地鐵架空地線和高架段接觸網的防雷技術

改造者：吳銀修

地鐵架空地線和高架段接觸網的防雷技術

改造者：吳銀修

隨著地鐵建設工程增多，要保證地鐵的安全運行十分重要，鑒于目前雷擊故障問題越來越嚴重，特別是高架段地鐵更容易受雷擊，所以有必要對地鐵采取防雷措施。本文概述了地鐵防雷方面的研究現狀，重點研究了地鐵高架段接觸網的防雷措施，及其采用架空地線防雷時的優點和問題，建議采用“疏導”方法解決該問題。

地鐵作為一種公共交通工具，具有準時、安全、快速、舒適等優點，我國目前很多地區都在進行地鐵建設。但是在一些地方雷電現象頻繁發生，產生很高的雷電過電壓，致使電氣設備發生閃絡與損壞，進而導致地鐵系統的停電，影響地鐵系統的正常安全運行。而且地鐵高架段的線路因為暴露在外面，所以更容易受到雷電干擾，因此對地鐵系統防雷進行研究是非常有必要的。

地鐵防雷的必要性

地鐵建筑屬于公共場所，人流密集、投資巨大，地鐵系統由電氣、機電、電子類設備系統組成，它是各種設備與系統高度集中的工程項目，這些設備與系統是地鐵的中樞神經，維持在地鐵系統的正常運行，其中通信、信號等弱電系統是地鐵系統的核心，也是對雷電非常敏感的部分。這些系統如果被雷擊或侵入雷電波，那么就會導致地鐵系統無法正常工作，擾亂運輸秩序，嚴重時會對人身安全造成威脅，并造成巨大的社會經濟損失。另外，如果因為雷擊導致地鐵發生火災，那么所造成的后果與損失是不堪設想的。

雷電能夠通過多種方式侵入地鐵系統中，例如雷電直接擊中地鐵車站或設施、通過感應與閃電電涌干擾地鐵軌道和線路等，威脅乘客和地鐵工作人員的生命安全，影響通信系統、牽引電源、照明等系統可靠運行，對于高架段的線路，因為暴露在外面，其受到雷電危害的可能性更高，危害程度也更為嚴重。

接觸網受到的雷擊按照雷擊發生過程分類，可以分為兩種，即直擊雷和感應雷。在地鐵中，遭受直擊雷的主要是露天接觸網及其附近地面、車輛段、運營控制中心等地面建筑；遭受感應雷的主要是地鐵中的線路和線路的終端設備。可以知道雷電有很多種途徑與方式侵入地鐵系統，所以地鐵系統的防雷非常重要。

架空地線防雷

地鐵的雷擊問題越來越嚴重，現在開始通過架設架空地線來進行防護，但是地鐵系統的接觸網與電力系統輸電線路相比是有很大區別的，在設計規范方面缺少相應的規定，所以國內目前缺乏對架空地線的防雷作用的系統研究。

研究雷擊閃絡次數主要有電氣幾何模型和先導發展模型兩種方法。電氣幾何模型適合分析小型目標物的雷電屏蔽性能；先導發展模型比較適合研究大型目標物，但這個模型中在關鍵參數取值方面仍然存在爭議。

通過文獻建模可知，在地鐵中架設架空地線能夠有效減少接觸網雷擊閃絡的次數，而且隨著架空地線的高度越高，雷擊閃絡次數就越少，防雷效果越好，因此可以通過架空地線來進行地鐵防雷；架空地線的安裝方式有兩種：安裝在支柱頂端或者是安裝在導線的上方，無論采用什么安裝方式，接觸網的閃絡次數差別不是很大。

在地鐵系統中，架設架空地線是為了在短路時起保護作用，當架空地線同時具有防雷作用時，這種情況下架空地線必須與接地裝置可靠連接，讓雷電流能夠就近流入大地，這種方案可以有效減小雷電壓危害的區域。但是這樣會產生大量的雜散電流流過鋼柱、架空地線、接地極等，會對周圍設施產生腐蝕。

架空地線雖然防雷效果良好，但是所造成的雜散電流腐蝕也不能忽視，可以從兩個方面解決這一問題：即“封堵”和“疏導”。“封堵”，顧名思義，就是指阻斷鋼支柱與橋梁鋼筋間的泄漏電流通路，實施中需要實現橋梁和鋼支柱間的電氣隔離，但是在兩者之間又需要很大的機械作用力，目前的技術手段還達不到經濟性、合理性的要求，不能實現兩者之間的電氣隔離，而且他們所承受的雷電過電壓非常高，在絕緣方面也很難達到要求。“疏導”是指將雷電流和泄漏電流分開進行處理，阻斷電流從鋼支柱泄漏到橋梁鋼筋中，并且為雷電流提供泄入大地的通路，“疏導”可以較好地解決雜散電流防護不能接地與架空地線防雷時必須接地的矛盾。在工程中建議架空地線串接雷電沖擊接地器，能夠較好地解決這一矛盾，該接地器是由金屬氧化物電阻片與氣體放電管組成，這種方案可以完全滿足工程需要，與電位均衡裝置接地等方案相比有很大的優勢。但是在實際工程中，應注意架空地線的防雷效果畢竟有限，所以在地鐵中也應該考慮采取其他的防雷措施。

高架段接觸網防雷

目前，對接觸網防雷的研究，主要是針對普通鐵路，例如：曹曉斌等在電氣幾何模型原理的基礎上，分別建立了單線和復線區段接觸網的模型，推導出各暴露弧的交點坐標方程組以求出不同雷擊的引雷范圍，并給出不同雷擊的跳閘率計算公式和評估總跳閘率的方法；邊凱等人建立了計算模型以計算接觸網的雷電過電壓，通過計算定量分析接觸網雷擊跳閘的概率和特點；谷山強基于風險管理提出了評估高速鐵路接觸網雷電風險的方法，并以累計跳閘率為指標進行風險等級劃分，進行雷電風險評估。

由于地鐵和鐵路在接觸網懸掛方式和電壓等級方面不同，因此有必要專門開展針對地鐵高架區段接觸網防雷方面的研究。黃德亮等人基于實際地鐵情況，在 ATPEMTP中建立了高架區段接觸網模型，分析架空地線和接觸網的耐雷水平，并研究了不同接地和避雷器安裝方式因素的影響；金亮等采用鏡像法，計算接觸網的感應過電壓，比較了在是否有高架和避雷線是否接地的情況下接觸網的耐雷水平；李瑞芳等建立了地鐵高架段模型分析接觸網的耐雷水平，研究接地電阻、避雷線和避雷器的位置等參數的改變對耐雷水平的影響；田雨結合津濱線接觸網實際情況建立了數學模型，利用CDEGS等軟件分析了接觸網雷電閃絡特性，提出適當的接觸網防雷措施，并且研制出軌道交通專用接觸網避雷器。

高架區段接觸網防雷措施主要有：（1）架設架空地線。架空地線具有防雷作用，前面已經講過，在這里就不在贅述。架空地線應該覆蓋接觸網，在實際工程中架空地線每隔200m需要設置火花間隙。架空地線防雷效果與保護角有關，也就是與被保護線路之間所形成的角度。在電力系統中，保護角與線路的電壓等級有關，輸電線路電壓在66kV及以下時保護角規定為20°～30°，而地鐵的線路高度遠低于輸電線路的架設高度，所以雖然地鐵接觸網的電壓等級比較低，但是所求得的保護角遠大于上述規定值，因此在實際地鐵系統中架空地線的安裝想要滿足保護角的要求是比較難的。在實際運行地鐵中，架空地線高度變高做避雷線時，可以減少接觸網遭受雷直接的次數，并且相應的牽引所跳閘次數也會減少，在高架區段效果尤其明顯，能減少30%左右。但是如果在部分地區雷暴頻繁發生，架空地線高度變高反而會導致線路更容易遭受雷擊，會在線路兩端產生很高的過電壓，使大地產生高電壓，會燒毀接觸網的絕緣子或者把雷電流引入地鐵中的電氣設備，影響地鐵系統的正常運行。（2）設置避雷器。工程要求接觸網每隔250m需要設置一臺避雷器，避雷器上接接觸網，下接大地，與被保護的設備并聯，在高架區段，避雷器與橋墩的縱向鋼筋連接。避雷器的工作原理是：在正常運行情況下，避雷器處于高電阻狀態，只有微弱的電流流過，但是當接觸網存在很高的過電壓時，避雷器電阻很小，電流通過避雷器流入大地，以保護與避雷器并聯的設備。避雷器對它所在的支柱絕緣子的保護具有隨機性，因為落雷點是不確定的，如果落雷點在離避雷器較遠的地方時，那么支柱絕緣子可能會發生雷電閃絡，并且可能會引起絕緣子連續閃絡，擴大雷電影響的范圍；地鐵在高架區段時，因為高架橋每隔200m經過橋墩接地，所以如果落雷點不在橋墩附近，雷電流會流過很長距離才會入地，此時橋墩接地電阻對接觸網的耐雷水平影響就比較小，而且距離橋墩近的支柱耐雷水平要比離橋墩遠的支柱高很多。

通過研究表明：地鐵在高架區段中，在安裝避雷器的位置和接地點接觸網的耐雷水平比較高，沒有保護裝置的則比較低；在接觸網上方架設架空地線可以提高接觸網的耐雷水平；在雷擊接觸網時，安裝避雷器可以明顯提高接觸網的耐雷水平，在雷擊架空地線，接地可以明顯提高接觸網的耐雷水平。

總結

地鐵作為一個公共交通工具，其安全可靠運行是非常重要的，因此對地鐵的防雷研究是有必要。本文主要研究了地鐵高架段接觸網的防雷，和采用架空地線防雷時的優點和問題。概述了目前在地鐵防雷方面的研究現狀，高架段接觸網主要是通過架空地線和安裝避雷器進行防雷，架設架空地線防雷時可以減少接觸網雷擊閃絡的次數，但是會對周圍設施造成雜散電流腐蝕，所以在工程中建議架空地線串接雷電沖擊接地器，采取“疏導”的方法，將雷電流和雜散電流分別對待。工程上也應該采取其他的防雷措施，以保證地鐵的安全運營，減小雷電的危害。

吳銀修

中鐵十一局集團電務工程有限公司

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.09.033