)

2.2 直擊雷過(guò)電壓

2.2.1 雷擊支柱

當(dāng)雷擊接觸網(wǎng)支柱時(shí),由于支柱具有一定的阻抗和支柱接地具有一定的接地電阻,雷電流通過(guò)支柱流入大地時(shí),在支柱上產(chǎn)生沖擊電壓為:

(4)

式中:

RG——支柱接地電阻與支柱電阻之和(支柱電阻的數(shù)量級(jí)一般為mΩ級(jí),與接地電阻相比很小,可以忽略不計(jì),這里RG的值即取接地電阻的值,根據(jù)規(guī)程的規(guī)定支柱的接地電阻為10 Ω);

LP——支柱的等值電感,取10 μH。

雷電波波頭的長(zhǎng)度取2.6 μs,當(dāng)接觸網(wǎng)的絕緣水平為290 kV時(shí),引起絕緣子閃絡(luò)的雷電流幅值為:

(5)

將上述各變量數(shù)值代入式(5)計(jì)算得出I=21 kA。

2.2.2 雷直擊接觸網(wǎng)

圖2 雷直擊過(guò)電壓計(jì)算原理圖

(6)

取雷電通道的波阻抗z0=350 Ω。根據(jù)接觸網(wǎng)的分布電感和電容計(jì)算,接觸網(wǎng)的波阻抗為517 Ω;考慮到雷電流在導(dǎo)線上產(chǎn)生電暈使導(dǎo)線的波阻抗下降20～30%,取修正系數(shù)為0.8,即接觸網(wǎng)實(shí)際的波阻抗為413.6 Ω。由于雷電流向接觸網(wǎng)上雷擊點(diǎn)兩邊傳播,所以雷擊點(diǎn)的輸入波阻抗z=206.8 Ω。即引起接觸網(wǎng)閃絡(luò)的雷電流幅值大小為:

(7)

絕緣子串在雷電過(guò)電壓的作用下發(fā)生沖擊閃絡(luò)后不一定都會(huì)引起短路跳閘,當(dāng)在工頻電壓作用下沖擊閃絡(luò)發(fā)展成穩(wěn)定的電弧時(shí)才會(huì)引起短路故障。

運(yùn)營(yíng)部門(mén)觀察到,感應(yīng)雷的跳閘次數(shù)具有一定的分散性,這種分散性主要是由于雷電通道主放電速度的分散性引起的。感應(yīng)雷的跳閘次數(shù)占雷擊次數(shù)的比例較高,直擊雷的跳閘次數(shù)占雷擊次數(shù)的比例則較低?？梢钥闯?感應(yīng)雷是引起牽引供電系統(tǒng)雷擊跳閘的主要原因。

牽引供電系統(tǒng)要降低牽引供電系統(tǒng)的雷擊跳閘次數(shù),應(yīng)該優(yōu)先考慮對(duì)感應(yīng)雷的防護(hù)。

從雷擊跳閘次數(shù)看,直擊雷所占的比例很小,但直擊雷的電流大、電壓高、破壞性強(qiáng),在防感應(yīng)雷的同時(shí),也不能忽視對(duì)直擊雷的防護(hù)。

3 架空接觸網(wǎng)防雷對(duì)策分析

3.1 安裝避雷器

在支柱上裝設(shè)避雷器,可有效降低接觸網(wǎng)雷擊跳閘概率。其工作原理是:雷電擊中接觸網(wǎng)時(shí),若雷擊電壓大于避雷器的放電電壓,避雷器會(huì)立即將雷電流釋放,并在工頻電壓下以高阻抗截?cái)喙ゎl續(xù)流,避免絕緣子閃絡(luò),從而保障接觸網(wǎng)持續(xù)穩(wěn)定工作。

在工程中,設(shè)置避雷器的支柱接地電阻在10 Ω以下,而其余的支柱接地電阻一般為30 Ω左右。

圖3為架空接觸網(wǎng)采用避雷器防雷措施不同安裝情況下的防雷仿真結(jié)果。

圖3 不同安裝情況下避雷器的防雷仿真

由圖3可見(jiàn),距雷擊點(diǎn)200 m范圍內(nèi),絕緣子端電壓的變化幅度基本一致,故證明避雷器的有效作用范圍在200 m左右。如果要采用避雷器提高接觸網(wǎng)的耐雷水平,必須密集設(shè)置避雷器,但這也會(huì)導(dǎo)致接觸網(wǎng)故障率上升,因?yàn)楸芾灼髯陨硪泊嬖诰S護(hù)和老化問(wèn)題。因此過(guò)于密集安裝線路避雷器不是很好的選擇。如果選擇在雷擊比較集中的地段安裝線路避雷器,則防雷效果較好。

3.2 安裝避雷線

避雷線的保護(hù)作用是使雷電擊通過(guò)避雷線將雷電流泄入大地。為了使雷電流順利泄入大地,避雷線要有良好的接地裝置。

在電力系統(tǒng)中,避雷線是輸電線路防雷的重要手段。在牽引供電系統(tǒng)中,接觸網(wǎng)的絕緣等級(jí)較低,在雷電過(guò)電壓引起的絕緣子閃絡(luò)中,感應(yīng)雷過(guò)電壓引起的閃絡(luò)占比很高,所以在接觸網(wǎng)上架設(shè)避雷線除了防直擊雷外,還要考慮到防感應(yīng)雷的效果。

3.3 京滬高鐵接觸網(wǎng)防雷措施

根據(jù)調(diào)研及相關(guān)資料數(shù)據(jù)顯示,京滬高鐵自開(kāi)通以來(lái),地面及高架線路遭受雷擊較多。為切實(shí)降低雷擊跳閘對(duì)高速鐵路列車安全運(yùn)行的影響,在線路設(shè)置避雷器的基礎(chǔ)上,將沿線牽引變電所向第一個(gè)AT (自耦變壓器)段供電的加強(qiáng)線改造成為了避雷線,防雷效果得以明顯改善。

4 防雷措施優(yōu)化建議

4.1 設(shè)置并盡可能抬高架空地線

有研究表明,架空地線不僅可以作為閃絡(luò)通道對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)起到保護(hù)作用,升高架空地線還能夠產(chǎn)生類似于避雷針的接閃效果,在一定程度上減少直擊雷直接擊中接觸網(wǎng)導(dǎo)線的概率。除對(duì)架空地線進(jìn)行抬高以外,架空地線與承力索、接觸線在水平面上的相對(duì)位置對(duì)其防護(hù)范圍來(lái)說(shuō)也非常關(guān)鍵。以往,電力部門(mén)經(jīng)常采用“折線法”、“保護(hù)角”等概念對(duì)避雷線的防護(hù)范圍進(jìn)行設(shè)計(jì)。而自上世紀(jì)80年代開(kāi)始,世界上大多數(shù)國(guó)家均采用IEC (國(guó)際電工委員會(huì))標(biāo)準(zhǔn)的“滾球法”計(jì)算保護(hù)范圍。近些年,我國(guó)在新修訂的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中也逐漸接受了“滾球法”。

采用“滾球法”校驗(yàn)架空地線的防護(hù)范圍,通過(guò)校驗(yàn)結(jié)果來(lái)調(diào)整架空地線與接觸線、承力索的空間位置以加強(qiáng)接觸網(wǎng)抵御直擊雷的能力,不失為一種好的有效的防雷方案。

4.2 減小接地電阻與接地間距

有關(guān)文獻(xiàn)對(duì)接地電阻與耐雷水平之間的關(guān)系進(jìn)行了仿真研究,不論雷電流波形如何,線路耐雷水平總體上隨支柱接地電阻的增加而相應(yīng)降低。此外,減小接地電阻阻值,對(duì)減小雷電反擊也有一定的作用。避雷線上落雷后,雷電流沿避雷線流入支柱,雖然支柱或其接地引下線的電感、支柱接地電阻上的壓降、柱頂?shù)碾娢豢赡苓_(dá)到足以使線路絕緣發(fā)生反擊的數(shù)值,但是即使這樣仍會(huì)造成停電事故。所以,在成本不增加很多的前提下,可以考慮盡量減小接地電阻值,以減小雷電反擊發(fā)生的幾率。

當(dāng)接地電阻值為10 Ω時(shí),50 kA的雷電流通過(guò)支柱,將抬高電位至500 kV左右,大大超過(guò)腕臂絕緣子的耐壓水平,極有可能使絕緣子發(fā)生閃絡(luò),甚至造成絕緣子損壞。而當(dāng)接地電阻值小于2 Ω時(shí),同樣程度的雷擊所帶來(lái)的電位升高小于300 kV,則在絕緣子承受范圍以內(nèi)。

在土壤電阻率較低的地區(qū),用橋墩作為基礎(chǔ)接地體時(shí),接地電阻值應(yīng)盡量降低。運(yùn)營(yíng)中,可有效減少絕緣子閃絡(luò)的發(fā)生概率,在防雷重點(diǎn)區(qū)域,還可考慮適當(dāng)縮小接觸網(wǎng)系統(tǒng)的接地間距。

為解決防雷與雜散電流防護(hù)在接地方面的矛盾,在高架段每個(gè)接地點(diǎn)處均設(shè)置電壓均衡器。該設(shè)備能夠防止雜散電流向外部擴(kuò)散,同時(shí)在發(fā)生雷擊事故時(shí),能瞬時(shí)短接接觸網(wǎng)接地側(cè)設(shè)備和橋墩地網(wǎng)的連通。

4.3 適當(dāng)提高絕緣子絕緣等級(jí)

從經(jīng)濟(jì)性角度考慮,在重點(diǎn)區(qū)域可考慮提高絕緣等級(jí)。其中導(dǎo)線終端下錨處是相對(duì)重要的部位,下錨絕緣子一旦被雷電擊穿斷裂,會(huì)導(dǎo)致與斷線相同的后果,影響面較大,恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。因此,重點(diǎn)區(qū)域提高絕緣等級(jí)應(yīng)采取差異化防雷方案,采取加強(qiáng)絕緣的措施。有的區(qū)段,對(duì)所有接觸網(wǎng)導(dǎo)線的末端都采用電氣化鐵路專用27.5 kV的復(fù)合絕緣子,其絕緣強(qiáng)度大大高于地鐵直流1.5 kV的電壓等級(jí),標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊耐受電壓達(dá)到300 kV,大大超過(guò)其它桿塔采用的直流1.5 kV 絕緣子標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊耐受電壓125 kV的耐壓水平。

這種對(duì)于重點(diǎn)保護(hù)部位加強(qiáng)絕緣的措施應(yīng)能使導(dǎo)線終端下錨絕緣子得到相對(duì)良好的保護(hù),可以有效避免接觸網(wǎng)導(dǎo)線終端絕緣子雷擊斷裂的后果。

4.4 合理設(shè)置避雷器

對(duì)于架空線路而言,其所經(jīng)地域廣闊,周邊環(huán)境多變,都應(yīng)加強(qiáng)對(duì)感應(yīng)雷的防護(hù)。而經(jīng)濟(jì)合理地設(shè)置避雷器對(duì)提高接觸網(wǎng)防感應(yīng)雷的水平有一定作用,特別是在重點(diǎn)區(qū)域,對(duì)重要設(shè)備和設(shè)施的防護(hù),較為有效,如上網(wǎng)饋線開(kāi)關(guān)處、隧道洞口處、分段絕緣器附近、下錨集中處等。其中,上網(wǎng)饋線開(kāi)關(guān)處應(yīng)安裝避雷器,其來(lái)雷側(cè)臨近支柱也應(yīng)安裝避雷器,在雷電波未到達(dá)饋線開(kāi)關(guān)處之前,先行進(jìn)行有效攔截。

同時(shí),也必須認(rèn)識(shí)到接觸網(wǎng)安裝避雷器的衍生問(wèn)題:①因避雷器保護(hù)范圍有限,只能防止其保護(hù)范圍內(nèi)的接觸網(wǎng)絕緣閃絡(luò);②二氧化鋅避雷器大都采用帶串聯(lián)間隙的結(jié)構(gòu),其復(fù)合絕緣子長(zhǎng)度短,污穢條件下的工頻電壓耐受能力低,可能會(huì)增加污閃事故率;③過(guò)于加密安裝避雷器,初投資和維修費(fèi)用也將增加,預(yù)防試驗(yàn)和維修工作量極大。

4.5 因地制宜,采取綜合技術(shù)措施進(jìn)行防雷

在具體工程中,防雷措施的采用與線路所在地形地貌、氣象條件密切相關(guān),不同的地域差異較大,同一地域中線路周邊環(huán)境也有一定差別,防雷措施的制定應(yīng)充分考慮這些因素,可有針對(duì)性地采用避雷線、避雷器、接地、加強(qiáng)絕緣等一種防雷措施或不同防雷措施的組合。

架空接觸網(wǎng)防雷,還應(yīng)考慮周邊建筑物,特別是架空輸電線路的天然“屏蔽”作用。充分考慮這方面因素,可以有效節(jié)省投資,減少設(shè)置避雷器的數(shù)量,降低維護(hù)工作量。

5 結(jié)論

軌道交通架空接觸網(wǎng)的防雷主要措施有抬升避雷線、設(shè)置避雷器、減小接地電阻、加強(qiáng)絕緣、在重點(diǎn)區(qū)域?qū)χ攸c(diǎn)設(shè)備綜合防雷、全線應(yīng)差異化防雷等。在確定防雷的具體方式時(shí),應(yīng)綜合考慮線路經(jīng)過(guò)地區(qū)雷電活動(dòng)的強(qiáng)弱、地形地貌特點(diǎn)、土壤電阻率的高低等自然條件,根據(jù)不同防雷措施或相應(yīng)組合措施方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果,采取合理的保護(hù)措施。

軌道交通架空接觸網(wǎng)防雷的目的是提高線路的防雷性能,降低線路的雷擊跳閘率。采取經(jīng)濟(jì)合理的防雷措施,可有效降低因雷電造成的供電系統(tǒng)跳閘概率和故障概率。

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On Comprehensive Lightning Protection of Rail Transit Overhead Catenary

DAI Lijun, YANG Lixin, CHENG Minghua

Traction power supply system provides traction power for rail transit train,the overhead contact line is an important part in traction power supply system,granting power to EMU (electronic multipl unit) stream.Rail transit power supply system generally adopts overhead catenary grant stream standards,when the viaduct form is adopted for rail transit,the catenary system tends to become the relatively high area in a certain section,making it vulnerable to lightning damages.In this paper,the lightning prevention technology and policies of overhead catenary power supply system are comprehensively researched,key issues in the integrated technology of overhead catenary lightning prevention are analyzed,some technical counter measures are proposed.

rail transit; overhead catenary line; lightning prevention measures

U 226.8+3

10.16037/j.1007-869x.2016.12.014

2016-09-22)