地鐵高壓供電系統的防雷保護研究

摘 要：在地鐵交通系統中，高壓供電網絡是確保列車安全、高效運行的關鍵。然而，這一系統常常暴露于自然環境中，面臨著雷電等極端天氣條件的嚴峻考驗。雷電不僅可能造成設備損壞，還可能引發供電中斷，嚴重影響地鐵的正常運營。因此，對地鐵高壓供電系統的防雷保護研究顯得尤為重要。本研究旨在深入分析雷電對地鐵高壓供電系統的影響。結合高架橋段地鐵接觸軌線路的實際參數的具體案例進行分析，探討接觸軌高架線路中常見的雷擊類型，建立相關線路模型結構進行仿真分析，找出對提高接觸軌耐雷性能影響較為顯著的關鍵因素，確保地鐵交通的連續性和乘客的安全。

關鍵詞：地鐵 高壓供電 接觸軌 避雷器 防雷

1 緒論

我國經濟的快速發展和城鎮化進程的加快，導致了城市交通壓力的不斷增加。在這種背景下，城市軌道交通憑借其較高的載客量、較快的運行速度和較低的環境污染，不失為一種很好的解決方案。這一趨勢在一定程度上推動了地鐵系統的快速發展，成為各大城市交通發展的重要方向[1]。自從中華人民共和國的首條城軌（首都軌道交通1號線）通車至今，截至 2024 年底，中國大陸地區共有58個城市開通城市軌道交通運營線路 361 條，運營里程12160.77 公里。其中，地鐵運營線路9306.09 公里，占比76.53%；其他制式城軌交通運營線路2854.69公里，占比 23.47%。當年運營里程凈增長 936.23 公里。國內軌道交通的供電系統方法一般分為觸及網供電系統和觸及軌供電系統。通過分析雷電過電壓的物理過程，研究不同雷擊類型下過電壓的分布規律及其雷擊閃絡特性，對于現實中的工程項目建設和應用具有指導意義。

2 國內外研究現狀

2.1 地鐵雷擊特性及雷電防護的研究現狀

當前，關于地鐵雷擊特性及雷電防護的研究主要集中在雷擊的物理過程、雷電過電壓的分布規律以及如何提高地鐵系統的雷電耐受性方面。研究表明，雷電引發的感應過電壓是造成地鐵設備損壞的主要原因，尤其是高架軌道段易受到雷電影響。為此，學者們提出了多種防護策略，如在接觸軌及弱電設備中安裝避雷裝置、采用接地技術減少雷電能量的傳播等。同時，基于雷電仿真模型的研究也逐漸成熟，能夠模擬不同雷擊條件下的電氣響應，預測雷擊對地鐵設備的影響。目前，盡管雷電防護技術不斷進步，但如何在提高防護效率的同時，降低成本與維護難度，仍然是未來研究的重要方向。

2.2 地鐵接地系統雷擊暫態特性研究現狀

近年來，關于地鐵接地系統雷擊暫態特性的研究逐漸受到關注。研究主要集中在雷擊時接地系統的電氣響應、暫態過電壓的傳播特性及其對設備的影響。通過建立雷擊暫態仿真模型，學者們能夠分析不同雷擊條件下接地系統的電流分布、過電壓幅度以及系統的保護效果。研究發現，接地系統的設計對雷擊暫態響應具有重要影響，尤其是接地電阻、接地網的配置及接地線的布置方式。通過優化接地系統，能夠有效降低雷電能量的傳播，減輕對設備的損害。此外，部分研究還提出了多層次防護方案，如組合使用接地、避雷及過電壓保護設備，以提高系統的抗雷擊能力。盡管相關技術不斷進步，但如何在實際應用中平衡成本、效能和維護依然是當前研究中的一個挑戰。

3 接觸軌線路雷擊特性研究

3.1 接觸軌線路雷擊類型及對供電系統的影響

3.1.1 接觸軌雷擊類型

接觸軌類型的地鐵的電流控制系統是進行單方向的供電設備控制系統，如果在遭遇雷擊的情況下很容易發生供電系統的損壞。接觸軌類型的地鐵的電壓主要分為感應和直擊過電壓兩種類型。在接觸軌線遭遇雷擊的情況下，對于高架橋或地鐵線路而言，通常采用第二類防雷接地系統。在進行避雷帶大小范圍確定的時候，根據滾球算法能夠大致計算出來半徑大小為45米，由此可以大致計算出來防雷擊的對應的范圍，那么對于防雷的措施制定具有重要的現實意義。

3.1.2 雷擊對接觸軌供電系統的影響

分析表明，在高架橋的觸軌系統中發生雷擊后，雷擊避水帶或旅客列車正常運行的概率較大。而在雷擊避水帶中，較大雷流可以采用感知或打擊的方式引起絕緣隔離支架/絕緣子閃絡，從而造成其絕緣隔離性受損，旅客列車缺電；而觸及軌與連接扁銅則由絕緣隔離支撐保護，但如果絕緣隔離支撐閃絡，極易引起觸軌與連接扁銅短路，使軌道交通線路跳躍，從而造成供電中斷。而雷擊列車運行除去可以采用感知或打擊的方式引起絕緣隔離支撐閃絡外，也可以引起旅客列車電磁閥的啟動，從而造成車站電氣設備受損。

3.2 接觸軌線路模型的搭建

選擇以廣州的某一條城市軌道交通線路為具體案例進行分析，繪制出來該線路的高價區段的接觸軌的線路的結構示意圖，如圖1所示。圖1中交流軌道為a，接地扁銅為b，接觸鋼軌為c，接地連接鋼筋為d，豎向聯接引下線為e，橋墩連接端子為f。接地端的連接線是防止雷擊直接于打的連接，其中的電氣連接是通過橋端的避水帶的橫向連接的鋼筋進行連接的，實現電氣的通斷，接地扁銅設置在絕緣支撐鋼板底座上進行固定。地鐵采用的是直流供電系統，在供電和雷擊的過程中會產生大量的電熱流對軌道造成損壞，為排除這種損壞在混凝土軌道床下設置排流網。

3.3 雷擊避雷帶時雷擊特性分析

3.3.1 雷擊避雷帶時電壓分布

如果接觸軌沒有車輛通過的時候，直擊雷不會對軌道造成直擊，而是作用于避水帶。本案例研究雷擊避雷帶時各導線的電流分布情況，使用CDEGS軟件進行模擬仿真。水泥的最大擊穿電流一般在8-12kV/cm，而水泥的最大擊穿電流則與溫濕度直接相關，本文取水泥的最大擊穿電流為10kV/cm。綜合考慮雷擊主要發生在接地或引下線的位置，假設雷流幅值介于10kA到140kA之間，通過計算各導線間的電位差分布。

3.3.2 雷擊避雷帶時接觸軌擊穿情況分析

通過對各導體電位差分布情況分析可知，當雷電流幅值超過38kV，絕緣支撐兩端的電壓相差就超過125kV，此時盡管絕緣支撐閃絡了，但與其他導線的電流差并沒有超過臨界擊穿值。這主要是由于交流軌和避水帶并列架設，當雷擊避水帶通過時，在交流軌上形成了較高等感應過電壓，并由此導致了絕緣隔離模板的閃絡。

當雷電流幅值超過98kV，雷擊產生的電流會通過避水帶與梁面鋼筋共享接地引下線流入梁面鋼筋。由于此種原因導致鋼筋混凝土層受到更強的反射電流影響，并被穿透。隨著雷電流溫度的升高，當雷電流幅值超過125kA時，鋼軌混凝土層處的排流網將無法承受巨大的過載，那么雷擊產生的電流將流向絕緣支架底座加速絕緣支架的老化過程。

4 避雷器對接觸軌耐雷水平的影響

4.1 基于ATP-EMTP接觸軌模型建立及避雷器防雷原理分析

4.1.1 基于接觸軌模型的建立

高架橋翼上設置了避雷帶，每200米通過橋墩的接槎端子與避雷帶連接。高架橋墩的柱跨距為40米，橋墩寬度為8米，并將該橋作為自然連接體進行模擬。建立基于ATP-EMTP接觸軌線路模型，如圖2所示。

4.1.2 避雷器防護原理

在ATP-EMTP中，避雷器通過非線性電阻特性防護接觸軌線路過電壓。正常時呈高阻態，不影響運行；過電壓時轉為低阻態，泄放能量并鉗制電壓，保護設備絕緣。模型采用IEEE或Pinceti等非線性電阻元件，仿真驗證其快速響應和防護效果，確保系統安全。標準避雷器模型采用IEEE 3.4.11頻率模式，通過非線性電阻特性模擬避雷器動態響應。該模型考慮了頻率對避雷器伏安特性的影響，能更精確地反映高頻過電壓下的性能。在過電壓時，模型快速轉為低阻態，泄放能量并鉗制電壓；正常電壓下恢復高阻態，確保系統穩定運行，適用于雷電和操作過電壓的仿真分析。

4.2 金屬氧化物避雷器對接觸軌耐雷水平的影響

4.2.1 接地電阻對接觸軌耐雷水平的影響

先設定避水帶的連接間距為200m，在調整避水帶雷擊點距離后，將避水帶二接點的中間位置處作為雷擊點1，從中心點向左側每隔20米選定一個雷擊地點，共計六個雷擊點。通過分析在這些不同雷擊點下，接觸電流的變化對接觸軌耐雷能力的影響，結果如圖3所示。

從圖中數據分析可知，連接阻力對接觸軌耐雷能力的負面影響較小的點在20、40、60、80米處的位置；雷擊點和接地點的距離為0的時候，連接阻力對接觸軌耐雷能力的負面影響增大。因為直擊雷點距接地方間距較遠，受大橋自身阻力影響程度也較連接阻力要大，所以連接阻力改變后對交流軌道耐雷水準的負面影響并不突出；在直擊雷接地方后，由于雷流大多數直接通過高架橋墩柱進入地面，這有助于提升交流軌道的整體耐雷強度。

4.2.2 安裝金屬氧化物避雷器對接觸軌耐雷水平的影響

基于ATP-EMTP建立接觸軌模型并安裝金屬氧化物避雷器（MOA）后，仿真分析表明MOA顯著提升了接觸軌的耐雷水平。MOA通過其非線性特性，在雷擊過電壓時迅速動作，將接觸軌上的過電壓峰值限制在安全范圍內，避免了絕緣擊穿和設備損壞。仿真結果顯示，未安裝MOA時，接觸軌在雷擊下可能產生極高的過電壓，威脅系統安全；而安裝MOA后，過電壓幅值大幅降低，且雷電波的陡度得到有效抑制。此外，MOA的能量吸收能力確保了其在多次雷擊下的可靠性。通過對比安裝前后的電壓波形和能量分布，驗證了MOA對接觸軌防雷效果的顯著提升，為接觸軌系統的防雷設計提供了重要依據。

4.2.3 金屬氧化物避雷器安裝密度對接觸軌耐性能的影響

采用6種不同方式的布置避雷裝置，距離布置分別為從中間間隔一個橋墩到間隔六個橋墩進行設置，與不同的地鐵接觸軌進行接觸。利用得到的數據研究軌道線路耐雷能力與橋墩連接電阻變化的關系。通過仿真得到關系曲線如圖4所示。

對數據進行分析可知，接觸軌的耐雷強度在同一橋墩相同的電阻值下受到不同金屬氧化物避雷器布置密度的影響，布置密度越大，抗雷能力也越大。最主要的原因是金屬氧化物避雷器能夠將雷擊產生的電流通過接地而進行轉移，不至于存留在接觸軌的整個架構上，導致接觸軌的損壞，提升了接觸軌的抗雷性。

4.3 防雷效果分析

通過建立結構示意圖，設置對應的點位，采集數據進行仿真分析可知，接觸軌道的耐雷能力與金屬氧化物避雷器安裝與否有很大的關系，安裝金屬氧化物避雷器能夠對雷擊產生的電流進行導流的作用，可以提升接觸軌的耐雷能力，避雷器安裝的密度在一定的范圍內越密，那么接觸軌的耐雷能力越強。

5 結論

本文首先對我國的城市軌道交通的發展及有關軌道交通的供電方式進行簡要的論述，分析了國內外有關地鐵雷擊特性及雷電防護的研究現狀和地鐵接地系統雷擊暫態特性研究現狀。從接觸軌線路雷擊類型及對供電系統的影響、接觸軌線路模型的搭建和雷擊避雷帶時雷擊特性分析這三大方面對接觸軌線路雷擊特性這三大方面進行研究。建立基于ATP-EMTP接觸軌線路模型，分析金屬氧化物避雷器對接觸軌耐雷水平的影響，得出接觸軌道的耐雷能力與金屬氧化物避雷器很大的關系，在一定密度值域內的避雷器安裝可以有效地提升接觸軌道的耐雷能力。

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