地鐵接觸網避雷器保護范圍的研究

艾東兵 熊 晶

(1.深圳市地鐵集團有限公司，518000，深圳； 2.深圳古瑞瓦特新能源股份有限公司，518000，深圳//第一作者，工程師)

近年，國內地鐵接觸網系統發生了多起嚴重的雷擊事件。部分事件中，不僅接觸網系統設備被損壞，還造成了地鐵列車大面積、長時間延誤，嚴重影響乘客出行，其社會影響很大。地鐵接觸網防雷問題已成為亟待解決的問題。

氧化鋅避雷器作為地鐵接觸網系統的主要防雷裝置，是防雷方案討論及設計的重點研究對象。而避雷器保護范圍的問題始終存在爭議。

1 典型的雷擊事件

深圳地鐵露天接觸網主要分布在部分車輛段和1、5號線的高架段，均為架空柔性接觸網，分別采用簡單懸掛和簡單鏈型懸掛的安裝形式。接觸網沿線架設的架空地線通過金屬抱箍與接觸網下錨底座及支持裝置等共支柱安裝。架空地線每隔200 m就通過1個地電位均衡器連接接地極。接觸網采用2種絕緣子，其最小爬距分別為250 mm和400 mm。絕緣子的雷電全波沖擊耐受電壓不小于100 kV。除上網點、車站兩端及過渡段隧道洞口外，全線區間接觸網每隔200 m設置1套無間隙金屬氧化鋅避雷器，并利用橋墩內部鋼筋網作為接地體，其接地電阻小于10 Ω。

深圳地區的雷電活動特別強烈。深圳地鐵露天接觸網系統曾多次發生雷擊事件。2014年5月20日，深圳地鐵1號線高架段與5號線塘朗車輛段試車線均發生了雷擊接觸網事件，并造成車輛段和正線接觸網多個供電分區跳閘失壓、絕緣子擊穿炸裂、線索燒傷及多臺開關控制箱內部元器件損壞等嚴重后果。

經統計發現，雷擊閃絡絕緣子距避雷器最近距離僅35 m。表1為幾起典型雷擊接觸網事件中閃絡絕緣子與避雷器最小距離的統計。

2 避雷器防護范圍

2.1 雷電波傳播特性

為了便于分析雷電波傳播特性，在雷電波引起的過電壓作用下，接觸網導線按分布參數元件處理(如圖1所示)。假定接觸網導線為1根無限長的均勻無損單導線。導線單位長度電感L0和電容C0均為常量。

表1 典型雷擊事件統計

a) 單根無損線首端合閘

b) 等效電路

在時間t=0時，開關合閘，電源開始向電路電容充電。靠近電源的電容先充電，然后向相鄰電容放電。由于存在線路電感，較遠的電容需要間隔一段時間才能充電，并向更遠的電容進行放電。線路上電壓波與電流波同時以相同的速度傳播。

設向x方向傳播的電壓波和電流波，在t=Δt時到達x=Δx點。則在Δt內，長度為Δx的導線上電容C0Δx充電至電動勢為E，獲得電荷C0ΔxE。這些電荷又是在時間Δt內，通過大小為I的電流波輸送過來的。因此，

C0ΔxE=IΔt

(1)

另一方面，導線總電感為L0Δx，在Δt內，大小為i的電流波在導線周圍建立起磁鏈。因此，導線感應電動勢為

(2)

由式(1)和式(2)可得，波阻抗為

(3)

由于對架空線路，有

L0=μ0ln(2h/r)/(2π)

(4)

C0=2πε0/ln(2h/r)

(5)

式中：

μ0——空氣的導磁系數；

ε0——空氣的介電系數；

h——導線的對地高度；

r——導線半徑。

因此，Z與線路長度無關。

令x為線路首端到線路計算點X的距離。則導線可看作由無數段長為dx的微型線路單元電路串聯而成。每段長為dx的線路電感為L0dx，電容為C0dx。

(6)

根據回路電壓方程ΣU=0可知，線路電壓為

(7)

整理得

(8)

變換得：x2-x1=v(t2-t1)

由于v恒大于0，且t2>t1，則(x2-x1)>0，由此可見，Uf為前行電壓波，Ub為反行電壓波；同理可得，If為前行電流波，Ib為反行電流波，故t時刻在x點的電流I及電壓U為

(9)

(10)

經上述分析可知，線路中傳播的任意波形電壓和電流均由前行波和反行波組成。當前行波和反行波在線路中相遇時，電壓波和電流波的值符合疊加定理。

2.2 避雷器保護范圍分析

與理想模型相比，實際的地鐵接觸網系統導線是有限長導線，且具有線路電阻和對地電導，故波在線路傳播時會有一定程度的衰減。但不影響以下結論：

由于本文實證數據選用時間序列，故需要進行平穩性檢驗。采用ADF檢驗方法對各變量進行單位根檢驗，結果如表2所示：原序列中只有變量IS不存在單位根，即為平穩序列。而一階差分序列中，所有變量都不存在單位根，所以各時間序列在一階差分的情況下都具有平穩性。

(1)Z表示向同一方向傳播的電壓波和電流波之間比值的大小，其數值與線路長度無關。

(2) 雷電波是1個時間與位置的函數，當雷電波入侵線路時總是由電源(雷擊點)的近端向遠端進行傳播。

圖2為接觸網雷擊的示意圖。如圖2所示，當雷電入侵接觸網線路瞬間，產生的電壓波和電流波由雷電侵入點向線路兩端進行傳播，由于Z的存在，在線路上形成較高的雷電過電壓。同時，由于雷電入侵線路時電壓波和電流波總是由線路雷電侵入點的近端向遠端進行傳播，故距離雷擊點近的接觸網絕緣元件兩端先產生過電壓；經過時間t的傳播后，在距離雷擊點遠的接觸網絕緣元件兩端產生過電壓。

圖2 接觸網雷擊示意圖

如圖3所示，圖3 a)為間隙的沖擊絕緣特性曲線，也稱間隙伏秒特性曲線。該間隙可理解為接觸網絕緣子兩端金具間的空氣間隙。圖3 b)表示電壓波在線路上的運動情況。在t=0時，電壓波暫未傳播至柱3處，柱1處的電壓已達UJ，絕緣子發生擊穿。當t=t2時電壓波傳播至柱3處，且柱3處的電壓已達UJ。可見，柱1處絕緣子兩端過電壓在t1時就滿足了接觸網絕緣擊穿條件，接觸網釋放雷電能量。此時柱3處的避雷器并未對柱1處絕緣子形成有效的防護。

下面以高架段接觸網為例，對避雷器距雷電侵入點的距離、雷電流強度、陡度等條件進行推算。雷擊簡化模型如圖4所示。模型中，導線高度為5 m，導線半徑為8 mm，跨距為30 m，避雷器最大沖擊耐受壓100 kV，避雷器放電電壓為0 V，避雷器安裝點距離雷電入侵點的距離為30 m，雷電波在導線內的傳播速度為3×108m/s，則可得Z≈428 Ω，取絕緣子雷電全波沖擊耐受電壓最小值(100 kV)為絕緣子雷電擊穿電壓，由Z=u/i得，對應雷電流為0.23 kA。

由于雷電波由雷擊點傳播至避雷器所需時間為10-7s。故雷電侵入接觸網系統10-7s時，雷電流達到0.23 kA，即雷電流即將傳播至避雷器時，柱1處絕緣子已發生雷擊閃絡。則電流波陡度需達到：

a) 間隙的沖擊絕緣特性曲線

b) 線路上電壓波運動示意圖

a=2.3 kA/μs

根據雷電流沖擊波頭陡度出現概率的經驗公式(lgpa=-a/36)可得，雷電流陡度超過2.3 kA/μs的概率p=86.34%。

圖4 雷擊簡化模型示意圖

可見，當支柱出現雷電入侵時，即使相鄰支柱設有避雷器，超過86.34%的直擊雷也都會在避雷器動作前導致接觸網絕緣擊穿。

因此，當雷電直接侵入地鐵接觸網時，距離雷擊點最近的接觸網絕緣子會率先發生閃絡擊穿。在接觸網系統中，避雷器僅能限制同一支柱絕緣子兩端的電壓，而不能對其它絕緣子進行有效防護。

3 結語

根據深圳地鐵運行經驗，在雷電侵入露天段接觸網系統時，由于地鐵接觸網絕緣子的絕緣等級較低，即使相鄰支柱裝設有避雷器，接觸網絕緣子也存在雷擊閃絡的情況，即地鐵接觸網避雷器不存在有效防護范圍，其僅能保護安裝處的接觸網絕緣子不發生擊穿閃絡。

地鐵對于露天段接觸網現我國除在極少線路進行過專項防雷設計外，一般都是參照GB 50157—2013《地鐵設計規范》，在露天段按200 m間隔設置避雷器。但實際情況表明，這不能有效解決接觸網防雷問題。為此，結合深圳地鐵的運營經驗，對接觸網系統的雷電防護提出以下幾點建議：

(1) 接觸網的防雷設計應因地制宜。應充分考慮線路經過地區雷電活動的強弱、地形地貌的特點、土壤電阻率的高低及沿線建筑物等條件，根據技術經濟比較的結果，制定合理的保護方案。

(2) 架空地線兼作避雷線。合理設計架空地線安裝位置，使其兼備避雷線功能，防止雷電直擊導線。同時，對雷電流進行分流，以減小桿塔的雷電流，使反擊電位下降；對導線有耦合作用，降低導線上的過電壓。

(3) 采用不平衡策略。由于架空接觸網系統里各類線索均帶有較大張力，一旦下錨等位置絕緣子擊穿炸裂，將造成嚴重的塌網事件。為此，應采取不平衡策略，加強關鍵部位的絕緣強度。

(4) 使用串聯間隙避雷器。串聯間隙避雷器除具有限制過電壓功能外，還具備結構簡單、便于安裝檢修、成本低、本身故障率較低、避雷器本體預防性試驗周期長、對接地電阻要求低等諸多優點，可廣泛使用。

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[2] 吳廣寧，張冠軍，劉剛. 高電壓技術[M].北京: 機械工業出版社，2007.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國家質量監督檢驗檢疫總局.地鐵設計規范：GB 50157—2013[S].北京：中國建筑工業出版社，2013.

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