接觸網(wǎng)和接觸軌兩種供電方式下地鐵線路耐雷擊水平分析與比較

李瑞芳韓虎金亮陳奎曹曉斌李鯤鵬，3

接觸網(wǎng)和接觸軌兩種供電方式下地鐵線路耐雷擊水平分析與比較

李瑞芳1韓虎2金亮1陳奎1曹曉斌1李鯤鵬1，3

（1.西南交通大學電氣工程學院，610031，成都；2.四川電力設(shè)計咨詢有限公司，610031，成都；3.廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，510010，廣州//第一作者，講師）

架空接觸網(wǎng)供電和接觸軌供電是地鐵線路常見的兩種供電方式。運用CDEGS軟件建立了接觸網(wǎng)線路和接觸軌線路模型，仿真分析兩種方式下雷擊位置及高架橋高度對耐雷擊水平的影響，以及接觸軌供電方式下避雷帶架設(shè)高度對耐雷擊水平的影響；比較了兩種供電方式下的耐雷擊水平差異并解釋了原因。結(jié)果表明，兩種供電方式下，雷擊點距接地點越遠，耐雷擊水平越低；高架橋越高，耐雷水平越低。接觸軌供電方式下，避雷帶越高，耐雷擊水平越高。接觸軌供電方式下的耐雷擊水平較接觸網(wǎng)供電方式高得多。

地鐵；架空接觸網(wǎng)；接觸軌；耐雷擊水平

First-author′s addressSchool of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，610031，Chengdu，China

通信、信號等電子信息類設(shè)備系統(tǒng)是維系地鐵正常運營的中樞神經(jīng)，一旦遭受雷擊或雷電波侵入，將危及地鐵正常的運輸秩序，甚至造成重大的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失［1-5］。且地鐵高架線路［6］極易遭受雷擊，因此有必要研究地鐵線路的雷擊特性。

目前，軌道交通防雷的研究以鐵路為主。但地鐵與鐵路的牽引供電方式不同，一方面是接觸懸掛方式不同，另一方面地鐵的電壓等級一般為直流750 V和直流1 500 V，比鐵路交流25 kV的電壓等級低得多，故地鐵線路的絕緣比普通鐵路弱，更容易引起雷擊跳閘。因此，地鐵防雷不能照搬普通鐵路的研究成果，需針對性地展開研究。目前，關(guān)于地鐵防雷雖有一定的研究成果［7-11］，但未見針對地鐵線路耐雷擊水平影響因素和防雷效果的詳細研究。接觸軌和接觸網(wǎng)是地鐵常見的供電方式，二者在結(jié)構(gòu)形式、對地高度等方面均不一樣，其耐雷擊水平和防雷措施勢必也不一樣。研究二者耐雷擊水平的差異，可為防雷措施的提出提供參考。

1 線路參數(shù)及建模

1.1接觸網(wǎng)線路參數(shù)及建模

本文以某地鐵線路高架區(qū)段為研究對象，采用CDEGS軟件進行仿真分析。該軟件是解決電力系統(tǒng)接地、電磁場和電磁干擾等工程問題的強大工具軟件，可在正常、故障、雷電和暫態(tài)條件下，計算地上或地下任意位置帶電導(dǎo)線組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的接地電位、導(dǎo)線電位和電磁場，還能為簡單的、裸露的和含外皮的金屬管，以及封閉管道、電纜系統(tǒng)和復(fù)雜土壤結(jié)構(gòu)中的各種導(dǎo)線建立計算模型。本文采用CDEGS軟件包的HIFREQ模塊和FFTSES模塊建立地鐵高架橋架空接觸網(wǎng)模型，研究其雷電過電壓情況。

該模型為上下行復(fù)線區(qū)段，牽引供電系統(tǒng)電壓為直流1 500 V，長度取1 000 m。圖1為該地鐵線路單支柱典型安裝示意圖。其中，hg表示避雷線到橋面的距離，和支柱高度相等，為8m；hc表示接觸線到橋面的距離，為4.87m；hv表示高架橋的高度，為8 m。支柱跨距為50m，高架區(qū)段利用橋墩做自然接地體，接地電阻不大于10Ω。架空地線抬高兼做避雷線。高架橋橋墩間距為30m，支柱每間隔200m通過橋墩接地引下線實現(xiàn)接地。鋼軌距橋面高度為0.27m，鋼軌每間隔50m通過同向均流電纜實現(xiàn)電氣連接，上下行鋼軌每間隔500m通過上下行均流電纜實現(xiàn)電連接，以均衡鋼軌電位。上下行軌道間距為2.8m。考慮排流網(wǎng)結(jié)構(gòu)鋼筋，用鋼筋網(wǎng)格結(jié)構(gòu)等效。鋼筋網(wǎng)格位于軌面以下0.5m的水平面處，由3根縱向鋼筋每隔一定距離橫向連接鋼筋構(gòu)成。

圖1 地鐵高架橋單支柱典型安裝示意圖

1.2接觸軌線路參數(shù)及模型

參考架空接觸網(wǎng)的建模方法，利用CDEGS輔助工具SESCAD創(chuàng)建導(dǎo)體模型。模型的參數(shù)如導(dǎo)體類型、導(dǎo)體半徑、導(dǎo)體的分段、導(dǎo)體涂層、激勵類型及大小、土壤類型和土壤電阻率的設(shè)置等均與接觸網(wǎng)模型中的方法一致。

為便于比較，接觸軌仿真參數(shù)盡量與接觸網(wǎng)一致。即仍采用1 500 V供電，高架橋每200m接地。模型為上下行復(fù)線區(qū)段，接觸軌（第三軌）通過絕緣支架及其底座固定在道床上。絕緣支架底座沿道床每間隔5m安裝一個，閃絡(luò)電壓取125 kV。上下行的絕緣支架底座通過接地扁銅連接在一起，引回到牽引變電所接地網(wǎng)實現(xiàn)接地（模型中通過在接地扁銅兩端設(shè)置一個0.5Ω的接地網(wǎng)來模擬變電所接地網(wǎng)）。避雷帶架設(shè)在接觸軌側(cè)上方位置，每間隔200m通過橋墩接地引下線實現(xiàn)接地。鋼軌相關(guān)參數(shù)同接觸網(wǎng)。接觸軌模型不考慮排流網(wǎng)和結(jié)構(gòu)鋼筋的影響。

2 耐雷擊性能的影響因素分析

2.1接觸網(wǎng)耐雷擊水平影響因素分析

2.1.1 雷擊位置對耐雷擊水平的影響

在模型中選取不同的雷擊位置，分別進行耐雷擊水平仿真計算。雷擊位置如圖2所示。圖中雷擊點1～5距接地支柱的距離分別為0m、10m、30m、50 m和100m。

圖2 接觸網(wǎng)線路雷擊位置示意圖

分別選取5/20μs和2.6/50μs兩種雷電流波形，得到雷擊不同位置的耐雷擊水平，如圖3所示。各種情況下最先達到閃絡(luò)電壓的絕緣子總是距離雷擊點最近的接地支柱上的絕緣子。

圖3 雷擊不同位置對耐雷擊水平的影響

由圖3可見，雷擊接地支柱的耐雷擊水平最高；雷擊點距接地支柱越遠，其耐雷擊水平越低。這是因為接地支柱有電流通路，大部分雷電流可通過接地支柱流入大地，耐雷擊水平就高；而離接地支柱較遠的雷擊點，雷電流需經(jīng)過較長的橋面距離才能通過橋墩入地，雷電流不易散流，耐雷擊水平就低。

2.1.2 高架橋高度對耐雷擊水平的影響

改變高架橋高度，保持模型其他參數(shù)不變，選取橋墩接地電阻為8Ω，雷擊100m處避雷線，仿真計算不同高架橋高度的耐雷擊水平。仿真結(jié)果見圖4。

由圖4可見，當高架橋高度從5m到20m變化時，耐雷擊水平分別在2.14～1.13 kA及1.5～1.0 kA之間變化。這是因為高架橋越高，遭受雷擊時其雷電流通路越長，導(dǎo)致支柱電位升增加，耐雷擊水平降低。

2.2接觸軌耐雷擊水平影響因素分析

圖4 不同高架橋高度對耐雷擊水平的影響

2.2.1 雷擊位置對耐雷擊水平的影響

選取雷電流波形為2.6/50μs，橋墩接地電阻為8Ω，避雷帶高度為1m，研究接觸軌供電方式下雷擊避雷帶不同位置時的耐雷擊性能。雷擊位置如圖5所示。雷擊點1～5與接觸網(wǎng)線路仿真時位置相同，離支柱的距離分別為0m、10m、30m、50m和100m。圖6為耐雷擊水平隨雷擊位置的變化情況。

圖5 接觸軌線路雷擊位置示意圖

圖6 雷擊位置對耐雷擊水平的影響

從圖6可見，接觸軌供電方式下，雷擊位置對耐雷擊水平的影響類似接觸網(wǎng)供電，即雷擊點距接地點越遠，耐雷擊水平越低。這是因為雷擊點距接地點越遠，經(jīng)接地引下線泄漏的雷電流比例越少，在總雷電流一定的情況下流經(jīng)避雷線上的電流越大，產(chǎn)生的感應(yīng)雷過電壓也越大，絕緣支架兩端也會產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)過電壓，因此耐雷擊水平較低。反之較高。

2.2.2 高架橋高度對耐雷擊水平的影響

改變高架橋高度，保持模型其他參數(shù)不變，選取橋墩接地電阻為8Ω，雷擊500m處避雷帶，仿真計算不同高架橋高度的耐雷擊水平。仿真結(jié)果見圖7。

圖7 高架橋高度對耐雷擊水平的影響

從圖7可以看出，高架橋高度在5～20m范圍變化時，耐雷擊水平從5 kA降低到3 kA。這是因為高架橋越高，雷電流通路越長，雷電流衰減速度越慢，故耐雷擊水平越低。

2.2.3 避雷帶高度對耐雷擊水平的影響

目前接觸軌避雷帶有兩種架設(shè)方式，一種是直接在橋翼架設(shè)普通避雷帶，高度大約為1.2m；另一種是采用金屬隔音墻兼做避雷帶，高度約為2m。避雷帶高度不同，導(dǎo)致其耐雷擊水平不同，因此需要研究避雷帶高度對耐雷擊水平的影響。

選取高架橋高度為10m，橋墩每隔200m實現(xiàn)接地。接地電阻為8Ω。雷擊位置為模型正中央的避雷帶處，避雷帶架設(shè)高度為2m，絕緣支架閃絡(luò)電壓取125 kV。仿真計算時，絕緣支架電壓取接觸軌電壓與絕緣底座電壓之差。對仿真結(jié)果的各個絕緣支架電壓分別分析可知，距離雷擊點最近的絕緣支架的電壓差最大，當該絕緣支架達到閃絡(luò)電壓時，相應(yīng)的感應(yīng)雷過電壓波形如圖8所示。針對不同的避雷帶架設(shè)高度，分別仿真其耐雷擊水平，結(jié)果見圖9。

由圖9可知，避雷帶高度越高，耐雷擊水平也越高。這是因為避雷帶與接觸軌、絕緣支架底座均沒有電氣連接，絕緣支架兩端的電壓均是由于避雷帶上的雷電流傳播感應(yīng)產(chǎn)生的，絕緣支架上端離避雷帶近，電壓隨著避雷帶高度的增加衰減較快，絕緣支架下端的電壓則衰減較慢，導(dǎo)致絕緣支架上下兩端電壓差減少，不容易閃絡(luò)。

圖8 感應(yīng)雷過電壓放大圖

圖9 避雷帶高度對耐雷擊水平的影響

3 接觸網(wǎng)和接觸軌供電方式下耐雷擊水平比較

為更加直觀地比較接觸軌和接觸網(wǎng)供電方式下的耐雷擊水平，將仿真結(jié)果列表進行比較分析。兩種供電方式下，不同雷擊位置的耐雷擊水平比較見表1，不同高架橋高度的耐雷擊水平比較見表2。

表1 兩種供電方式下雷擊不同位置的耐雷擊水平

表2 兩種供電方式下不同高架橋高度的耐雷擊水平

由表1和表2可知，無論雷擊位置改變，還是高架橋高度改變，接觸軌供電方式都比接觸網(wǎng)供電方式的耐雷擊水平高。其原因為：雷擊避雷線時，絕緣子閃絡(luò)是因雷電流經(jīng)過支柱接地散流，支柱的電位升導(dǎo)致，由于避雷線比避雷帶高得多，因此這個電位升很高，導(dǎo)致絕緣子兩端電壓差很大，很容易達到閃絡(luò)電壓，即耐雷擊水平很低；而雷擊避雷帶時，其引下線與絕緣支架的兩端不連接，絕緣支架的閃絡(luò)主要是由避雷帶兩端雷電流感應(yīng)的過電壓引起，這個感應(yīng)的電壓值要比接觸網(wǎng)方式雷擊避雷線時桿塔的電位升小得多，故絕緣支架不容易閃絡(luò)，因此其耐雷擊水平比接觸網(wǎng)方式下高得多。

4 結(jié)語

本文通過CDEGS軟件仿真研究了接觸軌和接觸網(wǎng)兩種供電方式下的耐雷擊水平，并分析了二者耐雷擊水平差異的原因，得出如下結(jié)論：

（1）兩種供電方式下，雷擊點與接地點距離的差別對耐雷擊水平有很大影響，雷擊點距接地點距離越小，其耐雷擊水平越高；兩種供電方式下，耐雷擊水平都隨高架橋高度增加而降低。

（2）接觸網(wǎng)供電方式下，按照滾球法，避雷帶已在接觸網(wǎng)避雷線、接觸線等線路的保護范圍內(nèi)，雷不可能擊到避雷帶上，因此只研究了接觸軌方式下雷擊避雷帶的情況。仿真結(jié)果表明，避雷帶越高，耐雷擊水平越高。但避雷帶增高，導(dǎo)致引雷范圍增大，因此避雷帶不宜太高，工程中建議取值2m。

（3）經(jīng)比較，接觸軌供電方式下的耐雷擊水平比接觸網(wǎng)供電方式要高得多。

［1］劉永紅．地鐵車站的防雷接地保護研究［J］．鐵道工程學報，2008（4）：94．

［2］王欣眉，宋琳，吳蓓，等.青島地鐵3號線雷擊風險評估分析［J］.山東氣象，2014,34（1）：25-30.

［3］李征，肖穩(wěn)安，陳凱．南京地鐵柔性接觸網(wǎng)的雷電綜合防護對策［J］．陜西氣象，2012（3）：43．

［4］陳家斌，高小飛．電氣設(shè)備防雷與接地實用技術(shù)［M］．北京：中國水利水電出版社，2010．

［5］焦劼.地鐵高架車站及高架線路的綜合防雷分析［J］．電氣應(yīng)用，2013，32（10）：54-56.

［6］宋平健，王媛媛.高架地鐵線防雷若干問題探討［J］.氣象科技，2013，41（4）：753-757.

［7］艾東兵．城市軌道交通接觸網(wǎng)系統(tǒng)防雷措施淺析［J］．電氣化鐵道，2013（2）：40-43.

［8］劉永謙．地鐵項目綜合防雷設(shè)計的探討［J］．大連鐵道學院學報，2006，27（2）：83-86.

［9］向東．廣州地鐵四號線高架防雷設(shè)計［J］．建筑電氣，2007（10）：41-44．

［10］彭大明.明珠線一期工程接觸網(wǎng)防雷接地系統(tǒng)［J］．電氣化鐵道，2004（02）：41-42.

［11］程宏波，劉嘉，黎醫(yī)博，等.電氣化鐵路接觸網(wǎng)雷擊過電壓研究［J］.城市軌道交通研究，2016（1）：39.

Com parative Research of Lightning W ithstand Levels between M etro Catenary M ode and Contact Rail Power Supply M ode

LIRuifang,HAN Hu,JIN Liang,CHEN Kui,CAO Xiaobin, LIKunpeng

Overhead catenary and contact rail are two kinds of common power supply modes in metro system.The lightning w ithstand levels of the two power supply modes are researched by using CDEGS software to establish a simulation model. The effect of lightning strike positions and height of elevated bridge on lightning w ithstand level is analyzed.The differences of lightning w ithstand levels between catenary mode and contact rail power supply mode are compared，the courses are explained.When the point of strike is higher from the ground, the lightning w ithstand level is lower，otherw ise on the contrary.The research shows that the lightning w ithstand level of contact railmode is higher than thatof the overhead catenary.

metro；overhead catenary；contact rail；lightning withstand level

U231.96

10.16037/j.1007-869x.2017.07.011

2015-07-07）