李瑞芳韓虎金亮陳奎曹曉斌李鯤鵬,3
接觸網(wǎng)和接觸軌兩種供電方式下地鐵線路耐雷擊水平分析與比較
李瑞芳1韓虎2金亮1陳奎1曹曉斌1李鯤鵬1,3
(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,610031,成都;2.四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限公司,610031,成都;3.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司,510010,廣州//第一作者,講師)
架空接觸網(wǎng)供電和接觸軌供電是地鐵線路常見(jiàn)的兩種供電方式。運(yùn)用CDEGS軟件建立了接觸網(wǎng)線路和接觸軌線路模型,仿真分析兩種方式下雷擊位置及高架橋高度對(duì)耐雷擊水平的影響,以及接觸軌供電方式下避雷帶架設(shè)高度對(duì)耐雷擊水平的影響;比較了兩種供電方式下的耐雷擊水平差異并解釋了原因。結(jié)果表明,兩種供電方式下,雷擊點(diǎn)距接地點(diǎn)越遠(yuǎn),耐雷擊水平越低;高架橋越高,耐雷水平越低。接觸軌供電方式下,避雷帶越高,耐雷擊水平越高。接觸軌供電方式下的耐雷擊水平較接觸網(wǎng)供電方式高得多。
地鐵;架空接觸網(wǎng);接觸軌;耐雷擊水平
First-author′s addressSchool of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,610031,Chengdu,China
通信、信號(hào)等電子信息類(lèi)設(shè)備系統(tǒng)是維系地鐵正常運(yùn)營(yíng)的中樞神經(jīng),一旦遭受雷擊或雷電波侵入,將危及地鐵正常的運(yùn)輸秩序,甚至造成重大的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-5]。且地鐵高架線路[6]極易遭受雷擊,因此有必要研究地鐵線路的雷擊特性。
目前,軌道交通防雷的研究以鐵路為主。但地鐵與鐵路的牽引供電方式不同,一方面是接觸懸掛方式不同,另一方面地鐵的電壓等級(jí)一般為直流750 V和直流1 500 V,比鐵路交流25 kV的電壓等級(jí)低得多,故地鐵線路的絕緣比普通鐵路弱,更容易引起雷擊跳閘。因此,地鐵防雷不能照搬普通鐵路的研究成果,需針對(duì)性地展開(kāi)研究。目前,關(guān)于地鐵防雷雖有一定的研究成果[7-11],但未見(jiàn)針對(duì)地鐵線路耐雷擊水平影響因素和防雷效果的詳細(xì)研究。接觸軌和接觸網(wǎng)是地鐵常見(jiàn)的供電方式,二者在結(jié)構(gòu)形式、對(duì)地高度等方面均不一樣,其耐雷擊水平和防雷措施勢(shì)必也不一樣。研究二者耐雷擊水平的差異,可為防雷措施的提出提供參考。
1.1接觸網(wǎng)線路參數(shù)及建模
本文以某地鐵線路高架區(qū)段為研究對(duì)象,采用CDEGS軟件進(jìn)行仿真分析。該軟件是解決電力系統(tǒng)接地、電磁場(chǎng)和電磁干擾等工程問(wèn)題的強(qiáng)大工具軟件,可在正常、故障、雷電和暫態(tài)條件下,計(jì)算地上或地下任意位置帶電導(dǎo)線組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的接地電位、導(dǎo)線電位和電磁場(chǎng),還能為簡(jiǎn)單的、裸露的和含外皮的金屬管,以及封閉管道、電纜系統(tǒng)和復(fù)雜土壤結(jié)構(gòu)中的各種導(dǎo)線建立計(jì)算模型。本文采用CDEGS軟件包的HIFREQ模塊和FFTSES模塊建立地鐵高架橋架空接觸網(wǎng)模型,研究其雷電過(guò)電壓情況。
該模型為上下行復(fù)線區(qū)段,牽引供電系統(tǒng)電壓為直流1 500 V,長(zhǎng)度取1 000 m。圖1為該地鐵線路單支柱典型安裝示意圖。其中,hg表示避雷線到橋面的距離,和支柱高度相等,為8m;hc表示接觸線到橋面的距離,為4.87m;hv表示高架橋的高度,為8 m。支柱跨距為50m,高架區(qū)段利用橋墩做自然接地體,接地電阻不大于10Ω。架空地線抬高兼做避雷線。高架橋橋墩間距為30m,支柱每間隔200m通過(guò)橋墩接地引下線實(shí)現(xiàn)接地。鋼軌距橋面高度為0.27m,鋼軌每間隔50m通過(guò)同向均流電纜實(shí)現(xiàn)電氣連接,上下行鋼軌每間隔500m通過(guò)上下行均流電纜實(shí)現(xiàn)電連接,以均衡鋼軌電位。上下行軌道間距為2.8m??紤]排流網(wǎng)結(jié)構(gòu)鋼筋,用鋼筋網(wǎng)格結(jié)構(gòu)等效。鋼筋網(wǎng)格位于軌面以下0.5m的水平面處,由3根縱向鋼筋每隔一定距離橫向連接鋼筋構(gòu)成。
圖1 地鐵高架橋單支柱典型安裝示意圖
1.2接觸軌線路參數(shù)及模型
參考架空接觸網(wǎng)的建模方法,利用CDEGS輔助工具SESCAD創(chuàng)建導(dǎo)體模型。模型的參數(shù)如導(dǎo)體類(lèi)型、導(dǎo)體半徑、導(dǎo)體的分段、導(dǎo)體涂層、激勵(lì)類(lèi)型及大小、土壤類(lèi)型和土壤電阻率的設(shè)置等均與接觸網(wǎng)模型中的方法一致。
為便于比較,接觸軌仿真參數(shù)盡量與接觸網(wǎng)一致。即仍采用1 500 V供電,高架橋每200m接地。模型為上下行復(fù)線區(qū)段,接觸軌(第三軌)通過(guò)絕緣支架及其底座固定在道床上。絕緣支架底座沿道床每間隔5m安裝一個(gè),閃絡(luò)電壓取125 kV。上下行的絕緣支架底座通過(guò)接地扁銅連接在一起,引回到牽引變電所接地網(wǎng)實(shí)現(xiàn)接地(模型中通過(guò)在接地扁銅兩端設(shè)置一個(gè)0.5Ω的接地網(wǎng)來(lái)模擬變電所接地網(wǎng))。避雷帶架設(shè)在接觸軌側(cè)上方位置,每間隔200m通過(guò)橋墩接地引下線實(shí)現(xiàn)接地。鋼軌相關(guān)參數(shù)同接觸網(wǎng)。接觸軌模型不考慮排流網(wǎng)和結(jié)構(gòu)鋼筋的影響。
2.1接觸網(wǎng)耐雷擊水平影響因素分析
2.1.1 雷擊位置對(duì)耐雷擊水平的影響
在模型中選取不同的雷擊位置,分別進(jìn)行耐雷擊水平仿真計(jì)算。雷擊位置如圖2所示。圖中雷擊點(diǎn)1~5距接地支柱的距離分別為0m、10m、30m、50 m和100m。
圖2 接觸網(wǎng)線路雷擊位置示意圖
分別選取5/20μs和2.6/50μs兩種雷電流波形,得到雷擊不同位置的耐雷擊水平,如圖3所示。各種情況下最先達(dá)到閃絡(luò)電壓的絕緣子總是距離雷擊點(diǎn)最近的接地支柱上的絕緣子。
圖3 雷擊不同位置對(duì)耐雷擊水平的影響
由圖3可見(jiàn),雷擊接地支柱的耐雷擊水平最高;雷擊點(diǎn)距接地支柱越遠(yuǎn),其耐雷擊水平越低。這是因?yàn)榻拥刂е须娏魍?,大部分雷電流可通過(guò)接地支柱流入大地,耐雷擊水平就高;而離接地支柱較遠(yuǎn)的雷擊點(diǎn),雷電流需經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的橋面距離才能通過(guò)橋墩入地,雷電流不易散流,耐雷擊水平就低。
2.1.2 高架橋高度對(duì)耐雷擊水平的影響
改變高架橋高度,保持模型其他參數(shù)不變,選取橋墩接地電阻為8Ω,雷擊100m處避雷線,仿真計(jì)算不同高架橋高度的耐雷擊水平。仿真結(jié)果見(jiàn)圖4。
由圖4可見(jiàn),當(dāng)高架橋高度從5m到20m變化時(shí),耐雷擊水平分別在2.14~1.13 kA及1.5~1.0 kA之間變化。這是因?yàn)楦呒軜蛟礁?,遭受雷擊時(shí)其雷電流通路越長(zhǎng),導(dǎo)致支柱電位升增加,耐雷擊水平降低。
2.2接觸軌耐雷擊水平影響因素分析
圖4 不同高架橋高度對(duì)耐雷擊水平的影響
2.2.1 雷擊位置對(duì)耐雷擊水平的影響
選取雷電流波形為2.6/50μs,橋墩接地電阻為8Ω,避雷帶高度為1m,研究接觸軌供電方式下雷擊避雷帶不同位置時(shí)的耐雷擊性能。雷擊位置如圖5所示。雷擊點(diǎn)1~5與接觸網(wǎng)線路仿真時(shí)位置相同,離支柱的距離分別為0m、10m、30m、50m和100m。圖6為耐雷擊水平隨雷擊位置的變化情況。
圖5 接觸軌線路雷擊位置示意圖
圖6 雷擊位置對(duì)耐雷擊水平的影響
從圖6可見(jiàn),接觸軌供電方式下,雷擊位置對(duì)耐雷擊水平的影響類(lèi)似接觸網(wǎng)供電,即雷擊點(diǎn)距接地點(diǎn)越遠(yuǎn),耐雷擊水平越低。這是因?yàn)槔讚酎c(diǎn)距接地點(diǎn)越遠(yuǎn),經(jīng)接地引下線泄漏的雷電流比例越少,在總雷電流一定的情況下流經(jīng)避雷線上的電流越大,產(chǎn)生的感應(yīng)雷過(guò)電壓也越大,絕緣支架兩端也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)過(guò)電壓,因此耐雷擊水平較低。反之較高。
2.2.2 高架橋高度對(duì)耐雷擊水平的影響
改變高架橋高度,保持模型其他參數(shù)不變,選取橋墩接地電阻為8Ω,雷擊500m處避雷帶,仿真計(jì)算不同高架橋高度的耐雷擊水平。仿真結(jié)果見(jiàn)圖7。
圖7 高架橋高度對(duì)耐雷擊水平的影響
從圖7可以看出,高架橋高度在5~20m范圍變化時(shí),耐雷擊水平從5 kA降低到3 kA。這是因?yàn)楦呒軜蛟礁?,雷電流通路越長(zhǎng),雷電流衰減速度越慢,故耐雷擊水平越低。
2.2.3 避雷帶高度對(duì)耐雷擊水平的影響
目前接觸軌避雷帶有兩種架設(shè)方式,一種是直接在橋翼架設(shè)普通避雷帶,高度大約為1.2m;另一種是采用金屬隔音墻兼做避雷帶,高度約為2m。避雷帶高度不同,導(dǎo)致其耐雷擊水平不同,因此需要研究避雷帶高度對(duì)耐雷擊水平的影響。
選取高架橋高度為10m,橋墩每隔200m實(shí)現(xiàn)接地。接地電阻為8Ω。雷擊位置為模型正中央的避雷帶處,避雷帶架設(shè)高度為2m,絕緣支架閃絡(luò)電壓取125 kV。仿真計(jì)算時(shí),絕緣支架電壓取接觸軌電壓與絕緣底座電壓之差。對(duì)仿真結(jié)果的各個(gè)絕緣支架電壓分別分析可知,距離雷擊點(diǎn)最近的絕緣支架的電壓差最大,當(dāng)該絕緣支架達(dá)到閃絡(luò)電壓時(shí),相應(yīng)的感應(yīng)雷過(guò)電壓波形如圖8所示。針對(duì)不同的避雷帶架設(shè)高度,分別仿真其耐雷擊水平,結(jié)果見(jiàn)圖9。
由圖9可知,避雷帶高度越高,耐雷擊水平也越高。這是因?yàn)楸芾讕c接觸軌、絕緣支架底座均沒(méi)有電氣連接,絕緣支架兩端的電壓均是由于避雷帶上的雷電流傳播感應(yīng)產(chǎn)生的,絕緣支架上端離避雷帶近,電壓隨著避雷帶高度的增加衰減較快,絕緣支架下端的電壓則衰減較慢,導(dǎo)致絕緣支架上下兩端電壓差減少,不容易閃絡(luò)。
圖8 感應(yīng)雷過(guò)電壓放大圖
圖9 避雷帶高度對(duì)耐雷擊水平的影響
為更加直觀地比較接觸軌和接觸網(wǎng)供電方式下的耐雷擊水平,將仿真結(jié)果列表進(jìn)行比較分析。兩種供電方式下,不同雷擊位置的耐雷擊水平比較見(jiàn)表1,不同高架橋高度的耐雷擊水平比較見(jiàn)表2。
表1 兩種供電方式下雷擊不同位置的耐雷擊水平
表2 兩種供電方式下不同高架橋高度的耐雷擊水平
由表1和表2可知,無(wú)論雷擊位置改變,還是高架橋高度改變,接觸軌供電方式都比接觸網(wǎng)供電方式的耐雷擊水平高。其原因?yàn)椋豪讚舯芾拙€時(shí),絕緣子閃絡(luò)是因雷電流經(jīng)過(guò)支柱接地散流,支柱的電位升導(dǎo)致,由于避雷線比避雷帶高得多,因此這個(gè)電位升很高,導(dǎo)致絕緣子兩端電壓差很大,很容易達(dá)到閃絡(luò)電壓,即耐雷擊水平很低;而雷擊避雷帶時(shí),其引下線與絕緣支架的兩端不連接,絕緣支架的閃絡(luò)主要是由避雷帶兩端雷電流感應(yīng)的過(guò)電壓引起,這個(gè)感應(yīng)的電壓值要比接觸網(wǎng)方式雷擊避雷線時(shí)桿塔的電位升小得多,故絕緣支架不容易閃絡(luò),因此其耐雷擊水平比接觸網(wǎng)方式下高得多。
本文通過(guò)CDEGS軟件仿真研究了接觸軌和接觸網(wǎng)兩種供電方式下的耐雷擊水平,并分析了二者耐雷擊水平差異的原因,得出如下結(jié)論:
(1)兩種供電方式下,雷擊點(diǎn)與接地點(diǎn)距離的差別對(duì)耐雷擊水平有很大影響,雷擊點(diǎn)距接地點(diǎn)距離越小,其耐雷擊水平越高;兩種供電方式下,耐雷擊水平都隨高架橋高度增加而降低。
(2)接觸網(wǎng)供電方式下,按照滾球法,避雷帶已在接觸網(wǎng)避雷線、接觸線等線路的保護(hù)范圍內(nèi),雷不可能擊到避雷帶上,因此只研究了接觸軌方式下雷擊避雷帶的情況。仿真結(jié)果表明,避雷帶越高,耐雷擊水平越高。但避雷帶增高,導(dǎo)致引雷范圍增大,因此避雷帶不宜太高,工程中建議取值2m。
(3)經(jīng)比較,接觸軌供電方式下的耐雷擊水平比接觸網(wǎng)供電方式要高得多。
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Com parative Research of Lightning W ithstand Levels between M etro Catenary M ode and Contact Rail Power Supply M ode
LIRuifang,HAN Hu,JIN Liang,CHEN Kui,CAO Xiaobin, LIKunpeng
Overhead catenary and contact rail are two kinds of common power supply modes in metro system.The lightning w ithstand levels of the two power supply modes are researched by using CDEGS software to establish a simulation model. The effect of lightning strike positions and height of elevated bridge on lightning w ithstand level is analyzed.The differences of lightning w ithstand levels between catenary mode and contact rail power supply mode are compared,the courses are explained.When the point of strike is higher from the ground, the lightning w ithstand level is lower,otherw ise on the contrary.The research shows that the lightning w ithstand level of contact railmode is higher than thatof the overhead catenary.
metro;overhead catenary;contact rail;lightning withstand level
U231.96
10.16037/j.1007-869x.2017.07.011
2015-07-07)