林俊超，馬亞琦，周 威，胡林潔，姜 鵬，黃 帥

（長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙 410114）

0 引言

隨著我國綜合實力的不斷發(fā)展，人口流動量的增加給各大城市交通帶來了更多壓力。為了解決該問題，我國各大、中型城市先后開始發(fā)展多種軌道交通工具，比如地鐵、城軌、磁懸浮列車、輕軌等。因為這些軌道交通具有一次性載容量大、綠色環(huán)保、經濟實惠以及安全性能高等優(yōu)點。對于軌道交通而言，唯一取電來源都是接觸網的供電系統(tǒng)。因為接觸網的建設高度往往離地面較高，因此容易受到雷電過電壓的影響。一旦接觸網出現(xiàn)問題就會導致無法正常供電，最直接的結果是影響軌道交通的正常運行[1]。更嚴重的，會造成整個軌道交通系統(tǒng)的奔潰。因此，加大對接觸網防雷技術的研究，對保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行以及降低事故發(fā)生概率等具有非常重要的社會意義。

1 國內外軌道交通網防雷研究現(xiàn)狀

針對目前我國軌道交通接觸網的防雷研究成果，具體一系列措施：1）在地面接觸網供電隔離開關處、架空接觸網隧道兩端以及牽引變電站桿塔終端等重要地段安置避雷器；2）在不同區(qū)域，不同地段的架空地線處，每隔200 m應設置必要的火花間隙；3）沿線每隔500 m設避雷器；4）通過采用硅膠復合絕緣子，用來提高下錨絕緣子的耐雷水平；5）在滿足前提條件下，也可以將架空地線升高兼做避雷線；6）為了防止電纜被擊穿，可在饋線上網電纜接入處設避雷器等。

國外對于軌道交通接觸網線路的雷電防護研究也很多，例如在重雷區(qū)，為了提高接觸網的耐雷水平，保護供電設備，德國和日本都是采取架設避雷線方法[2]?？紤]到軌道交通后期運行與維護因素，對于接觸網線路和饋線電纜絕緣的感應過電壓防護都只建議在落雷密度較大地區(qū)才采取對應措施。

2 某地區(qū)雷擊打壞整流站變壓器原因分析

某地區(qū)軌道交通接觸網整流站的變壓器被雷電打壞事故見圖1。

圖1 某牽引變電所整流站變壓被擊壞圖Fig.1 The diagram of destroyed transformer in a rectifier station of a traction substation

經過分析可得主要是因為接觸網部分遭受雷擊，一方面是因為采用的絕緣子沖擊雷電放電電壓較低，只有130～150 kV；另一方面由于只是在接觸網牽引變電站進線段的桿塔上安裝了避雷器，并且采用兩點式接地方式，無其他任何防雷措施。導致雷電侵入過電壓防護措施相對較為薄弱，一旦線路部分遭受雷擊，就不能有效衰減雷電侵入波的幅值和陡度。如果雷電過電壓波峰值不能有效地限制，很有可能超過避雷器本身的額定通流能力，造成避雷器的損壞[3]。也有可能出現(xiàn)避雷器接地電阻偏高以及避雷器動作后的殘壓偏高等情況，造成整流器損壞。在牽引變電所地網方面，耦合作用帶來的電位差也會對設備造成影響。導致接觸網大面積發(fā)生停電，嚴重影響軌道交通的正常運行。

3 接觸網防雷存在的問題及分析

目前，我國軌道交通接觸網依舊還有很多問題存在。一方面是二次電纜屏蔽接地方式很容易受到牽引變電所地電位產生的干擾作用；另一方面是走行軌道極易受到來自接地裝置上的雷電流影響。

3.1 接觸網牽引變電所地電位受二次電纜屏蔽層兩點接地方式的影響

對于軌道交通供電接觸網牽引變電所二次側的屏蔽電纜而言，如果采取兩點接地方式[4-6]，在巨大的雷電流沖擊下，接地網本身就會形成一個很大的沖擊阻抗，很可能造成電纜屏蔽層之間一個很大的電位差。近似于存在一個共模干擾電壓在電纜的屏蔽層和芯線之間作用。電纜地電位干擾等效電路見圖2。

圖2 電纜地電位干擾等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of ground potential interference of cable

通過圖2可看出，如果變電所的地網遭受雷電流的沖擊時，整個地網的電位就會快速上升，地網在巨大雷電流沖擊下是一種沖擊阻抗狀態(tài)，這時就會造成A與B之間產生一個很大的電位差。通過電感與電容的耦合作用，將會把地電位上升帶來的電位差，帶到電纜芯線上。進而產生一個較大的過電壓，造成電纜芯線上的信號發(fā)生失真，導致控制設備誤動。而且，感應過電壓還會作用于相對敏感的二次設備上，容易造成二次設備絕緣的損壞。另一方面，在整個過程當中，因為電流屏蔽層是兩點接地方式，所以其表面存在的感應電流就會形成一個環(huán)流[7]。如果電纜屏蔽層長期處于環(huán)流狀態(tài)下就會發(fā)熱，當熱量超過屏蔽層的承受值時，就會燒壞電纜屏蔽層和造成絕緣子的損壞，從而影響二次屏蔽電纜的正常使用。

3.2 走行軌道與軌道交通接觸網桿塔雷電流之間的影響關系

由于城市軌道交通接觸網的特殊性，其信號傳輸，控制系統(tǒng)等電纜都是采用走行軌的方式鋪設，也就是電纜鋪設在軌道交通接觸網桿塔下的走行軌電纜溝中，如圖3所示。下面將結合走行軌電纜的具體情況，分析接觸網桿塔下引雷電流時，對走行軌電纜可能造成的危害。

圖3 接觸網走行軌電纜位置圖Fig.3 Cable position diagram of catenary

當雷電擊中軌道交通供電接觸網時，不僅會發(fā)生閃絡現(xiàn)象，同時軌道交通接觸網桿塔也會將雷電流通過接地引下線引至接地裝置中。由于巨大幅值雷電流的存在，其接地體周圍的電勢便會迅速升高，此時可以將接地體視為點電極，則其周圍的電位升高計算公式為

式中：R為電纜屏蔽層中的接地電阻；re是接地體等效計算半徑；Ig表示入地的雷電流；x為走行軌電纜溝與接地裝置間的距離長度。

同時，還需要考慮到通過電磁耦合到接觸網走行軌電纜屏蔽層上的電勢：

式中：Uy表示耦合到走行軌信號電纜表皮上的電勢；s表示走行軌電纜的屏蔽系數(shù)；y表示接地裝置與接觸網桿塔走行軌處電纜溝之間的距離；γ表示接觸網桿塔走行軌處電纜的“電纜屏蔽層—大地”常數(shù)，本文取1.35×10-3/m。經過計算，可以得出信號電纜表皮上的電勢受電纜屏蔽層的接地電阻影響較大。

通過上述的計算研究及分析可得，在現(xiàn)有的情況下，一旦軌道交通供電接觸網遭到雷擊事故時，其絕緣子發(fā)生閃絡的概率很大。同時，雷電流會通過接地引下線至接觸網桿塔接地裝置，就會在其周圍產生具有脈沖強度大、頻率變化快等特點的強干擾。雖然電纜屏蔽層具有一定的抗干擾能力[8]，但是當耦合到接觸網走行軌的信號電纜表皮上時，電勢便會持續(xù)升高，這將很有可能造成電纜屏蔽層的破壞。另一方面，考慮到在雷電電磁干擾中，電纜屏蔽層和芯線上都會感應出過電壓，當過電壓信號疊加到傳輸信號上時，就會造成傳輸信號的失真[9-11]，導致控制設備誤動。

4 接觸網牽引變電所電纜屏蔽層采用合理的一點接地方式

通過上述關于牽引變電所二次電纜屏蔽層與地電位干擾之間的關系，經過研究分析可得。如果屏蔽層采用兩點接地方式，就會造成屏蔽層的損壞，信號失真以及控制設備的誤動。因此，建議最合理的方式是采用一點接地。因為，對于一點接地方式而言，地電位帶來的干擾電流無法形成一個回路，也就不存在阻抗耦合問題，進而就沒有共模電壓產生。這樣一來，對電纜芯線來說，可以起到很好的保護作用，讓信號不失真。對于一點接地而言，又分為一次側設備處接地和控制設備處接地兩種方式[12]。接下來將分別對于兩種情況進行分析討論。

如圖4（a）所示即為第一種情況，它主要是對電纜的屏蔽層在控制設備處進行懸空，而另一側一次被控設備處采用接地處理。第二種情況如圖4（b）所示，對電纜屏蔽層采用一端在控制設備處直接接地，而另一端在一次設備處懸空處理的接地方式處理。

圖4 牽引變電所電纜屏蔽層接地方式Fig.4 Grounding mode of cable shielding layer in traction substation

圖5為牽引變電所二次電纜屏蔽層干擾等值電路。針對第一種情況而言，通過分析計算后可得，當電阻Rb上的電位增加時，電容耦合作用幾乎都加載到弱電控制設備上。一旦感應過電壓上升，超過預期值，將會造成控制系統(tǒng)絕緣性嚴重危害。

圖5 干擾等值電路Fig.5 Interference equivalent circuit

對于第二種接地方式，如果電流I通過一次設備流入地網，因為屏蔽層一側是懸空的，即不構成回路，此時只需要考慮一側設備Rb上的壓降是否會有反擊問題。這就對一次設備中的接地電阻提出更高要求。

因此，當軌道交通接觸網牽引變電所的電纜屏蔽層采用兩點接地方式時，無法控制好電位分布和做好均壓及散流措施等問題。則應該采用一點接地方式，這樣能夠使接觸網中的屏蔽層線路不構成電流回路，也就不會在屏蔽層中存在環(huán)流，從而更好地保護電纜屏蔽層和弱電控制設備。

5 通過加裝穿線套管增強接觸網桿塔雷電流下引處電纜雷電防護效果

本文采用ATP仿真軟件，對電纜屏蔽穿線套管在雷電防護措施方面進行仿真分析，見圖6。

圖6 電纜屏蔽層在軌道交通接觸網桿塔處接地仿真Fig.6 The cable shielding layer in the rail traffic contact line tower grounding simulation

相對于在軌道交通接觸網走行軌道上直接接地方式而言，本文提出一種采取穿線套管屏蔽措施。在仿真軟件中，模擬穿線套管屏蔽作用的方式是采用6分裂導線，其他參數(shù)根據(jù)國家標準設置。通常要求接地電阻在接觸網桿塔中的值要低于10 Ω，仿真中，取桿塔的檔距是30 m，雷電流大小是40 kA。圖7和圖8所示為每基軌道交通接觸網桿塔處的電纜不加裝穿線套管和加裝穿線套管的屏蔽仿真結果。

圖7 不加裝穿線套管屏蔽措施仿真結果Fig.7 The simulation results of shielding measures without threading casing

通過比較圖7和圖8可知，當每基接觸網桿塔處電纜不采取穿線套管屏蔽措施時，電纜屏蔽層上將感應出390 kV的過電壓。但是對于穿線套管屏蔽措施來講，其感應出的雷電過電壓僅僅是不穿線套管的四分之一，約為90 kV。綜上所述，加裝穿線套管屏蔽裝置對接觸網桿塔處電纜的雷電防護效果非常明顯。

圖8 加裝穿線套管屏蔽措施仿真結果Fig.8 The simulation results of shielding measures for threading casing

6 結論

通過對城市軌道交通供電接觸網的防雷存在問題以及提出相應的防雷措施的綜合分析，針對本文的研究內容以及研究目標，總結創(chuàng)新點如下：

1）通過對某城市軌道交通地網防雷出現(xiàn)的問題進行分析，找出問題的關鍵點。結合理論分析與現(xiàn)場勘察結果，利用科學方法解決實際問題。

2）通過對軌道交通接觸網中的電纜屏蔽層，采取一點式接地方法，也就是將一次設備懸空。這樣不僅可以減少雷電流引起的地電位上升問題。而且對屏蔽層和控制設備可以起到很好的保護作用。

3）針對接觸網桿塔雷電流下引對電纜的影響，提出對電纜采取穿線套管屏蔽的措施，并通過ATP-EMTP仿真軟件對加裝穿線套管和不加裝穿線套管兩者對于雷電的防護效果進行仿真和對比分析。得出采取穿線套管屏蔽措施比不加裝在雷電防護方面效果相對較好。在實際應用中，也對穿線套管屏蔽裝置在結構，功能方面進行完善設計。

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