地铁接触网避雷器保护范围的研究

艾东兵 熊 晶

(1.深圳市地铁集团有限公司，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，工程师)

近年，国内地铁接触网系统发生了多起严重的雷击事件。部分事件中，不仅接触网系统设备被损坏，还造成了地铁列车大面积、长时间延误，严重影响乘客出行，其社会影响很大。地铁接触网防雷问题已成为亟待解决的问题。

氧化锌避雷器作为地铁接触网系统的主要防雷装置，是防雷方案讨论及设计的重点研究对象。而避雷器保护范围的问题始终存在争议。

1 典型的雷击事件

深圳地铁露天接触网主要分布在部分车辆段和1、5号线的高架段，均为架空柔性接触网，分别采用简单悬挂和简单链型悬挂的安装形式。接触网沿线架设的架空地线通过金属抱箍与接触网下锚底座及支持装置等共支柱安装。架空地线每隔200 m就通过1个地电位均衡器连接接地极。接触网采用2种绝缘子，其最小爬距分别为250 mm和400 mm。绝缘子的雷电全波冲击耐受电压不小于100 kV。除上网点、车站两端及过渡段隧道洞口外，全线区间接触网每隔200 m设置1套无间隙金属氧化锌避雷器，并利用桥墩内部钢筋网作为接地体，其接地电阻小于10 Ω。

深圳地区的雷电活动特别强烈。深圳地铁露天接触网系统曾多次发生雷击事件。2014年5月20日，深圳地铁1号线高架段与5号线塘朗车辆段试车线均发生了雷击接触网事件，并造成车辆段和正线接触网多个供电分区跳闸失压、绝缘子击穿炸裂、线索烧伤及多台开关控制箱内部元器件损坏等严重后果。

经统计发现，雷击闪络绝缘子距避雷器最近距离仅35 m。表1为几起典型雷击接触网事件中闪络绝缘子与避雷器最小距离的统计。

2 避雷器防护范围

2.1 雷电波传播特性

为了便于分析雷电波传播特性，在雷电波引起的过电压作用下，接触网导线按分布参数元件处理(如图1所示)。假定接触网导线为1根无限长的均匀无损单导线。导线单位长度电感L0和电容C0均为常量。

表1 典型雷击事件统计

a) 单根无损线首端合闸

b) 等效电路

在时间t=0时，开关合闸，电源开始向电路电容充电。靠近电源的电容先充电，然后向相邻电容放电。由于存在线路电感，较远的电容需要间隔一段时间才能充电，并向更远的电容进行放电。线路上电压波与电流波同时以相同的速度传播。

设向x方向传播的电压波和电流波，在t=Δt时到达x=Δx点。则在Δt内，长度为Δx的导线上电容C0Δx充电至电动势为E，获得电荷C0ΔxE。这些电荷又是在时间Δt内，通过大小为I的电流波输送过来的。因此，

C0ΔxE=IΔt

(1)

另一方面，导线总电感为L0Δx，在Δt内，大小为i的电流波在导线周围建立起磁链。因此，导线感应电动势为

(2)

由式(1)和式(2)可得，波阻抗为

(3)

由于对架空线路，有

L0=μ0ln(2h/r)/(2π)

(4)

C0=2πε0/ln(2h/r)

(5)

式中：

μ0——空气的导磁系数；

ε0——空气的介电系数；

h——导线的对地高度；

r——导线半径。

因此，Z与线路长度无关。

令x为线路首端到线路计算点X的距离。则导线可看作由无数段长为dx的微型线路单元电路串联而成。每段长为dx的线路电感为L0dx，电容为C0dx。

(6)

根据回路电压方程ΣU=0可知，线路电压为

(7)

整理得

(8)

变换得：x2-x1=v(t2-t1)

由于v恒大于0，且t2>t1，则(x2-x1)>0，由此可见，Uf为前行电压波，Ub为反行电压波；同理可得，If为前行电流波，Ib为反行电流波，故t时刻在x点的电流I及电压U为

(9)

(10)

经上述分析可知，线路中传播的任意波形电压和电流均由前行波和反行波组成。当前行波和反行波在线路中相遇时，电压波和电流波的值符合叠加定理。

2.2 避雷器保护范围分析

与理想模型相比，实际的地铁接触网系统导线是有限长导线，且具有线路电阻和对地电导，故波在线路传播时会有一定程度的衰减。但不影响以下结论：

由于本文实证数据选用时间序列，故需要进行平稳性检验。采用ADF检验方法对各变量进行单位根检验，结果如表2所示：原序列中只有变量IS不存在单位根，即为平稳序列。而一阶差分序列中，所有变量都不存在单位根，所以各时间序列在一阶差分的情况下都具有平稳性。

(1)Z表示向同一方向传播的电压波和电流波之间比值的大小，其数值与线路长度无关。

(2) 雷电波是1个时间与位置的函数，当雷电波入侵线路时总是由电源(雷击点)的近端向远端进行传播。

图2为接触网雷击的示意图。如图2所示，当雷电入侵接触网线路瞬间，产生的电压波和电流波由雷电侵入点向线路两端进行传播，由于Z的存在，在线路上形成较高的雷电过电压。同时，由于雷电入侵线路时电压波和电流波总是由线路雷电侵入点的近端向远端进行传播，故距离雷击点近的接触网绝缘元件两端先产生过电压；经过时间t的传播后，在距离雷击点远的接触网绝缘元件两端产生过电压。

图2 接触网雷击示意图

如图3所示，图3 a)为间隙的冲击绝缘特性曲线，也称间隙伏秒特性曲线。该间隙可理解为接触网绝缘子两端金具间的空气间隙。图3 b)表示电压波在线路上的运动情况。在t=0时，电压波暂未传播至柱3处，柱1处的电压已达UJ，绝缘子发生击穿。当t=t2时电压波传播至柱3处，且柱3处的电压已达UJ。可见，柱1处绝缘子两端过电压在t1时就满足了接触网绝缘击穿条件，接触网释放雷电能量。此时柱3处的避雷器并未对柱1处绝缘子形成有效的防护。

下面以高架段接触网为例，对避雷器距雷电侵入点的距离、雷电流强度、陡度等条件进行推算。雷击简化模型如图4所示。模型中，导线高度为5 m，导线半径为8 mm，跨距为30 m，避雷器最大冲击耐受压100 kV，避雷器放电电压为0 V，避雷器安装点距离雷电入侵点的距离为30 m，雷电波在导线内的传播速度为3×108m/s，则可得Z≈428 Ω，取绝缘子雷电全波冲击耐受电压最小值(100 kV)为绝缘子雷电击穿电压，由Z=u/i得，对应雷电流为0.23 kA。

由于雷电波由雷击点传播至避雷器所需时间为10-7s。故雷电侵入接触网系统10-7s时，雷电流达到0.23 kA，即雷电流即将传播至避雷器时，柱1处绝缘子已发生雷击闪络。则电流波陡度需达到：

a) 间隙的冲击绝缘特性曲线

b) 线路上电压波运动示意图

a=2.3 kA/μs

根据雷电流冲击波头陡度出现概率的经验公式(lgpa=-a/36)可得，雷电流陡度超过2.3 kA/μs的概率p=86.34%。

图4 雷击简化模型示意图

可见，当支柱出现雷电入侵时，即使相邻支柱设有避雷器，超过86.34%的直击雷也都会在避雷器动作前导致接触网绝缘击穿。

因此，当雷电直接侵入地铁接触网时，距离雷击点最近的接触网绝缘子会率先发生闪络击穿。在接触网系统中，避雷器仅能限制同一支柱绝缘子两端的电压，而不能对其它绝缘子进行有效防护。

3 结语

根据深圳地铁运行经验，在雷电侵入露天段接触网系统时，由于地铁接触网绝缘子的绝缘等级较低，即使相邻支柱装设有避雷器，接触网绝缘子也存在雷击闪络的情况，即地铁接触网避雷器不存在有效防护范围，其仅能保护安装处的接触网绝缘子不发生击穿闪络。

地铁对于露天段接触网现我国除在极少线路进行过专项防雷设计外，一般都是参照GB 50157—2013《地铁设计规范》，在露天段按200 m间隔设置避雷器。但实际情况表明，这不能有效解决接触网防雷问题。为此，结合深圳地铁的运营经验，对接触网系统的雷电防护提出以下几点建议：

(1) 接触网的防雷设计应因地制宜。应充分考虑线路经过地区雷电活动的强弱、地形地貌的特点、土壤电阻率的高低及沿线建筑物等条件，根据技术经济比较的结果，制定合理的保护方案。

(2) 架空地线兼作避雷线。合理设计架空地线安装位置，使其兼备避雷线功能，防止雷电直击导线。同时，对雷电流进行分流，以减小杆塔的雷电流，使反击电位下降；对导线有耦合作用，降低导线上的过电压。

(3) 采用不平衡策略。由于架空接触网系统里各类线索均带有较大张力，一旦下锚等位置绝缘子击穿炸裂，将造成严重的塌网事件。为此，应采取不平衡策略，加强关键部位的绝缘强度。

(4) 使用串联间隙避雷器。串联间隙避雷器除具有限制过电压功能外，还具备结构简单、便于安装检修、成本低、本身故障率较低、避雷器本体预防性试验周期长、对接地电阻要求低等诸多优点，可广泛使用。

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