地鐵接觸網避雷器保護范圍的研究

劉云

【摘 要】 結合某市地鐵運營實踐，分析了接觸網電壓波的運動特性，并建立了接觸網雷擊的簡化分析模型。通過理論分析發現，當雷電直接侵入接觸網時，距雷擊點最近的絕緣子會率先發生閃絡擊穿，避雷器僅能限制同一支柱絕緣子兩端的電壓，而不能對其他緣緣子形成有效保護。建議接觸網防雷設計應因地制宜，架空地線宜兼作避雷線，采用不平衡絕緣策略，使用串聯間隙避雷器。

【關鍵詞】 地鐵接觸網 避雷器 保護范圍

1避雷器防護范圍

1.1 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。

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，

（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

（4）

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。

1.2 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：（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。

如圖3所示，圖3a）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3b）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。

a）間隙的沖擊絕緣特性曲線b）線路上電壓波運動示意圖

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5m，導線半徑為8mm，跨距為30m，避雷器最大沖擊耐受壓100kV，避雷器放電電壓為0V，避雷器安裝點距離雷電入侵點的距離為30m，雷電波在導線內的傳播速度為3×108 m/s，則可得Z≈428Ω，取絕緣子雷電全波沖擊耐受電壓最小值（100kV）為絕緣子雷電擊穿電壓，由Z=u/i得，對應雷電流為0.23kA。

由于雷電波由雷擊點傳播至避雷器所需時間為10-7 s。故雷電侵入接觸網系統10-7 s時，雷電流達到0.23kA，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：

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

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。

結束語

結合地鐵的運營經驗，對接觸網系統的雷電防護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；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。

【參考文獻】

[1] 魏光耀.地鐵牽引供電系統建模與仿真[D].西南交通大學，2017.