地铁架空地线的防雷接地方案研究

赵海军，陈维江，沈海滨，王立天，尹 彬

地铁架空地线的防雷接地方案研究

赵海军，陈维江，沈海滨，王立天，尹 彬

本文基于阻碍钢支柱与桥梁钢筋间形成杂散电流通道但提供雷电流泄放通道的方法，对架空地线的防雷接地方案进行了研究，提出架空地线防雷接地方案选用原则，分析既有接地方案的不足，提出采用雷电冲击接地器接地的新方案。完成了雷电冲击接地器样品试制并在工程中试用，建议在今后地铁工程高架桥架空地线防雷接地设计时选用。

地铁；架空地线；防雷；接地；雷电冲击接地器

1 研究背景

在地铁牵引供电系统中，架空接触网通常都设置架空地线，目的是建立短路电流回路，起到短路保护的作用。当地铁采用架空地线兼做雷电防护作用时，架空地线应可靠接地，使雷电流就近泄入大地以减少雷电过电压作用范围。但从杂散电流防护角度却要求架空地线不能直接接地。这是因为地铁供电系统是以架空接触网为正极、机车走行的钢轨为负极的不直接接地系统。受实际运营环境（道床表面脏污、导电粉尘覆盖或积水等）、工程经济性及其他一些条件的限制，钢轨不可能完全绝缘于道床结构，也就不可避免地要向道床及桥梁钢筋泄漏电流（即杂散电流）。为了避免杂散电流泄漏入地对系统以外设施形成电流腐蚀，地铁工程要求高架桥桥梁和敷设钢轨的道床可靠连接并与大地电气隔离，构成杂散电流收集网，杂散电流经引线汇集至牵引变电所集中收集。由于接触网安装用的钢支柱与桥梁钢筋是可靠连接的，如果架空地线直接接地，则杂散电流将通过钢柱、架空地线、接地极泄漏，造成杂散电流就近入地。

解决这一问题，可以从“封堵”和“疏导”两方面寻求解决办法。“封堵”方法指阻碍钢支柱与桥梁钢筋间形成泄漏电流通道，实施中需要钢支柱与桥梁之间电气隔离，但钢支柱与桥梁之间需要存在较大的机械作用力，目前工程中还没有经济合理的技术手段能够实现两者之间的电气隔离，并且钢支柱与桥梁需要耐受的雷电过电压很高，绝缘配置也不易实现。“疏导”方法指区别对待泄漏电流和雷电流，阻碍钢支柱与桥梁钢筋间形成泄漏电流通道但提供雷电流泄放通道，采用“疏导”方法解决架空地线防雷要求接地与杂散电流防护不能接地的矛盾较为可行。

本文针对架空地线的防雷接地方案开展研究，基于“疏导”方法提出架空地线防雷接地方案选用原则，分析既有接地方案的不足，确定防雷接地装置主要技术参数，完成样品试制并在工程中试用。

2 接地方案应满足的技术条件

从“疏导”角度，架空地线的防雷接地方案应阻碍形成泄漏电流通道但提供雷电流泄放通道，即应满足杂散电流防护和防雷接地的要求。但采取的方案应避免对地铁牵引供电系统产生影响，不能改变架空地线的短路保护功能及系统参数配置。另外接地方案应适合工程应用。故地铁架空地线的防雷接地工程应用方案应满足以下4个技术条件：

（1）在不发生雷击时，架空地线与接地极之间须电气隔离，满足杂散电流防护要求。

（2）在雷击发生时，架空地线与接地极须导通，使雷电流就近尽快泄入大地。

（3）不应改变接触网系统电气回路模型，不影响系统短路保护参数配置。

（4）接地装置应运行安全、动作可靠，尽量减少维修及更换次数，降低运营维护成本。

3 既有方案存在的问题分析

目前，国内地铁工程中架空地线防雷接地主要采用了放电间隙接地和电位均衡装置接地2种方案，但两者都不能同时满足上述4个技术条件要求，存在应用缺陷。下面对既有接地方案存在的问题分别进行分析。

3.1 放电间隙接地

放电间隙结构如图1所示，由2个角形电极与串联空气间隙构成，一端电极与架空地线相连，另一端电极通过接地引下线接至接地极。电极间空气间隙距离约3～5 mm，其标称放电电压（1.2/50 μs）为2.0 kV，标称放电（8/20 μs）电流为20 kA。

图1 放电间隙结构及工程应用实例图

不发生雷击时，由于空气间隙的隔离能阻止杂散电流通过放电间隙泄漏，满足了杂散电流防护的要求；在雷击发生时，雷电过电压作用下放电间隙迅速击穿，雷电流可通过放电间隙泄入大地，满足防雷接地要求。放电间隙满足技术条件（1）和（2）。接触网最高系统运行电压为1.8 kV，当接触网发生接地短路故障而接触网未遭受雷击时，2.0 kV的标称放电电压保证了放电间隙不击穿动作。当雷击诱发接触网接地短路，雷电流流过后，系统短路电流也会流过放电间隙通道，改变了接触网的电气回路模型，不满足条件（3）。地铁接触网的绝缘配置水平很低，仅与电力系统10 kV线路绝缘水平相当，且绝大多数架设在高架桥上，雷击造成的接触网绝缘闪络进而系统接地短路的概率很大，根据文献[8]，在40个雷暴日下，每100 km线路每年发生的绝缘子雷击闪络次数高达60次。短路电流会烧蚀角形电极，在潮湿环境下容易发生锈蚀。由于电极间空气间隙很小，工程中出现了锈蚀物导致空气间隙值缩小、标称放电电压降低的情况。如不能及时更换会造成空气间隙最终失效。所以采用放电间隙时运营维护量很大，不满足条件（4）。目前国内新建工程已少有采用放电间隙接地方案。

3.2 电位均衡装置接地

近年来，部分地铁工程采用了一种电位均衡装置接地。该装置主要构件是一个气体放电管，标称直流击穿电压为350 V。当承受电压不大于350 V时其呈现高阻状态，绝缘电阻达到1 GΩ以上；当承受电压大于350 V时其呈现导通状态，自身最大电压降不大于20 V。工程中将其一端与钢支柱连接，另一端通过引下线接至接地极（图2）。

图2 电位均衡装置工程应用实例图

正常工况下，钢轨对地电压不高于120 V，电位均衡装置承受电压也不会大于120 V，呈现高阻状态；当雷电发生时，电位均衡装置承受电压远大于350 V，击穿导通将雷电流泄入大地。该方案满足条件（1）和（2），但与放电间隙一样，不能满足条件（3）和（4）。这是因为电位均衡装置动作电压比放电间隙更低，当雷击导致接触网短路时，会分流短路电流；即使不发生雷击，接触网自身短路过电压也可能造成电位均衡装置导通，因此该方案不满足条件（3）。除此以外，该装置自身通流能力有限并且没有限流措施，在雷电流和短路电流的冲击作用下，寿命周期很短，天津和南京等工程实践显示，电位均衡装置损坏率高、更换频繁，运营维护成本较高，因此也不符合条件（4）的要求。

4 采用雷电冲击接地器接地方案的研究

通过分析既有接地方案存在的缺陷可以看出，架空地线的防雷接地方案应重点从避免对接触网系统电气回路产生影响和延长装置使用寿命两方面采取措施。为此，本文研究新的接地方案，提出了一种地铁架空地线防雷接地专用雷电冲击接地器装置，并展开了样品研制工作。

雷电冲击接地器由气体放电管和金属氧化物电阻片串联组成，二者均密闭在绝缘套筒内。

雷电冲击接地器一端与接触网钢支柱连接，另一端与接地极连接。其工作原理：正常工况及接触网短路情况下，由于气体放电管和氧化锌电阻片的隔离，雷电冲击接地器处于高阻状态，避免杂散电流泄漏和短路电流分流；当雷击发生时，气体放电管和氧化锌电阻片导通，雷电冲击接地器立即变为低阻状态，雷电流泄放；雷击发生后加在雷电冲击接地器两端的电压降低，其重新恢复高阻状态。设计成型的雷电冲击接地器的技术参数详见表1。

雷电冲击接地器接地方案能够满足架空地线防雷接地要求的4个技术条件：该装置放电电压大于2.0 kV，在杂散电流作用下呈阻断状态，雷电冲击放电电压不大于3.0 kV，保证绝大多数雷电流能泄入大地，因此满足条件（1）和（2）；在接触网非雷击短路时，最高系统电压小于2.0 kV，该装置呈阻断状态；发生雷击接触网短路时，在雷电作用下气体放电管动作，金属氧化物电阻片在雷电过电压作用下对雷电流呈导通状态，雷电流过后迅速恢复高阻状态，对接触网短路电流形成阻断，因此不影响接触网电气回路，满足条件（3）；当不发生雷击时，金属氧化物电阻片因气体放电管隔离几乎不承担系统电压，只有在雷电击穿气体放电管后电阻片才动作，整体寿命长，可免维护。另外，气体放电管放电电压稳定，装置满足条件（4）。

雷电冲击接地器样品通过了电力工业电气设备质量检验测试中心（北京）的各项委托试验检验。委托试验项目和结果详见表1。

表1 雷电冲击接地器委托试验项目及试验结果汇总表

2014年6月雷雨季节来临之前，在天津津滨轻轨工程共完成6只样品的安装。截止到2014年11月，根据该工程运营维护单位反馈意见，经过一个雷雨季节的考验，雷电冲击接地器运行状况良好。

5 结论与建议

当地铁采用架空地线兼做雷电防护作用时，架空地线的防雷接地与杂散电流防护之间的矛盾是一个工程难题。 本文基于“疏导”方法，对架空地线的防雷接地方案进行了研究，得出如下结论与建议：

（1）当接地方案满足本文提出的4个技术条件时就能完全解决架空地线防雷接地与杂散电流防护之间的矛盾，并且适于工程应用，建议在今后地铁工程中按此要求开展防雷接地设计。

（2）架空地线采用由气体放电管和金属氧化物电阻片串联构成的雷电冲击接地器方案能够完全满足工程需求，相比放电间隙或电位均衡装置接地方案优点明显，建议在今后地铁工程高架桥架空地线防雷接地设计时选用。

（3）本文仅研究了地铁架空地线兼做雷电防护作用时的接地方案，但应注意架空地线对于地铁接触网的雷电防护作用有限，应同时考虑其他雷电防护措施。

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收稿日期：2014-12-11

The paper studies the lightning earthing scheme for overhead earthing wires on basis of a method that the stray current channel between steel mast and steel bars of bridge beam is obstructed but the channel for discharging of lightning current is offered, puts forward the principle for selection of lightning protection earthing scheme for overhead earthing wire, analyzes the disadvantages of the existing earthing scheme, raises a new scheme on basis of the earthed lightning strike earthing device. The samples of lightning strike earthing devices are tested and applied in engineering application, and they are proposed to be selected and applied for design of lightning protection earthing of overhead earthing wires for subway viaducts in the future.

Subway; overhead earthing wire; lightning protection; earthing; lightning strike earthing device

U226.8 3

B

1007-936X(2015)02-0028-03

2014-11-20

赵海军.中铁电气化勘测设计研究院有限公司，高级工程师，电话：18602266878；陈维江.国家电网公司，教授级高级工程师；沈海滨.中国电力科学研究院，高级工程师；王立天.中铁电气化勘测设计研究院有限公司，教授级高级工程师；尹 彬.山东迅实电气有限公司，高级工程师。