摘 要：分析了廣州地鐵某線路車輛段雷擊致可視化接地柜故障事件中雷電侵入路徑及故障發(fā)展過(guò)程；按城軌露天區(qū)段與地下區(qū)間不同的防雷環(huán)境，分別從外部和柜內(nèi)防雷的角度，對(duì)可視化接地柜提出了防雷差異化設(shè)計(jì)的建議。

關(guān)鍵詞：可視化接地柜；地鐵露天區(qū)段防雷；雷電反擊；防雷優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U225" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）01-0074-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.01.018

0" " 引言

接觸網(wǎng)是城軌交通列車取得牽引電源的核心供電設(shè)備。接觸網(wǎng)停電檢修作業(yè)，一般采用人工掛地線作安全防護(hù)。近幾年，隨著供電系統(tǒng)、微機(jī)通信等技術(shù)發(fā)展，接觸網(wǎng)可視化接地系統(tǒng)已能夠在遠(yuǎn)方控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)的當(dāng)?shù)刈詣?dòng)驗(yàn)電、接地等工作；可視化接地柜內(nèi)接地刀閘的分合位置狀態(tài)等，通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)，在遠(yuǎn)方實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)視、SCADA等功能，因此消除了人工驗(yàn)電掛撤地線過(guò)程中的人身安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)降低了運(yùn)營(yíng)人力成本，因而在城軌交通中得到廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了供電系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展[1-5]。

部分接觸網(wǎng)設(shè)備須布置在露天區(qū)段，然而露天布置的可視化接地柜曾多次發(fā)生雷擊導(dǎo)致故障事件。本文分析了雷擊事件中接地柜雷電入侵路徑及故障原因，在此基礎(chǔ)上對(duì)露天區(qū)段可視化接地柜內(nèi)外部防雷設(shè)計(jì)提出了針對(duì)性的優(yōu)化整改措施，可供軌道交通行業(yè)內(nèi)運(yùn)維單位等作參考借鑒。

1" " 事件概況

2024年某日，廣州市暴雨黃色預(yù)警，調(diào)度發(fā)現(xiàn)地鐵某線路A1、A2、B1、B2區(qū)跳閘，約20 s后重合閘成功；雷擊發(fā)生時(shí)，所有接地柜接地刀閘均處于斷開(kāi)狀態(tài)；事后檢查，車輛段南面岔區(qū)兩座接觸網(wǎng)鋼支柱上的一根鋼絲繩熔斷垂落，雷擊致該鋼絲繩附近5臺(tái)可視化接地柜不同程度受損故障。

2" " 本次雷擊事件相關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)原理

2.1" " 可視化接地柜

2.1.1" " 接地柜結(jié)構(gòu)

可視化接地柜主回路刀閘的一端通過(guò)電纜與接觸網(wǎng)相連（正極），另一端通過(guò)電纜與鋼軌連接（負(fù)極）；在刀閘正極側(cè)設(shè)置高內(nèi)阻電壓檢測(cè)回路監(jiān)測(cè)接觸網(wǎng)電壓；當(dāng)需要對(duì)接觸網(wǎng)停電掛地線作安全防護(hù)時(shí)，遠(yuǎn)方發(fā)出接地刀閘合閘指令，自動(dòng)經(jīng)電壓、聯(lián)鎖關(guān)系等判斷邏輯正確后，合上接地刀閘，實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)維護(hù)接地；接地刀閘分合位置信號(hào)、視頻信號(hào)同時(shí)上傳到遠(yuǎn)方，可在遠(yuǎn)方通過(guò)位置信號(hào)、視頻畫面對(duì)接地刀閘位置進(jìn)行雙重確認(rèn)。

2.1.2" " 接地柜柜體接地

車輛段可視化接地柜未單獨(dú)設(shè)置接地極。柜體以地腳螺栓錨固在基礎(chǔ)水泥澆注體上，同時(shí)將柜體與柜內(nèi)接地母排金屬連接，再?gòu)慕拥啬概乓桓?0 mm2電纜連接到附近的鋼支柱（鋼支柱與架空地線連接）上，實(shí)現(xiàn)接地。

2.1.3" " 接地柜內(nèi)部接地設(shè)備

2.1.3.1" " PE母排

接地柜內(nèi)設(shè)置統(tǒng)一的PE母排，與柜體金屬連接安裝；一次設(shè)備外殼、二次設(shè)備金屬外殼、二次線纜鎧裝層、屏蔽層、電源PE線、SPD接地端、外部接地電纜均連接在此母排上。

2.1.3.2" " 二次設(shè)備接地線

1）采用金屬鎧裝的二次電力電纜、控制電纜、信號(hào)電纜、光纜、屏蔽雙絞線，鎧裝層雙端接地，屏蔽層單端接地；其接地線截面采用4 mm2。

2）交流電源PE線的連接：交流盤側(cè)在PE端子上連接，可視化接地柜側(cè)在接地母排上連接。

3）操作終端、攝像機(jī)通信箱、攝像機(jī)等金屬外殼通過(guò)接地線與接地銅排可靠連接。

2.1.4" " 防浪涌設(shè)備

可視化接地柜為防止電源側(cè)過(guò)電壓，分別在交流電源、直流電源的進(jìn)線端以T1接線模式裝設(shè)浪涌保護(hù)器。

按GB 50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》確定雷電防護(hù)等級(jí)時(shí)，室外可視化接地柜二次回路電源處應(yīng)視為L(zhǎng)PZ1與LPZ2邊界，其浪涌保護(hù)器的沖擊電流和標(biāo)稱放電電流參數(shù)需滿足第二級(jí)SPD標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[6]?？梢暬拥毓耠娫催M(jìn)線浪涌保護(hù)器型號(hào)為ABDM-80，最大放電電流為80 kA，標(biāo)稱放電電流為40 kA，符合規(guī)范要求。

2.2" " 接觸網(wǎng)防雷接地設(shè)備

2.2.1" " 防直擊雷過(guò)電壓設(shè)備

車輛段主要采用H型鋼柱，架空地線為肩架安裝，高于接觸網(wǎng)帶電部分；除H型鋼柱外，段場(chǎng)內(nèi)還有帶避雷針的混凝土柱等其他類型的支柱，這些支柱及避雷針高度均高出接觸網(wǎng)3～5 m，構(gòu)成對(duì)接觸網(wǎng)的防雷保護(hù)。可視化接地柜設(shè)置在股道附近，柜體高度2 m；接觸網(wǎng)鋼柱、混凝土支柱帶避雷針高度在13～15 m不等，架空線高度6 m；接觸網(wǎng)鋼柱、架空線對(duì)可視化接地柜等形成了避雷針及避雷線，保護(hù)可視化接地柜免遭直擊雷侵入的風(fēng)險(xiǎn)；其相關(guān)計(jì)算參考GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》“5.2 避雷針和避雷線的保護(hù)范圍”進(jìn)行核驗(yàn)；經(jīng)核算，接地線柜均在接觸網(wǎng)支柱及架空線形成防護(hù)網(wǎng)的保護(hù)范圍內(nèi)。

2.2.2" " 防感應(yīng)雷過(guò)電壓設(shè)備

車輛段接觸網(wǎng)按GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中間距不應(yīng)大于200 m的要求[7]，共設(shè)置氧化鋅避雷器22臺(tái)、雙角隙避雷器9臺(tái)、放電間隙9臺(tái)、避雷針65臺(tái)，以此防止附近感應(yīng)雷電入侵接觸網(wǎng)。

車輛段可視化接地柜雷電感應(yīng)過(guò)電壓防護(hù)主要依靠既有接觸網(wǎng)上設(shè)置的避雷器，對(duì)外部條件依賴性較強(qiáng)；在接觸網(wǎng)上網(wǎng)點(diǎn)位置設(shè)置的接地柜在正極引線附近設(shè)有避雷器，而非上網(wǎng)點(diǎn)位置的接地柜與避雷器距離相對(duì)較遠(yuǎn)，滿足規(guī)范中間距要求，但實(shí)際防雷效果有所減弱。

3" " 雷電入侵路徑及故障原因分析

3.1" " 可視化接地柜雷電入侵路徑

3.1.1" " 雷電入侵接地柜的常見(jiàn)路徑

根據(jù)可視化接地柜電氣結(jié)構(gòu)原理及其內(nèi)外部防雷接地措施，結(jié)合前期其他雷擊可視化接地柜故障事件，得出雷電入侵接地柜的常見(jiàn)路徑大致分為四類：

1）從接觸網(wǎng)引下雷擊過(guò)電壓，通過(guò)正極母排對(duì)柜體放電，高壓電弧通過(guò)一次倉(cāng)內(nèi)二次設(shè)備竄入二次回路。

2）從接觸網(wǎng)引下雷擊過(guò)電壓，擊穿檢測(cè)回路絕緣，高壓竄入二次回路。

3）雷電直擊接觸網(wǎng)支柱或架空地線，經(jīng)支柱與柜體的連接電纜或直接通過(guò)大地，使接地柜柜體及柜內(nèi)接地母排地電位大幅抬升，進(jìn)而對(duì)二次回路形成反擊。

4）接地柜本身所屬二次線纜因感應(yīng)雷導(dǎo)致二次回路故障，但可視化接地柜二次線纜均沿電纜廊道或隔音墻低處敷設(shè)，故此種概率極低。

3.1.2" " 本次事件雷電入侵接地柜的路徑分析

可視化接地柜柜內(nèi)攝像頭有持續(xù)攝像記錄功能。本次雷擊事件中，在第一次雷擊時(shí)，所有接地柜均拍到附近有極強(qiáng)的閃光出現(xiàn)，推斷直擊雷擊中鋼絲繩致其瞬間斷裂；因鋼支柱沒(méi)有設(shè)置避雷器及單獨(dú)接地極，接地電阻較高，導(dǎo)致雷擊于鋼支柱或架空地線（含鋼絲繩）上時(shí)，雷電流泄流不暢，雷電壓在支柱及附近地面形成極高的地電位梯度。該電位通過(guò)接地柜與支柱的連接電纜（或大地）傳導(dǎo)到最近的F南2D-D1、F南2D-A1接地柜柜體，進(jìn)而對(duì)兩柜二次回路（含二次回路接地線）形成反擊，造成兩柜嚴(yán)重故障；支柱上的雷電波沿正線架空地線、與2112D柜體相連的支柱傳導(dǎo)到2112D柜，導(dǎo)致該柜地排二次線故障；根據(jù)視頻記錄，F(xiàn)南1D-D1和F西1D-A1的柜內(nèi)放電時(shí)間分別晚于前述雷擊時(shí)間4 s和8 s，且兩柜距離雷擊點(diǎn)相對(duì)較遠(yuǎn)，視頻顯示在這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)有多次閃光出現(xiàn)，因此推斷這兩個(gè)接地柜最終故障由其他雷擊導(dǎo)致。綜上，各接地柜雷電侵入路徑均判斷為地電位對(duì)二次回路反擊所致，雷電入侵的典型路徑如圖1所示。

3.2" " 故障源頭設(shè)備致?lián)p原因分析

3.2.1" " 交流浪涌保護(hù)器故障原因分析

交流浪涌保護(hù)器為壓敏電阻模塊和氣體放電管模塊組合。如圖2所示，雷電波經(jīng)支柱或支柱附近地面→可視化柜體→柜內(nèi)接地母排→中性線側(cè)浪涌保護(hù)器接地端→浪涌保護(hù)器→交流電源中性線→下一個(gè)接地柜中性線及浪涌保護(hù)器或經(jīng)中性線到達(dá)變電所接地網(wǎng)進(jìn)入大地。

由于本次雷擊電流大，泄流時(shí)間長(zhǎng)，遠(yuǎn)超出中性線與地之間的氣體放電管模塊的允許放電容量，導(dǎo)致該浪涌保護(hù)器燒毀，電弧溢出，損及柜體及附近二次回路線纜。

3.2.2" " 接地母排上接地線故障原因分析

5臺(tái)故障柜中，除F西1D-A1外，其他各柜接地母排上的接地線均出現(xiàn)對(duì)柜體放電、燒損的現(xiàn)象。接地母排與柜體等電位，接于其上的交流電源接地線也應(yīng)當(dāng)與柜體等電位，不應(yīng)出現(xiàn)擊穿接地線絕緣并對(duì)柜體放電的現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)排查發(fā)現(xiàn)，絕緣擊穿放電的交流電源電纜中的PE線，因預(yù)留線纜較長(zhǎng)，因此在其接入柜內(nèi)接地母排前存在繞圈存放現(xiàn)象。雷擊瞬間可視化柜體及接地母排相對(duì)遠(yuǎn)方變電所的“地”存在極高電位，因此通過(guò)交流電源PE線向遠(yuǎn)方變電所的“地”泄流，由于前述繞圈處存在感抗，電位差位于繞圈部分兩端，因此線圈靠電纜側(cè)與柜體間存在極大電位差，此電位差擊穿PE線絕緣，對(duì)柜體放電，導(dǎo)致線纜燒損故障。

4" " 可視化接地系統(tǒng)的防雷優(yōu)化措施

由上述分析可見(jiàn)，可視化接地系統(tǒng)作為城軌交通接觸網(wǎng)專業(yè)的一種新型設(shè)備，其防雷接地措施基本符合相關(guān)規(guī)范要求，但在露天環(huán)境的使用中出現(xiàn)了一些問(wèn)題，因此在防雷設(shè)計(jì)上提出以下優(yōu)化提高措施。

4.1" " 可視化接地柜差異化設(shè)計(jì)

目前在不同安裝環(huán)境的接地柜，均采用統(tǒng)一化設(shè)計(jì)?？紤]到戶內(nèi)（變電所設(shè)備房、隧道軌行區(qū)）與戶外露天區(qū)段安裝環(huán)境，在防雷要求方面區(qū)別較大，因此建議對(duì)接地柜進(jìn)行差異化防雷設(shè)計(jì)。

4.1.1" " 戶內(nèi)安裝

4.1.1.1" " 設(shè)備房

柜體采用絕緣安裝，設(shè)框架保護(hù)；不設(shè)置SPD；柜內(nèi)不需設(shè)置避雷器；柜內(nèi)二次接地母排與柜體采用電纜連接。

4.1.1.2" " 隧道軌行區(qū)

柜體采用非絕緣安裝，柜體通過(guò)電纜連接于接觸網(wǎng)地線或電纜支架扁鋼；不設(shè)置SPD；柜內(nèi)不需設(shè)置避雷器；柜內(nèi)二次接地母排與柜體采用電纜連接。

4.1.2" " 露天環(huán)境安裝

柜體采用非絕緣安裝，柜體通過(guò)電纜連接于單設(shè)接地極；設(shè)置SPD，SPD接地端與二次接地母排相連；柜內(nèi)設(shè)置避雷器，避雷器經(jīng)電纜引至單獨(dú)設(shè)置的接地極；二次接地母排與柜體作絕緣安裝。

4.2" " 露天環(huán)境可視化接地柜防雷接地設(shè)計(jì)優(yōu)化

戶外安裝接地柜，在上述柜內(nèi)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)柜內(nèi)外防雷接地另作如下優(yōu)化，如圖3所示。

1）設(shè)置單獨(dú)的接地極；

2）接地柜外殼通過(guò)70 mm2電纜引至接地極；

3）柜內(nèi)SPD接地端通過(guò)16 mm2電纜引至二次接地母排；

4）接觸網(wǎng)架空地線兼做避雷線時(shí)，抬高高度達(dá)到對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)；

5）架空地線與接觸網(wǎng)各接地部件之間使用電纜作可靠連接。

5" " 結(jié)束語(yǔ)

接觸網(wǎng)可視化接地系統(tǒng)因其能大幅提升作業(yè)效率、降低安全風(fēng)險(xiǎn)、減少運(yùn)營(yíng)成本，應(yīng)用效果突出，在城軌交通行業(yè)得到快速普及。

本文通過(guò)對(duì)一起典型的雷擊致可視化柜故障事件的深入分析，闡述了雷電波從正極入侵、雷電電流泄流不暢、從地電位反擊二次回路、二次接地線繞圈對(duì)接地柜體短路放電等過(guò)程及作用機(jī)理，針對(duì)性地提出了在不同安裝環(huán)境下接地柜內(nèi)外部防雷的差異化設(shè)計(jì)及優(yōu)化措施，對(duì)接觸網(wǎng)可視化接地系統(tǒng)的生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、運(yùn)維等部門單位均有重要借鑒意義。

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收稿日期：2024-08-12

作者簡(jiǎn)介：周大林（1967—），男，貴州興義人，高級(jí)工程師，研究方向：軌道交通牽引供電。