城市轨道接触网系统防雷措施浅析

艾东兵

0 引言

为节约工程投资，城市轨道交通越来越多地采用地面和高架线路，因而发生多起接触网雷击事故，造成设备损毁甚至导致列车停运。深圳地铁5号线3.9 km 的高架段线路，自2011年6月28日开通试运营至当年9月19日，短短2 个多月的时间内，发生2 次雷击跳闸事故，并造成部分设备损坏。接触网雷害防护成为急需解决的问题。

本文以深圳地铁罗宝线柔性架空接触网系统为例，通过理论分析、模拟计算和运营实际需求分析，提出了针对该线路的接触网防雷改进方案，并进行完善，起到了良好的防雷效果。

1 罗宝线接触网系统简介

深圳地铁罗宝线全长40.89 km，其中高架段3.49 km，接触网采用架空柔性悬挂，接触悬挂安装示意图如图1所示。高架段接触网沿线架设架空地线，且架空地线通过金属抱箍与接触网下锚底座、支持装置等共支柱安装，架空地线在两侧车站直接引至牵引变电所的接地母排上，同时在区间每200 m 通过地电位均衡器连接地极；接触网各类绝缘子接地端的金属底座、开关底座、腕臂底座等均

与架空地线可靠连接；在高架桥梁设计中，接触网支柱没有有效接地；高架桥接触网每隔200 m 设避雷器，并将桥墩内部钢筋网作为其接地体，接地电阻小于5 Ω。

图1 罗宝线接触悬挂安装示意图

2 防雷分析及实施方案

2.1 避雷器与架空地线共接地极

对于雷击接触网线路，形成过电压危害的情况概括起来可以划分为3 种：

（1）雷击接触网附近的地面，在接触网上引起感应过电压。

（2）雷直接击于接触网导线（或腕臂），在接触网上产生过电压。

（3）雷击接触网支柱（或架空地线），在支柱顶端产生冲击过电压，造成接触网绝缘子的反击。

本节主要讨论避雷器接地极与架空地线接地极不同安装位置对接触网防雷效果的影响。在下文中，选取雷电直击接触网导线的情况进行分析（其他雷击情况分析方法类似）。根据彼德逊法则，可将雷电直击接触网导线的作用简化为集中参数电路，如图2所示。

图2 接触网雷电作用的等值电路（雷击导线）图

目前，国内城市轨道交通接触网系统主要采用DC 1500 V 或DC 750 V 两级电压进行供电，列车取流较大，考虑架空地线与接触网导线平行架设，为避免感应电流及绝缘子泄露电流形成的杂散电流，对地铁沿线建筑物或设备造成电腐蚀，根据《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》的要求，架空地线不能直接接地，需采用地电位均衡器将架空地线与接地极分开，但考虑地电位均衡器的导通电压较低，且导通后两端残压较小，因此，在图2中忽略了地电位均衡器的影响。

假设避雷器和地电位均衡器的放电响应时间为零，即作用于避雷器和地电位均衡器的电压达到其放电电压后立即导通。

当避雷器单独接地，雷电直接击中接触网导线时，雷电流沿接触网导线向远处传播，同时通过避雷器和接地电阻入地，此时接触网雷电作用的等值电路如图2a所示，接触网绝缘子两端的电压差为

式中，ures(t)为避雷器残压；ug(t)为接地极冲击电压。

当避雷器与架空地线共接地极，雷电直接击中接触网导线时，雷电流沿接触网导线向远处传播，同时通过避雷器和接地电阻入地。另外，由于避雷器与架空地线共接地极，雷电流通过避雷器后，沿地电位均衡器、架空地线和远方架空地线接地极入地，此时接触网雷电作用的等值电路如图2b所示，接触网绝缘子两端的电压差为

通过式（1）和式（2）可知，当避雷器与架空地线共接地极时，雷电过电压在接触网绝缘子两端产生的电压差仅为避雷器残压，但当避雷器单独接地时，雷电过电压在接触网绝缘子两端产生的电压差为避雷器残压与接地电阻冲击电压之和。考虑接触网避雷器在选型时的绝缘配合设计，即Ures≤BIL/K，BIL 为被保护设备的雷电冲击耐受电压，K 为配合因数，国际电工委员会规定K≥1.2，因此，当避雷器与架空地线共接地极时，不会发生绝缘击穿。其次，由图1a和图1b对比可知：当避雷器与架空地线共接地极时，雷电流通过避雷器后，除通过接地极泄流外，还沿地电位均衡器、架空地线和远方架空地线接地极入地，增加了泄流通道；当雷电参数和雷击点相同时，i1(t)＜i2(t)，即有利于雷电流快速泄流，降低接触网导线电压。

通过上述分析可知，避雷器和架空地线共接地极在雷电流作用时，能有效钳制绝缘子两端电压小于或等于避雷器残压，同时增加雷电流的泄流通道，有利于提高接触网系统的耐雷水平。避雷器与架空地线共接地极的示意图如图3所示。

2.2 接触网下锚处采用不平衡绝缘

根据架空接触网安装形式，雷电过电压会造成区间接触网腕臂绝缘子、下锚绝缘子及馈线绝缘子等绝缘部位的绝缘击穿，最终造成接触网线路失压，影响供电可靠性。其中，又以雷击接触网下锚处，造成下锚绝缘子击穿、补偿绳断裂或绝缘子爆裂影响最为严重。以深圳地铁2007年12月2日竹子林车辆段试车线1 号支柱补偿绳断裂为例，该次事故造成了试车线多处绝缘子、防风支撑管、调整螺栓、吊弦、电连接损坏、接触线硬弯、扭面和烧伤、线岔参数变化等，由于设备损坏较多，恢复难度较大，所需时间较长，因此，在接触网关键部位采用不平衡绝缘是非常必要的。

图3 避雷器与架空地线共接地极的示意图

根据接触网设备的安装形式，接触网下锚装置都与腕臂同支柱架设，采用不平衡绝缘的方法，加强下锚支接触网的绝缘等级。图4表示接触网不同绝缘等级时击穿场强与电压作用时间的关系。

当接触网遭受雷电流入侵时，在t1时刻，雷电压升至u1，因为u1

（1）增加了雷电流分流通道，使雷电流能更快地释放，降低了接触网导线电压。

（2）由于腕臂绝缘子击穿后，需通过架空地线和架空地线接地极进行能量释放，受架空地线和接地极的钳制作用，支柱侧电位升高，进而使接触网下锚绝缘子两端电压差进一步降低。

（3）由于导通支接触网导线对下锚支接触网导线的耦合作用，提高了下锚支的耐雷水平。

图4 绝缘子击穿场强与电压作用时间的关系图

通过上述分析，采用不平衡绝缘，加强下锚处的绝缘强度，能有效提高接触网下锚处绝缘子的耐雷水平，有利于减少因雷击造成的事故影响范围。为此，罗宝线接触网在下锚处串联了2 个下锚绝缘子，方案如图5所示。

图5 下锚处采用不平衡绝缘的方案示意图

2.3 减小架空地线接地极间距

图6 雷击支柱或架空地线时电位分布曲线图

根据上文中罗宝线接触网系统简介可知，接触网支柱均未直接接地，而是通过架空地线每200 m进行一处接地，通过模拟计算可知：当雷电击中接触网支柱或架空地线时，支柱不接地时反击电位不消减，容易造成雷击点附近多个绝缘子击穿，增加事故范围，只有当支柱接地时，反击电位才会得到有效降低，减小反击事故的发生概率。图6是支柱或架空地线遭雷击时电位分布曲线。 考虑每根支柱都直接接地，为防止杂散电流的影响，就必须在每个接地极处设置地电位均衡器，由此带来的巨大投资和日后繁重的检修任务量是防雷整改中必须考虑的问题，因此，针对接地极间距设置的问题，综合考虑深圳年雷暴日大于90 d，属雷电活动特别强烈地区的实际情况，将架空地线接地极间距由200 m 缩短为100 m，通过模拟计算，表明减小接地极间距对接触网系统防雷有所改善，其模拟计算结果如图7所示。

图7 空地线时不同接地极间距的电位分布曲线图

3 结论

针对沿线安装有架空地线的城市轨道接触网系统，可结合实际运营需求，充分考虑设备维修、故障恢复、气象条件及经济性等因素，有区别、有针对性地进行防雷方案的设计，能切实改善和提高接触网系统的防雷水平。通过理论分析和模拟计算，提出以下建议：

（1）接触网避雷器应与架空地线共接地极，能有效降低绝缘子两端电压差，减少绝缘子击穿概率。

（2）针对接触网系统下锚等关键部位，宜采用不平衡的绝缘方式，减小事故影响。

（3）适当缩短接地极间距，能有效降低雷电反击事故的发生概率。

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