雷电对城市轨道交通供电设备的危害及防雷整治探讨

王涛，袁文，滕丽丽，潘德忠，崔海明，沈延辉

（1.宁波市轨道交通集团有限公司运营分公司；2.宁波市气象局，浙江 宁波 315000）

轨道交通供电设备主要由牵引变电所内的变电设备以及接触网输电设备组成，高架段的接触网输电线路长年暴露于自然环境中并且没有备份。一旦遭受到雷击如果缺少过电压保护措施或者采取的措施不当，就有可能导致接触网的绝缘设备烧穿进而导致线路跳闸，对轨道交通供电安全运行造成严重威胁。如果雷击产生的电流通过接触网线传输到相近的牵引变电所，势必会造成所内供电设备的损坏，从而导致故障扩大形成更大范围的事故。因此，就需针对雷电对轨道交通供电设备的危害进行研究，找到轨道交通供电设备的防雷整治措施显得尤为重要。

1 轨道交通供电设备防雷存在的问题

1.1 缺乏相关的的防雷技术标准

目前，我国已发布实施的关于城市轨道的标准规范约有90余项，其中国家标准35项，行业标准60项，均没有针对城市轨道交通防雷技术要求以及防雷装置的检测、维护和管理做出规定。现有的轨道交通设计基本参照《建筑物防雷设计规范》(GB50057-2010)执行，但由于轨道交通建筑主体常常位于地下，长期以来，人们对轨道交通的防雷设计远不像地面建筑那样给予应有的重视，特别是长期暴露在自然环境中的供电接触网设备。一旦遭受雷击或雷电波侵入，将危及轨道交通的运输秩序，甚至造成重大的人员伤亡和巨大的经济损失。

1.2 防雷效果受限于防雷装置

在城市轨道交通供电系统设备中，主要的防雷手段是安装避雷器。而这其中氧化锌避雷器因其具有良好的非线性性能和放电性能被广泛使用，但氧化锌避雷器由于制造工艺的缘故存在许多不足。比如，避雷器上最基本的组成材料的硅橡胶，易受到潮湿、老化等因素影响降低氧化锌避雷器的实际防雷避雷效果。此外，氧化锌避雷器尺寸不大，安装过程中一旦方向出错不易被发现，导致脱离器无法正常发挥其作用。

1.3 防雷装置日常检修不够重视

目前，在轨道交通日常设备设施维护作业中,主要是针对供电设备本体运行状态检查与维护,基本上忽略了对防雷装置的定期检查,这样就不会及时发现防雷装置是否损坏，造成了整体的防雷效果不佳的隐患。此外，防雷装置参数和接闪器等设施是否满足现有线路设备对防雷需要缺乏专业性的测量鉴定。

2 轨道交通供电设备的防雷原则

2.1 整体防护

雷电造成的轨道交通供电设备的损害较为多样和复杂，而且在无法准确测定其毁伤的情况下，必须将单一防护转变为整体防护，防止牵一发动全身的情况出现。

2.2 综合治理

鉴于雷电会直接或者间接对轨道交通供电设备产生影响，因而要秉承综合治理的原则，既要防范直接损害，也要防范间接影响，运用多种多样的防雷电技术，综合使用防雷措施，有效减少雷电直接产生的高压电损害和间接产生的电磁脉冲的损害。

2.3 层层设防

防雷应当在轨道交通规划建设、日常维护的过程中均有体现。在建设的过程中，选择适合的装置进行合理的安装，在日常维护的过程中必须时刻监控，如果发生故障，应当立刻检修，确保防雷装置的正常使用。

3 轨道交通供电设备的具体防雷整治措施

3.1 制定轨道交通行业的雷电标准

协同轨道交通行业各业主单位以及气象主管部门共同制定城市轨道交通防雷技术规范，从理论基础上规范城市轨道交通防雷的设计、施工、检测与维护等，以便正确、安全、科学地开展城市轨道交通防雷装置检测技术工作。

轨道交通附属设施较多且分散，线路较长，既有局部独立进行防雷，也有综合统一防雷。根据线路所处地区发生雷电的频率把防雷措施分为A、B、C三个等级，各个等级采取的不同防雷措施，如表1所示。

表1 供电设备防雷措施分类表

3.2 优化防雷装置布局

在参照《建筑物防雷设计规范》(GB50057-2010)中明确需装避雷器外，对易受雷击高架段接触网锚段加装氧化锌避雷器及电压均衡器，确保不大于200m范围内设置一处避雷器。这样一来，可以增加雷电能量释放通道，降低因氧化锌避雷器自身损坏导致整体防雷体系失效概率。

3.3 加强防雷装置的日常维护工作

防雷装置的日常维护工作是一项基础性、长期性、季节性的工作，需要设备归属部门对防雷设施进行定期维护检查，建立防雷装置检修台账,对于巡视中发现的装置损坏等情况及时更换，确保日常维护落实到位。尤其是在雷雨季节，适当增加巡视检查密度，并在不断发现问题的过程中完善检修规则，形成综合性的防雷体系，减少雷电给轨道交通供电设备的损害。此外，定期委托有资质的检测单位进行整体防雷效果检测，确保防雷体系处于优良状态。

4 实际效果

参照国内成功的雷电防护经验，结合宁波轨道交通防雷经验，以宁波轨道交通1号线二期高架段防雷优化为例，使用本研究提出的整体防雷措施，主要是优化了防雷装置布局以及加强季节性的巡检工作。根据国际大电网会议第33研究委员会(电力系统绝缘配合)指出：复线线路牵引供电设备一年内受到雷电击中的次数N=0.244×Td×1.3，Td为当地的年度平均雷暴日数。如表2所示。

表2 宁波地区轨道交通供电线路受雷击故障表

由数据可知，近4年来雷电总次数有逐年下降的趋势，2017年宁波地区的雷暴日为58天，使用公式N=0.244×Td×1.3得出线路受到雷击次数为18.39次，根据SCADA系统数据显示，2017年全年因雷击天气引起的自动重合闸等故障报警为12次，即因雷击导致故障为η=（12/18.39）×100%=65.25%。2018年实施防雷措施改造后，计算雷电故障率分别为33.78%、29.19%、27.65%。说明采用优化避雷器布局可在一定程度上减少雷击造成的故障。

5 结语

综上所述，随着我国城市轨道交通的快速发展，系统性的防雷工作也越来越重要。本文就以轨道交通供电设备的防雷为研究对象，综合分析了当前轨道交通供电设备防雷存在的问题，并提出了轨道交通设计时应综合考虑直击雷防护和雷击电磁脉冲防护措施，从接闪器、引下线、接地装置、屏蔽、等电位连接、综合布线和SPD等多方面对城市轨道交通供电系统设备进行防护。最后，通过实际应用取得了初步的成效，确保防雷装置设置的合理性,为以后制定专业技术标准打下良好的基础。