有轨电车接触网系统防雷研究

2014-07-27张慧洁唐贾言古晓东

铁道运营技术 2014年2期

张慧洁，唐贾言，古晓东

（1.天津市赛英工程建设咨询管理有限公司，助理工程师，天津 300191；2.上海市城市建设设计研究总院，高级工程师，上海 200125；3.铁道第三勘察设计院集团有限公司，工程师，天津 300251）

近年来，国内很多城市都在大力发展城市轨道交通，其中以地铁、轻轨形式居多。对于现在还不具备大规模建设地铁、轻轨的中小城市，采用有轨电车的形式既可以合理利用城市现有地形，又可以较好地优化城市交通结构，具有投资少、见效快的优点。架空接触网系统是有轨电车供电系统的重要组成部分，采用直流750 V牵引系统供电。由于线路情况的复杂性和接触网系统自身无备用的特点，使接触网成为整个牵引供电系统中较为薄弱的环节，一旦发生断线等事故将严重影响机车运行。鉴于所处客运行业的特殊性，要求尽量减少或避免发生停运事故，因此做好接触网的相关防护措施显得尤为重要〔1〕。

采用简单悬挂方式的有轨电车接触网系统，通常由架空地线、接触线、支持装置、支柱与基础组成。其中，架空地线在该系统中除起到工作接地作用外，还兼有避雷线的作用。但全线架设架空地线也有不少缺点，如投资大、运行维护不便、不利于城市景观的美观性等。为此，本文以某地区有轨电车接触网系统设计中架空地线的架设必要性为例，从接地方案和防雷性能两方面对架空地线的作用进行分析，使其能为有轨电车接触网系统设计提供依据；介绍了国内外有轨电车接触网设计的现状及结合有轨电车的地理位置及景观要求，对3种接角网架设方案的优缺点进行了分析，最后对苏州有轨电车接触网架设提出建议。

1 接地方案分析

接地被定义为“一种有意或非有意的导电连接，由于这种连接，可使电路或电气设备接到大地，或接到代替大地的某种较大的导电体”，其作用：一是使连接到地的导体具有等于或近似于大地（或代替大地的导电体）的电位；二是引导入地电流流入和流出大地（或代替大地的导电体）。接地的方案有架空地线接地、单个支柱打接地极或埋地线。

1.1 架空地线接地架空接触网系统中，当线路绝缘子发生闪络或其它故障时，故障电流必须能通过接地系统及时流入大地并触发变电所继电保护装置动作。因此良好的接地系统对于架空接触网而言显得非常重要。架空地线的设置对于保证接地系统良好运行有重要的作用，当发生故障时，故障电流能通过架空地线及时流入大地。如果取消架空地线，只能采取单个支柱打接地极或埋地线的方案，而这两者都易受杂散电流腐蚀的影响。

1.2 单个支柱打接地极在城市轨道交通等直流供电运输系统中，常以轨道作为回流通路，而轨道很难做到完全对地绝缘，从而有部分电流从轨道泄漏到道床及周围土壤中，这部分电流即为杂散电流。杂散电流会对道床、高架桥梁体内部的金属结构及地下输油、输气管道，甚至邻近的外部建筑物的钢筋结构及其相关金属设备产生腐蚀，导致建筑物的强度和设备的使用寿命降低。根据法拉第电解定律，当流出阳极金属的电流为1 A时，一年内可腐蚀的金属量为：铅36 kg、铜11 kg、铁10 kg。在杂散电流干扰比较严重的地区，电流可达几十安培甚至几百安培，壁厚8～9 mm的钢管，快则2～3个月就会穿孔，因此杂散电流造成的腐蚀相当严重。综上，相比架空地线方案，单独打接地极的方案存在以下几方面的缺点：

1）每个支柱单独打接地极成本高于设置统一的架空地线；

2）受地质条件限制，各支柱所在地区的土壤电阻率不尽相同，难以保证每个接地极的接地电阻都符合标准要求；

3）接地极长期处于地下杂散电流的腐蚀下，设备使用寿命降低，以后的维护工作量较大。

1.3 埋地线接地采用沿线路埋设地线的方案同样易受地下杂散电流腐蚀的影响，不便于维护，同时也增加了防水防潮等工程量，进而增加了投资。

2 防雷性能分析

一般而言，线路防雷性能的优劣主要由耐雷水平及雷击跳闸率来衡量。耐雷水平即线路遭受雷击所能耐受不至于引起闪络的最大雷电流（kA）。雷击跳闸率即每100 km线路每年因雷击引起的跳闸次数。

一般来说，根据雷电活动的频度和雷害的严重程度，我国把年平均雷暴日数T>90的地区叫做强雷区，T≥40的地区为多雷区，15≤T≤40的地区为中雷区，T≤15的地区为少雷区〔2〕。

根据国家气象台资料，某地区年平均雷暴日数为52天，属于多雷区。我国的牵引供电系统在雷雨季节发生频繁跳闸与接触网不能很好地防止感应过电压有关。有轨电车系统架空接触网线路绝缘水平与电力系统10 kV配电线路相当，现利用电气几何模型方法对该地区有轨电车接触网系统有架空地线和无架空地线的防雷性能进行评估分析。

2.1 直击雷过电压架空地线的直击雷保护效果同它下方的接触线和所成的保护角有关。电力部门对于不同电压等级的保护角的有如下相关要求：

1）500 kV输电线路保护角宜采用10～15°；

2）330 kV及双地线220 kV输电线路宜采用20°；

3）山区110 kV输电线路宜采用25°；

4）66 kV及以下输电线路一般采用20～30°，山区单架空地线杆塔保护角可采用25°。

参考此标准，取接触线的平均高度为5 800 mm，则有轨电车接触网所需架空地线的安装高度应为10 089 mm。出于工程投资和城市景观美观性的考虑，目前架空地线一般高度为8 000 mm，保护角α=42.274°，对直击雷起到一定的防护作用。由于有轨电车一般处于城市建筑较为密集区域，受到周围建筑物的影响，处于雷电的非暴露区，因而遭受直击雷的可能性相对较小。因此从直击雷防护的角度来说，架空地线具有重要的作用，但当周边建筑物较高较密时，其重要性有所下降。

2.2 感应雷过电压基于城市轨道交通的线路特点，应将感应雷防护作为考虑的重点，现分别对有无架空地线的情况进行讨论，通过以下计算可看出架设架空地线对于降低感应雷击跳闸率和提高耐雷水平有重要作用。

2.2.1 有架空地线当有架空地线的线路附近地面落雷时，如果在接触网上产生的感应雷过电压超过线路耐雷水平，将会引起绝缘子的闪络，甚至引起线路跳闸。假定每次绝缘子闪络都引起线路跳闸，雷云对地放电时，在接触网上产生的感应过电压与雷电流幅值成正比，与地面落雷点同接触网的水平距离成反比。由于架空地线的存在，接触网上的感应电压必然会受到架空地线的耦合作用而受到削弱。故当地面落雷点与接触网的距离为S时，接触网上的感应过电压Ugy为

式中：hb为架空地线平均对地高度（m）；

hd为导线平均对地高度（m）；

k0为导线与架空地线的几何耦合系数。

l为架空地线与导线的水平距离（m）。此处假设架空地线在支柱中心正上方。接触网的耐雷水平为

式中：U50%为绝缘子的闪络电压（kV）。

地面落雷密度Ng=0.023Td1.3。

取落雷点距接触网的距离S为2 hb时，接触网的感应耐雷水平为最小临界值

根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T620-1997），在供电线路的防雷计算中，我国一般地区雷电流幅值超过某定值的概率公式为计算可得有架空地线时雷电流大于该值的概率为34.3%。

接触网附近地面落雷如图1所示，图中以感应雷和直击雷的临界点为原点，以垂直钢轨方向为x轴，垂直地面方向为y轴，平行钢轨方向为z轴。将接触网附近地面落雷区划分为多个小区间。从该点开始按照Δx（单位为m）的宽度等分，直到无穷远处为止。对于每个小区间（xi，xi+1），i=0，1，2，…，其宽度Δx与接触网长度（在此为100 km）的乘积：100Δx/1 000=0.1x（km2），即为该小区间的受雷面积。该小区间的年落雷次数为Ni=0.023Td1.3×0.1Δx。

图1 接触网附近地面落雷示意图

在小区间（xi，xi+1）内落雷时接触网的耐雷水平为

雷击该小区间时的年跳闸次数为

按照广义积分法，则可得100 km长度接触网（双侧）的年感应雷击跳闸次数为

2.2.2 无架空地线无架空地线时同样假定每次绝缘子闪络都引起线路跳闸，接触网上的感应过电压，接触网的耐雷水平

取落雷点距接触网的距离为2hd时，接触网的感应耐雷水平为最小临界值。雷电流大于该值的概率为56.8%。

在小区间（xi，xi+1）内落雷时，接触网的耐雷水平

由此可得100 km长度接触网（双侧）的年感应雷击跳闸次数为

3 国内外有轨电车接触网设计现状

据有关资料表明，欧洲中部地区每100 km接触网在一年的时间内可能遭受1次雷电冲击。以德国为例，其在设计中采用过电压保护装置限制雷电过电压，一般应用避雷器；同时他们认为避雷器只能对感应过电压进行有限的保护，不能对直击雷进行有效地保护，一般只用于无频繁雷电存在的地段。由于欧洲大部分地区雷电活动强度低，故无论是从防护方面还是经济效益方面一般不考虑设置防雷装置，这也是在欧洲的有轨电车中很少见到架空避雷线的原因。

由于日本特殊的地理条件和气象条件，在电气化铁道接触网设计中，根据雷击频度及线路重要程度，将国土的防雷等级划分为A、B、C区域并规定了相应的防雷措施见表1。

表1 日本国铁接触网防雷措施

国内的《北京市现代有轨电车技术标准》中规定：接触网系统应架设贯通的架空地线，所以与接触网带电部分通过绝缘隔离的金属部分皆连接至架空地线。以上海张江有轨电车接触网系统和大连有轨电车接触网系统的实物图为例进行说明。张江有轨电车接触网系统中架设了架空地线见图2的a、b所示。据上海气象局提供的雷电参数，年雷暴日为49，属高雷区，运行至今共发生雷电波入侵达20多次，但未对变电所及接触网带来损害。

图2 张江有轨电车接触网（架设架空地线）实物图

大连有轨电车接触网系统见图3的a、b所示，从图中看出柱子上未架设架空地线。但据了解是采用电缆形式埋入地下对全线的接触网立杆作了接地，这种方式无法实现架空地线的防雷作用，但改善了城市景观性的要求。大连的年雷暴日仅为19，属少雷区接触网及变电所运行至今相对可靠。

图3 大连有轨电车接触网（未设架空地线）实物图

4 接触网架设方案分析

根据上诉分析可得出架设架空地线对于接地和防雷都具有重要作用。结合有轨电车的地理位置及景观的要求，接触网有以下3个方案。

4.1 全线架设架空接地线全线架设接地线具有以下优点：保证接地系统的良好运行，造价相对较低，不受地下杂散电流腐蚀影响，后期维护工作量小；能够大幅度降低接触网的感应雷电压和直击雷概率，提高接触网的可靠性。缺点：美观度差。

4.2 部分区域设置架空接地线在空旷区域有轨电车设置架空地线，其他地段采用埋地接地线。由于在空旷的区域有轨电车附近没有高耸的建筑物或构筑物，接触网容易受到感应雷或直接雷。同时由于地处空旷区段，架空地线的架设不会造成大的视觉冲击。而在城区内四周有较高的建筑，道路的路幅较窄，接触网遭受感应雷或直接雷的概率大大降低，且造成损坏停电的概率也较低。另外，由于地处较狭窄的道路空间，架空地线会对人的视觉造成较大冲击，与周围的建筑不协调。综合上述，为兼顾防雷及景观，可在地处空旷的区域的有轨电车接触网设置架空接地线，而在城区段不设架空接地线（而采用埋地敷设的接地线）。优点：能兼顾防雷及景观的要求。缺点：替代的接地方案造价较高，易受杂散电流腐蚀影响。

4.3 全线不设架空接地线有轨电车全线都不设架空地线，能够使景观得到大幅的改善，但会使得处在空旷地段的接触网受到雷击的概率大大提高，可能会使接触网受到较大的雷电冲击而造成接触网或供电设备的损坏，造成较长时间的有轨电车

停运，带来较大的社会影响。优点：景观性改善。缺点：接触网容易受到雷击影响，进而造成长时间停电；替代的接地方案造价较高，难以避免杂散电流的腐蚀影响。