關(guān)于成都地鐵高架段接觸網(wǎng)防雷問(wèn)題的探討

林慧

摘 要：地鐵是城市交通系統(tǒng)的重要組成部分，由于現(xiàn)在地鐵建設(shè)覆蓋范圍的加大，地鐵線路高架區(qū)段越來(lái)越多，加之地鐵本身是人員密集的重要運(yùn)載工具，一旦接觸網(wǎng)遭受雷擊或者被雷電波入侵，將嚴(yán)重影響地鐵正常的運(yùn)營(yíng)秩序。文章通過(guò)對(duì)成都地鐵高架區(qū)段接觸網(wǎng)防雷保護(hù)進(jìn)行分析，以期找出適合高架區(qū)段接觸網(wǎng)系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：地鐵高架區(qū)段；接觸網(wǎng)；防雷保護(hù)

引言

近年來(lái)，由于城市軌道交通工程數(shù)量激增，線路由城市向郊區(qū)擴(kuò)展，地鐵也由在地下運(yùn)行轉(zhuǎn)而在地面及高架橋上運(yùn)行。由于高架區(qū)段往往位于較為空曠的地段，屬于高雷區(qū)，因此該區(qū)段的接觸網(wǎng)系統(tǒng)受到雷電威脅的可能性會(huì)更高，2010年7月，南京地鐵1號(hào)線高架段由于雷擊導(dǎo)致線路停運(yùn)150min；2011年4月，北京地鐵10號(hào)線車輛段地面信號(hào)系統(tǒng)遭遇雷擊，導(dǎo)致列車在出入段線區(qū)段只能以人工控制方式運(yùn)行。

截止到目前，成都地鐵在建線路為1～7及10號(hào)線工程，正線高架區(qū)段約占20%，高架段沿線較為空曠。自2010年成都地鐵二號(hào)線建成投入運(yùn)營(yíng)以來(lái)，接觸網(wǎng)系統(tǒng)多次遭受雷擊導(dǎo)致絕緣子破裂、直流開(kāi)關(guān)跳閘閉鎖。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年9月及2011年7月，成都地鐵2號(hào)線停車場(chǎng)出入段線高架區(qū)段及試車線先后由于雷擊導(dǎo)致線路搶修； 2013年6月及2014年4月，成都地鐵2號(hào)線車輛段由于雷擊導(dǎo)致線路搶修。

為加強(qiáng)高架及空曠區(qū)段的防雷措施，成都地鐵2號(hào)線東西延伸高架段為接觸網(wǎng)系統(tǒng)引入了一種帶串聯(lián)間隙避雷器以保護(hù)腕臂絕緣子，防止出現(xiàn)停運(yùn)等嚴(yán)重事故。文章針對(duì)目前成都地鐵高架區(qū)段的設(shè)置特點(diǎn)，對(duì)高架區(qū)段的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)問(wèn)題加以探討。

1 高架區(qū)段接觸網(wǎng)防雷設(shè)置

1.1 架設(shè)避雷線

正線接觸網(wǎng)設(shè)置貫通的架空地線，并將架空地線抬高兼做避雷線，覆蓋架空接觸網(wǎng)，架空地線每隔200m設(shè)置火花間隙。

雷電放電時(shí)為梯式放電，先導(dǎo)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)會(huì)加強(qiáng)放電目標(biāo)物體的電場(chǎng)。因此抬高的架空地線成為最易受到雷電襲擊的對(duì)象。

架空地線的直擊雷保護(hù)效果和被保護(hù)的導(dǎo)線之間的保護(hù)角有關(guān)，在電力系統(tǒng)中，不同的電壓等級(jí)要求的保護(hù)角也有不同的要求，一般66kV及以下輸電線路一般保護(hù)角為20°～30°，而根據(jù)目前地鐵接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)高度及電壓等級(jí)計(jì)算出的保護(hù)角卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于以上規(guī)定值，實(shí)際工程中架空地線的安裝高度很難達(dá)到保護(hù)角要求，因此產(chǎn)生的屏蔽效果也有一定影響。

從大部分已運(yùn)營(yíng)的線路來(lái)看，將架空地線抬高兼做避雷線能夠有效降低接觸網(wǎng)遭受直擊雷的次數(shù)，并降低牽引所的跳閘次數(shù)，在高架區(qū)段大約可降低約30%。但當(dāng)雷暴頻繁發(fā)生時(shí)，由于抬高的架空地線遭受直接雷擊的可能性較高，反而在接地電阻兩端產(chǎn)生危險(xiǎn)的過(guò)電壓，引起地電位反擊，造成接觸網(wǎng)絕緣子被燒蝕或?qū)⒗纂娏饕霠恳O(shè)備，進(jìn)而影響運(yùn)營(yíng)。

1.2 設(shè)置避雷器

接觸網(wǎng)系統(tǒng)每隔250m左右設(shè)置一臺(tái)避雷器，避雷器接于接觸網(wǎng)與地之間，與被保護(hù)的設(shè)備形成并聯(lián)關(guān)系。

橋墩縱向結(jié)構(gòu)鋼筋與避雷器相連，正常運(yùn)營(yíng)電壓下避雷器呈高阻狀態(tài)，僅有幾十微安電流通過(guò)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)大氣過(guò)電壓或操作過(guò)電壓時(shí)，避雷器呈低阻狀態(tài)，將過(guò)電流（雷電流）迅速泄于大地，使并聯(lián)的設(shè)備免遭損害。避雷器可以避免讓所在支柱的絕緣子不發(fā)生絕緣子閃絡(luò)，但由于落雷點(diǎn)是一個(gè)隨機(jī)發(fā)生事件，如果落雷點(diǎn)剛好落在距離安裝有避雷器支柱較近的地方，則雷電流可以通過(guò)避雷器泄入大地；如果落雷點(diǎn)落在距離安裝避雷器支柱較遠(yuǎn)的地方，則支柱絕緣子可能發(fā)生閃絡(luò)，由于接觸網(wǎng)絕緣子絕緣強(qiáng)度較低，在雷電襲擊下，雷電波沿著接觸網(wǎng)線路傳播，甚至引起絕緣子連續(xù)閃絡(luò)的情況。

2 高架區(qū)段接觸網(wǎng)防雷優(yōu)化設(shè)置

成都地鐵二號(hào)線東西延伸線的高架區(qū)段于2014年在架空接觸網(wǎng)的腕臂絕緣子上裝設(shè)帶串聯(lián)間隙的避雷器。

該裝置由避雷器本體、串聯(lián)的間隙以及安裝的金具組成，應(yīng)用時(shí)將該避雷器與腕臂絕緣子并聯(lián)安裝，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。避雷器本體外絕緣為復(fù)合硅橡膠材料，在耐老化、耐電腐蝕、耐污穢方面較傳統(tǒng)的陶瓷絕緣子有明顯優(yōu)勢(shì)，更適合高架線路的線路條件。避雷器仍然利用金屬氧化物電阻片的非線性特點(diǎn)，即在線路正常運(yùn)行時(shí)，由于串聯(lián)間隙的存在，避雷器本體并不承受系統(tǒng)的運(yùn)行電壓；在雷電襲擊下，串聯(lián)間隙被擊穿，金屬氧化物電阻片就會(huì)瞬間呈現(xiàn)低阻抗，釋放雷電能量，從而限制腕臂絕緣子兩端的過(guò)電壓，進(jìn)而可以避免絕緣子發(fā)生閃絡(luò)。為防止避雷器遭遇雷擊后頻繁動(dòng)作，影響壽命，不應(yīng)將間隙選用的過(guò)小，試驗(yàn)證明，串聯(lián)間隙取值70mm時(shí)，該裝置可將通過(guò)絕緣子的雷電流旁路完全引導(dǎo)至串聯(lián)間隙，有效降低絕緣子損壞數(shù)量。

通過(guò)成都地鐵2號(hào)線實(shí)際運(yùn)營(yíng)證明，加裝了帶串聯(lián)間隙的避雷器的區(qū)段，尚未發(fā)生過(guò)雷擊故障。

3 后續(xù)問(wèn)題

一般為了減少雜散電流對(duì)橋梁鋼筋的腐蝕，地鐵接觸網(wǎng)系統(tǒng)的支柱均采用絕緣安裝，即：高架區(qū)段橋梁上部結(jié)構(gòu)與橋墩之間為絕緣。當(dāng)雷電襲擊發(fā)生后，雷電流沒(méi)有就近泄入大地的通道，導(dǎo)致接觸網(wǎng)支柱電位瞬間升高。同時(shí)，雷電襲擊時(shí)，走行軌與道床之間的絕緣層亦會(huì)被擊穿，軌電位急劇升高，通過(guò)走行軌泄露的雜散電流數(shù)量會(huì)大大增加，若是牽引所附近的走行軌遭遇雷擊，雷電會(huì)通過(guò)回流電纜引回牽引所負(fù)極柜，造成電氣設(shè)備損壞。而對(duì)同軌道相連的信號(hào)設(shè)備亦是事故隱患。因此如何防止迷流，同時(shí)又能在遭受雷擊時(shí)迅速導(dǎo)通雷電流，仍是需要思考的問(wèn)題。

4 增加雷電流的泄流通道

在高架區(qū)段，接觸網(wǎng)支柱應(yīng)按照一定的間隔（目前是250m一處避雷器、200m一處火花間隙）增加安裝火花間隙，以增加雷電流的泄流通道，發(fā)生在接觸線、架空地線上的雷擊造成的雷電流能夠就近通過(guò)避雷器或者火花間隙泄入到大地，可迅速降低支柱與橋梁結(jié)構(gòu)的電位差，同時(shí)亦能降低軌道與道床之間的電位差，保護(hù)了走行軌與道床之間的絕緣層，防止了迷流的散失，也保護(hù)了軌旁設(shè)備的安全。

同時(shí)由于新增火花間隙對(duì)于雷擊電流的分流作用，雷電通過(guò)回流電纜引回牽引所的幾率被大大減小，這對(duì)牽引所內(nèi)設(shè)備的保護(hù)也起了重要作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

防雷安全是地鐵運(yùn)營(yíng)安全保障的重要部分，文章結(jié)合當(dāng)前成都地鐵接觸網(wǎng)的防雷設(shè)計(jì)提出了以上一些思考。但是關(guān)于目前高架區(qū)段接觸網(wǎng)的防雷保護(hù)仍然有待進(jìn)一步研究，考慮到雷擊發(fā)生有太多的不確定性，落雷點(diǎn)具有的隨機(jī)性，泄流通道的密度等均應(yīng)結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本，從減少運(yùn)營(yíng)維護(hù)出發(fā)，譬如通過(guò)現(xiàn)代仿真技術(shù)的應(yīng)用，計(jì)算出最優(yōu)的防雷保護(hù)設(shè)置方案。

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