天津市防雷技术中心 300074
【摘要】高架桥将导致地铁更容易遭受雷击，因此有必要分析高架桥段地铁接触网的耐雷性能并提出改进措施。为此，利用电磁暂态分析软件 ATP-EMTP 建立了雷击高架桥段地铁接触网的模型，评估了现有防雷措施下的地铁接触网耐雷水平，分析了接地点和避雷器对耐雷水平的影响，最后提出了改善高架桥段地铁接触网耐雷水平的措施。
【关键词】高架桥；地铁；耐雷水平；接触网；避雷器；接地点
引言：
为节约工程投资，城市轨道交通越来越多地采用地面和高架线路，因而发生多起接触网雷击事故，造成设备损毁甚至导致列车停运。接触网雷害防护成为急需解决的问题。本文以成都地铁接触网系统为例，通过理论分析、模拟计算和运营实际需求分析，提出了针对该线路的接触网防雷改进方案，并进行完善，起到了良好的防雷效果。
1、高架桥段地铁接触网建模及耐雷水平分析
1.1高架桥段地铁接触网架设情况某地铁线路一期工程线路全长为 54.3km，其中地下线长度为 23.3km，地上线长度为 31.0km，设 13 座车站，其中地下站 6 座，高架站 7 座，换乘站 2 座；平均站间距为 4453m，最大站间距为 5690m，最小站间距为 2729.07m。该地铁线路供电系统采用 110kV/33kV 两级集中供电方式；牵引供电系统采用直流 1500V 供电。绝缘等级按重污区考虑，绝缘子的泄漏距离≥ 250mm。避雷器采用带脱扣装置的无间隙氧化锌避雷器，具有放电计数功能。根据地铁牵引供电实际需求，地面及高架段采用简单链型悬挂，导线由双承力索、双接触线、2 根辅助馈线和 1 根避雷线组成。接触线采用耐磨、耐腐蚀、导电性能良好的铜银合金接触线（CTAH150）。避雷线采用导电性、耐腐蚀性能好的硬铜绞线（JT120）。承力索及辅助馈线采用导电性、耐腐蚀性能好的硬铜绞线（JT150）。正线上、下行接触网各设置贯通的避雷线，凡是正常情况下与带电部分绝缘的金属底座、腕臂底座、零散支柱或吊柱等金属接地部分，均连至避雷线。避雷线引至牵引变电所的接地母排上，构成闪络保护回路。高架区段利用桥墩作为自然接地体，接地电阻≤ 10Ω。全线架设避雷线，避雷线每隔 200m 通过放电间隙接地。在地面段、高架段、出入段线、试车线，每隔约 200m 设 1 处避雷器，双线区段交错布置。
1.2雷击高架桥段地铁接触网模型某高架桥段地铁接触网沿用地铁设计标准。采用避雷线每隔 200m 接地和避雷器每隔 200m 接地的防雷接地保护方式。避雷器额定电压为 1500V，型号为 HY10WL － 2.0/4.8。地铁支柱绝缘子的最小爬电距离为 250mm， 50% 闪络电压为 100kV，在 ATP-EMTP 软件中用压控开关等效。本文基于某高架桥段地铁接触网线路参数，建立雷击高架桥段地铁接触网模型。支柱之间跨距为 50m；L2 表示桥面的单位长度电感，取值为 0.5μH/m；L1 表示 1 号桥墩的单位长度电感，取值为 0.15μH/m；R1 表示 1 号桥墩的电阻，取值为 4Ω；支柱波阻抗取值为 150Ω。N1 至 N5 表示 1 号接地桥墩和 2 号桥墩之间没接地的桥墩。
1.3现有防雷措施下的高架桥段地铁接触网耐雷水平研究基于本文所建高架桥段地铁雷击模型仿真，分析了雷击避雷线时现有防雷措施下的绝缘子情况和耐雷水平。5 号支柱位于接地点和避雷器安装位置的最中间，防雷保护作用较弱，所以耐雷水平最低；从 3 号到 7 号支柱，只有 3 号和 7 号支柱既安装了避雷器又架设了接地点，导致线路耐雷水平呈对称分布；即两端保护效果最好，耐雷水平最高。中间保护作用减弱，耐雷水平最低。为了研究绝缘子击穿过程，分析了雷击 5 号支柱顶端时 4 号、5 号和 6 号支柱绝缘子两端的电压差。
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2、防雷分析及实施方案
2.1 避雷器与架空地线共接地极对于雷击接触网线路，形成过电压危害的情况概括起来可以划分为 3 种：（1）雷击接触网附近的地面，在接触网上引起感应过电压。（2）雷直接击于接触网导线（或腕臂），在接触网上产生过电压。（3）雷击接触网支柱（或架空地线），在支柱顶端产生冲击过电压，造成接触网绝缘子的反击。本节主要讨论避雷器接地极与架空地线接地极不同安装位置对接触网防雷效果的影响。在下文中，选取雷电直击接触网导线的情况进行分析（其他雷击情况分析方法类似）。根据彼德逊法则，可将雷电直击接触网导线的作用简化为集中参数电路。目前，国内城市轨道交通接触网系统主要采用 DC1500V 或 DC750V两级电压进行供电，列车取流较大，考虑架空地线与接触网导线平行架设，为避免感应电流及绝缘子泄露电流形成的杂散电流， 对地铁沿线建筑物或设备造成电腐蚀，根据《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》的要求，架空地线不能直接接地，需采用地电位均衡器将架空地线与接地极分开，但考虑地电位均衡器的导通电压较低，且导通后两端残压较小。假设避雷器和地电位均衡器的放电响应时间为零，即作用于避雷器和地电位均衡器的电压达到其放电电压后立即导通。当避雷器单独接地，雷电直接击中接触网导线时，雷电流沿接触网导线向远处传播，同时通过避雷器和接地电阻入地。另外，由于避雷器与架空地线共接地极，雷电流通过避雷器后，沿地电位均衡器、架空地线和远方架空地线接地极入地，此时接触网雷电作用的等值电路，接触网绝缘子两端的电压差为 u2(t)=u2(t) u3(t)=ures(t)（2）通过式（1）和式（2）可知，当避雷器与架空地线共接地极时，雷电过电压在接触网绝缘子两端产生的电压差仅为避雷器残压，但当避雷器单独接地时，雷电过电压在接触网绝缘子两端产生的电压差为避雷器残压与接地电阻冲击电压之和。考虑接触网避雷器在选型时的绝缘配合设计，即 Ures ≤ BIL/K，BIL 为被保护设备的雷电冲击耐受电压，K 为配合因数，国际电工委员会规定 K ≥ 1.2，因此，当避雷器与架空地线共接地极时，不会发生绝缘击穿。
2.2接触网下锚处采用不平衡绝缘根据架空接触网安装形式，
雷电过电压会造成区间接触网腕臂绝缘子、下锚绝缘子及馈线绝 缘子等绝缘部位的绝缘击穿，最终造成接触网线路失压，影响供电可靠性。其中，又以雷击接触网下锚处，造成下锚绝缘子击穿、补偿绳断裂或绝缘子爆裂影响最为严重。以某地铁 2007 年 12 月 2 日车辆段试车线 1 号支柱补偿绳断裂为例，该次事故造成了试车线多处绝缘子、防风支撑管、调整螺栓、吊弦、电连接损坏、接触线硬弯、扭面和烧伤、线岔参数变化等，由于设备损坏较多，恢复难度较大，所需时间较长，因此，在接触网关键部位采用不平衡绝缘是非常必要的。
结束语 :
针对沿线安装有架空地线的城市轨道接触网系统，可结合实际运营需求，充分考虑设备维修、故障恢复、气象条件及经济性等因素，有区别、有针对性地进行防雷方案的设计，能切实改善和提高接触网系统的防雷水平。通过理论分析和模拟计算，提出以下建议：（1）接触网避雷器应与架空地线共接地极，能有效降低绝缘子两端电压差，减少绝缘子击穿概率。（2）针对接触网系统下锚等关键部位，宜采用不平衡的绝缘方式，减小事故影响。（3）适当缩短接地极间距，能有效降低雷电反击事故的发生概率。
参考文献 :
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论文作者:王凤来
论文发表刊物:《城镇建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/8/30
标签：避雷器论文; 绝缘子论文; 过电压论文; 地线论文; 防雷论文; 地铁论文; 避雷线论文; 《城镇建设》2019年第13期论文;