軌道交通架空接觸網(wǎng)防雷綜合技術研究

戴麗君 楊立新 成明華

(1.南京鐵道職業(yè)技術學院鐵道供電系,210031,南京; 2.鐵道第三勘察設計院集團有限公司,300142,天津;3.上海鐵路局南京供電段,210015,南京//第一作者,副教授)

軌道交通架空接觸網(wǎng)防雷綜合技術研究

戴麗君1楊立新2成明華3

(1.南京鐵道職業(yè)技術學院鐵道供電系,210031,南京; 2.鐵道第三勘察設計院集團有限公司,300142,天津;3.上海鐵路局南京供電段,210015,南京//第一作者,副教授)

在軌道交通中,牽引供電系統(tǒng)提供列車牽引動力,架空接觸網(wǎng)作為牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分,向動車組供電授流。軌道交通供電系統(tǒng)一般采用架空接觸網(wǎng)授流制式,在軌道交通采用高架橋敷設形式時,接觸網(wǎng)系統(tǒng)則成為區(qū)域內的相對高點,遭受雷害的幾率增加。針對供電系統(tǒng)架空接觸網(wǎng)防雷綜合技術策略進行研究,分析架空接觸網(wǎng)防雷綜合技術需重點解決的關鍵問題,歸納提出了行之有效的技術對策。

軌道交通; 架空接觸網(wǎng); 防雷技術

First-author′s address Nanjing Institute of Railway Technology,210031,Nanjing,China

軌道交通供電系統(tǒng)為列車提供牽引動力,架空接觸網(wǎng)作為供電系統(tǒng)的重要組成部分,向動車組供電授流。在高架線路上,接觸網(wǎng)系統(tǒng)則成為區(qū)域內的相對高點,遭受雷害的幾率增加。

本文旨在分析目前軌道交通普遍采用的架空接觸網(wǎng)的防雷技術現(xiàn)狀,結合工程案例,歸納提煉各種防雷對策的相應效果,以提升防雷綜合技術水平。

1 架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)防雷技術概況

1.1 我國高速鐵路接觸網(wǎng)防雷技術現(xiàn)狀

目前我國高速鐵路接觸網(wǎng)的防雷措施主要有:

(1) 安裝線路避雷器。主要設置在電分相和站場端部絕緣關節(jié)、長大隧道的兩端、供電線或AF (正饋)線連接到接觸網(wǎng)上的接線處。

(2) 安裝保護間隙。保護間隙屬于一種疏導式雷電防護裝置,其工作原理在于雷電過電壓情況下的空氣間隙擊穿,導線對地釋放雷電能量。

(3) 統(tǒng)籌設置避雷器接地引線。一般情況下,路基地段的避雷器接地一端接PW (保護)線,另一端單獨接地極。

在這些防雷措施中,安裝避雷器最為常用。

1.2 國外鐵路接觸網(wǎng)防雷技術現(xiàn)狀

國外鐵路,特別是高速鐵路,日本和德國的電氣化鐵路具有一定的代表性。

德國鐵路采用電壓保護裝置限制雷電過電壓,一般應用避雷器。據(jù)相關資料介紹,德國電氣化鐵路專家認為,避雷器只能對過電壓進行有限的保護,僅在雷電現(xiàn)象過于頻繁的地段考慮設置,在其它區(qū)段則不設。這與我國鐵路行業(yè)的認識頗為相似。

日本鐵路采用的主要形式有:在全線接觸網(wǎng)架設架空避雷線,同時在牽引變電所出口、接觸網(wǎng)隔離開關、電纜接頭或連接處、架空地線終端設置避雷器。或綜合采用各種避雷方式。

1.3 城市軌道交通防雷技術現(xiàn)狀

我國城市軌道交通多采用避雷器和架空地線兼做避雷線的防雷措施。

根據(jù)調研及相關資料數(shù)據(jù)顯示,城市軌道交通地面及高架線路遭受雷擊的事件較多。有的線路在高架和地面段普遍設置了避雷線和避雷器,當避雷器間隔縮小后,防雷效果改善較為明顯。

2 架空接觸網(wǎng)受雷擊影響分析

大氣過電壓分為感應雷過電壓和直擊雷過電壓。有關文獻對這兩種過電壓對架空接觸網(wǎng)的雷擊影響進行了分析。

2.1 感應雷過電壓

圖1 感應雷過電壓計算原理圖

如圖1所示,雷擊接觸網(wǎng)附近地面時,雷云離地面的高度為Z0,先導通道的頭部離地面的高度為Z1,承力索對地高度為H,接觸網(wǎng)導高為h,先導通道與接觸網(wǎng)之間的距離為y,先導通道中的平均電荷密度為τ,則雷電先導通道中的電荷在接觸網(wǎng)下面任何一點A(垂直高度設為h)的場強總垂直分量可以表示為:

(1)

式中:

ε0——空氣的介電常數(shù)。

取地面電位為零電位,接觸導線上的最大感應電壓為:

(2)

當先導通道到達地面時,Z1→0,又由于Z0遠大于H,則用Z0代替(Z0-H)和(Z0+H)不會帶來太大的誤差,則式(2)可以簡化為:

(3)

2.2 直擊雷過電壓

2.2.1 雷擊支柱

當雷擊接觸網(wǎng)支柱時,由于支柱具有一定的阻抗和支柱接地具有一定的接地電阻,雷電流通過支柱流入大地時,在支柱上產(chǎn)生沖擊電壓為:

(4)

式中:

RG——支柱接地電阻與支柱電阻之和(支柱電阻的數(shù)量級一般為mΩ級,與接地電阻相比很小,可以忽略不計,這里RG的值即取接地電阻的值,根據(jù)規(guī)程的規(guī)定支柱的接地電阻為10 Ω);

LP——支柱的等值電感,取10 μH。

雷電波波頭的長度取2.6 μs,當接觸網(wǎng)的絕緣水平為290 kV時,引起絕緣子閃絡的雷電流幅值為:

(5)

將上述各變量數(shù)值代入式(5)計算得出I=21 kA。

2.2.2 雷直擊接觸網(wǎng)

圖2 雷直擊過電壓計算原理圖

(6)

取雷電通道的波阻抗z0=350 Ω。根據(jù)接觸網(wǎng)的分布電感和電容計算,接觸網(wǎng)的波阻抗為517 Ω;考慮到雷電流在導線上產(chǎn)生電暈使導線的波阻抗下降20～30%,取修正系數(shù)為0.8,即接觸網(wǎng)實際的波阻抗為413.6 Ω。由于雷電流向接觸網(wǎng)上雷擊點兩邊傳播,所以雷擊點的輸入波阻抗z=206.8 Ω。即引起接觸網(wǎng)閃絡的雷電流幅值大小為:

(7)

絕緣子串在雷電過電壓的作用下發(fā)生沖擊閃絡后不一定都會引起短路跳閘,當在工頻電壓作用下沖擊閃絡發(fā)展成穩(wěn)定的電弧時才會引起短路故障。

運營部門觀察到,感應雷的跳閘次數(shù)具有一定的分散性,這種分散性主要是由于雷電通道主放電速度的分散性引起的。感應雷的跳閘次數(shù)占雷擊次數(shù)的比例較高,直擊雷的跳閘次數(shù)占雷擊次數(shù)的比例則較低。可以看出,感應雷是引起牽引供電系統(tǒng)雷擊跳閘的主要原因。

牽引供電系統(tǒng)要降低牽引供電系統(tǒng)的雷擊跳閘次數(shù),應該優(yōu)先考慮對感應雷的防護。

從雷擊跳閘次數(shù)看,直擊雷所占的比例很小,但直擊雷的電流大、電壓高、破壞性強,在防感應雷的同時,也不能忽視對直擊雷的防護。

3 架空接觸網(wǎng)防雷對策分析

3.1 安裝避雷器

在支柱上裝設避雷器,可有效降低接觸網(wǎng)雷擊跳閘概率。其工作原理是:雷電擊中接觸網(wǎng)時,若雷擊電壓大于避雷器的放電電壓,避雷器會立即將雷電流釋放,并在工頻電壓下以高阻抗截斷工頻續(xù)流,避免絕緣子閃絡,從而保障接觸網(wǎng)持續(xù)穩(wěn)定工作。

在工程中,設置避雷器的支柱接地電阻在10 Ω以下,而其余的支柱接地電阻一般為30 Ω左右。

圖3為架空接觸網(wǎng)采用避雷器防雷措施不同安裝情況下的防雷仿真結果。

圖3 不同安裝情況下避雷器的防雷仿真

由圖3可見,距雷擊點200 m范圍內,絕緣子端電壓的變化幅度基本一致,故證明避雷器的有效作用范圍在200 m左右。如果要采用避雷器提高接觸網(wǎng)的耐雷水平,必須密集設置避雷器,但這也會導致接觸網(wǎng)故障率上升,因為避雷器自身也存在維護和老化問題。因此過于密集安裝線路避雷器不是很好的選擇。如果選擇在雷擊比較集中的地段安裝線路避雷器,則防雷效果較好。

3.2 安裝避雷線

避雷線的保護作用是使雷電擊通過避雷線將雷電流泄入大地。為了使雷電流順利泄入大地,避雷線要有良好的接地裝置。

在電力系統(tǒng)中,避雷線是輸電線路防雷的重要手段。在牽引供電系統(tǒng)中,接觸網(wǎng)的絕緣等級較低,在雷電過電壓引起的絕緣子閃絡中,感應雷過電壓引起的閃絡占比很高,所以在接觸網(wǎng)上架設避雷線除了防直擊雷外,還要考慮到防感應雷的效果。

3.3 京滬高鐵接觸網(wǎng)防雷措施

根據(jù)調研及相關資料數(shù)據(jù)顯示,京滬高鐵自開通以來,地面及高架線路遭受雷擊較多。為切實降低雷擊跳閘對高速鐵路列車安全運行的影響,在線路設置避雷器的基礎上,將沿線牽引變電所向第一個AT (自耦變壓器)段供電的加強線改造成為了避雷線,防雷效果得以明顯改善。

4 防雷措施優(yōu)化建議

4.1 設置并盡可能抬高架空地線

有研究表明,架空地線不僅可以作為閃絡通道對接觸網(wǎng)系統(tǒng)起到保護作用,升高架空地線還能夠產(chǎn)生類似于避雷針的接閃效果,在一定程度上減少直擊雷直接擊中接觸網(wǎng)導線的概率。除對架空地線進行抬高以外,架空地線與承力索、接觸線在水平面上的相對位置對其防護范圍來說也非常關鍵。以往,電力部門經(jīng)常采用“折線法”、“保護角”等概念對避雷線的防護范圍進行設計。而自上世紀80年代開始,世界上大多數(shù)國家均采用IEC (國際電工委員會)標準的“滾球法”計算保護范圍。近些年,我國在新修訂的國家標準中也逐漸接受了“滾球法”。

采用“滾球法”校驗架空地線的防護范圍,通過校驗結果來調整架空地線與接觸線、承力索的空間位置以加強接觸網(wǎng)抵御直擊雷的能力,不失為一種好的有效的防雷方案。

4.2 減小接地電阻與接地間距

有關文獻對接地電阻與耐雷水平之間的關系進行了仿真研究,不論雷電流波形如何,線路耐雷水平總體上隨支柱接地電阻的增加而相應降低。此外,減小接地電阻阻值,對減小雷電反擊也有一定的作用。避雷線上落雷后,雷電流沿避雷線流入支柱,雖然支柱或其接地引下線的電感、支柱接地電阻上的壓降、柱頂?shù)碾娢豢赡苓_到足以使線路絕緣發(fā)生反擊的數(shù)值,但是即使這樣仍會造成停電事故。所以,在成本不增加很多的前提下,可以考慮盡量減小接地電阻值,以減小雷電反擊發(fā)生的幾率。

當接地電阻值為10 Ω時,50 kA的雷電流通過支柱,將抬高電位至500 kV左右,大大超過腕臂絕緣子的耐壓水平,極有可能使絕緣子發(fā)生閃絡,甚至造成絕緣子損壞。而當接地電阻值小于2 Ω時,同樣程度的雷擊所帶來的電位升高小于300 kV,則在絕緣子承受范圍以內。

在土壤電阻率較低的地區(qū),用橋墩作為基礎接地體時,接地電阻值應盡量降低。運營中,可有效減少絕緣子閃絡的發(fā)生概率,在防雷重點區(qū)域,還可考慮適當縮小接觸網(wǎng)系統(tǒng)的接地間距。

為解決防雷與雜散電流防護在接地方面的矛盾,在高架段每個接地點處均設置電壓均衡器。該設備能夠防止雜散電流向外部擴散,同時在發(fā)生雷擊事故時,能瞬時短接接觸網(wǎng)接地側設備和橋墩地網(wǎng)的連通。

4.3 適當提高絕緣子絕緣等級

從經(jīng)濟性角度考慮,在重點區(qū)域可考慮提高絕緣等級。其中導線終端下錨處是相對重要的部位,下錨絕緣子一旦被雷電擊穿斷裂,會導致與斷線相同的后果,影響面較大,恢復時間較長。因此,重點區(qū)域提高絕緣等級應采取差異化防雷方案,采取加強絕緣的措施。有的區(qū)段,對所有接觸網(wǎng)導線的末端都采用電氣化鐵路專用27.5 kV的復合絕緣子,其絕緣強度大大高于地鐵直流1.5 kV的電壓等級,標準雷電沖擊耐受電壓達到300 kV,大大超過其它桿塔采用的直流1.5 kV 絕緣子標準雷電沖擊耐受電壓125 kV的耐壓水平。

這種對于重點保護部位加強絕緣的措施應能使導線終端下錨絕緣子得到相對良好的保護,可以有效避免接觸網(wǎng)導線終端絕緣子雷擊斷裂的后果。

4.4 合理設置避雷器

對于架空線路而言,其所經(jīng)地域廣闊,周邊環(huán)境多變,都應加強對感應雷的防護。而經(jīng)濟合理地設置避雷器對提高接觸網(wǎng)防感應雷的水平有一定作用,特別是在重點區(qū)域,對重要設備和設施的防護,較為有效,如上網(wǎng)饋線開關處、隧道洞口處、分段絕緣器附近、下錨集中處等。其中,上網(wǎng)饋線開關處應安裝避雷器,其來雷側臨近支柱也應安裝避雷器,在雷電波未到達饋線開關處之前,先行進行有效攔截。

同時,也必須認識到接觸網(wǎng)安裝避雷器的衍生問題:①因避雷器保護范圍有限,只能防止其保護范圍內的接觸網(wǎng)絕緣閃絡;②二氧化鋅避雷器大都采用帶串聯(lián)間隙的結構,其復合絕緣子長度短,污穢條件下的工頻電壓耐受能力低,可能會增加污閃事故率;③過于加密安裝避雷器,初投資和維修費用也將增加,預防試驗和維修工作量極大。

4.5 因地制宜,采取綜合技術措施進行防雷

在具體工程中,防雷措施的采用與線路所在地形地貌、氣象條件密切相關,不同的地域差異較大,同一地域中線路周邊環(huán)境也有一定差別,防雷措施的制定應充分考慮這些因素,可有針對性地采用避雷線、避雷器、接地、加強絕緣等一種防雷措施或不同防雷措施的組合。

架空接觸網(wǎng)防雷,還應考慮周邊建筑物,特別是架空輸電線路的天然“屏蔽”作用。充分考慮這方面因素,可以有效節(jié)省投資,減少設置避雷器的數(shù)量,降低維護工作量。

5 結論

軌道交通架空接觸網(wǎng)的防雷主要措施有抬升避雷線、設置避雷器、減小接地電阻、加強絕緣、在重點區(qū)域對重點設備綜合防雷、全線應差異化防雷等。在確定防雷的具體方式時,應綜合考慮線路經(jīng)過地區(qū)雷電活動的強弱、地形地貌特點、土壤電阻率的高低等自然條件,根據(jù)不同防雷措施或相應組合措施方案的技術經(jīng)濟比較結果,采取合理的保護措施。

軌道交通架空接觸網(wǎng)防雷的目的是提高線路的防雷性能,降低線路的雷擊跳閘率。采取經(jīng)濟合理的防雷措施,可有效降低因雷電造成的供電系統(tǒng)跳閘概率和故障概率。

[1] 趙志震.淺談電氣化鐵路接觸網(wǎng)防雷技術[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化,2014(5):68.

[2] 邊凱等.高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)雷電防護[J].中國電機工程學報,2013,4(5):102.

[3] 王向東.電氣化鐵路接觸網(wǎng)防雷研究[J].科技信息,2011(36):354.

[4] 劉明光,李光澤,孔中秋,等.論接觸網(wǎng)上避雷器的應用[J].電氣化鐵道,2005(5):28.

[5] 張倩.高速鐵路接觸網(wǎng)防雷設計研究[J].電氣化鐵道,2013(6):12.

On Comprehensive Lightning Protection of Rail Transit Overhead Catenary

DAI Lijun, YANG Lixin, CHENG Minghua

Traction power supply system provides traction power for rail transit train,the overhead contact line is an important part in traction power supply system,granting power to EMU (electronic multipl unit) stream.Rail transit power supply system generally adopts overhead catenary grant stream standards,when the viaduct form is adopted for rail transit,the catenary system tends to become the relatively high area in a certain section,making it vulnerable to lightning damages.In this paper,the lightning prevention technology and policies of overhead catenary power supply system are comprehensively researched,key issues in the integrated technology of overhead catenary lightning prevention are analyzed,some technical counter measures are proposed.

rail transit; overhead catenary line; lightning prevention measures

U 226.8+3

10.16037/j.1007-869x.2016.12.014

2016-09-22)