地铁架空地线和高架段接触网的防雷技术

2016-08-16改造者吴银修

中国科技信息 2016年9期

改造者：吴银修

地铁架空地线和高架段接触网的防雷技术

改造者：吴银修

随着地铁建设工程增多，要保证地铁的安全运行十分重要，鉴于目前雷击故障问题越来越严重，特别是高架段地铁更容易受雷击，所以有必要对地铁采取防雷措施。本文概述了地铁防雷方面的研究现状，重点研究了地铁高架段接触网的防雷措施，及其采用架空地线防雷时的优点和问题，建议采用“疏导”方法解决该问题。

地铁作为一种公共交通工具，具有准时、安全、快速、舒适等优点，我国目前很多地区都在进行地铁建设。但是在一些地方雷电现象频繁发生，产生很高的雷电过电压，致使电气设备发生闪络与损坏，进而导致地铁系统的停电，影响地铁系统的正常安全运行。而且地铁高架段的线路因为暴露在外面，所以更容易受到雷电干扰，因此对地铁系统防雷进行研究是非常有必要的。

地铁防雷的必要性

地铁建筑属于公共场所，人流密集、投资巨大，地铁系统由电气、机电、电子类设备系统组成，它是各种设备与系统高度集中的工程项目，这些设备与系统是地铁的中枢神经，维持在地铁系统的正常运行，其中通信、信号等弱电系统是地铁系统的核心，也是对雷电非常敏感的部分。这些系统如果被雷击或侵入雷电波，那么就会导致地铁系统无法正常工作，扰乱运输秩序，严重时会对人身安全造成威胁，并造成巨大的社会经济损失。另外，如果因为雷击导致地铁发生火灾，那么所造成的后果与损失是不堪设想的。

雷电能够通过多种方式侵入地铁系统中，例如雷电直接击中地铁车站或设施、通过感应与闪电电涌干扰地铁轨道和线路等，威胁乘客和地铁工作人员的生命安全，影响通信系统、牵引电源、照明等系统可靠运行，对于高架段的线路，因为暴露在外面，其受到雷电危害的可能性更高，危害程度也更为严重。

接触网受到的雷击按照雷击发生过程分类，可以分为两种，即直击雷和感应雷。在地铁中，遭受直击雷的主要是露天接触网及其附近地面、车辆段、运营控制中心等地面建筑；遭受感应雷的主要是地铁中的线路和线路的终端设备。可以知道雷电有很多种途径与方式侵入地铁系统，所以地铁系统的防雷非常重要。

架空地线防雷

地铁的雷击问题越来越严重，现在开始通过架设架空地线来进行防护，但是地铁系统的接触网与电力系统输电线路相比是有很大区别的，在设计规范方面缺少相应的规定，所以国内目前缺乏对架空地线的防雷作用的系统研究。

研究雷击闪络次数主要有电气几何模型和先导发展模型两种方法。电气几何模型适合分析小型目标物的雷电屏蔽性能；先导发展模型比较适合研究大型目标物，但这个模型中在关键参数取值方面仍然存在争议。

通过文献建模可知，在地铁中架设架空地线能够有效减少接触网雷击闪络的次数，而且随着架空地线的高度越高，雷击闪络次数就越少，防雷效果越好，因此可以通过架空地线来进行地铁防雷；架空地线的安装方式有两种：安装在支柱顶端或者是安装在导线的上方，无论采用什么安装方式，接触网的闪络次数差别不是很大。

在地铁系统中，架设架空地线是为了在短路时起保护作用，当架空地线同时具有防雷作用时，这种情况下架空地线必须与接地装置可靠连接，让雷电流能够就近流入大地，这种方案可以有效减小雷电压危害的区域。但是这样会产生大量的杂散电流流过钢柱、架空地线、接地极等，会对周围设施产生腐蚀。

架空地线虽然防雷效果良好，但是所造成的杂散电流腐蚀也不能忽视，可以从两个方面解决这一问题：即“封堵”和“疏导”。“封堵”，顾名思义，就是指阻断钢支柱与桥梁钢筋间的泄漏电流通路，实施中需要实现桥梁和钢支柱间的电气隔离，但是在两者之间又需要很大的机械作用力，目前的技术手段还达不到经济性、合理性的要求，不能实现两者之间的电气隔离，而且他们所承受的雷电过电压非常高，在绝缘方面也很难达到要求。“疏导”是指将雷电流和泄漏电流分开进行处理，阻断电流从钢支柱泄漏到桥梁钢筋中，并且为雷电流提供泄入大地的通路，“疏导”可以较好地解决杂散电流防护不能接地与架空地线防雷时必须接地的矛盾。在工程中建议架空地线串接雷电冲击接地器，能够较好地解决这一矛盾，该接地器是由金属氧化物电阻片与气体放电管组成，这种方案可以完全满足工程需要，与电位均衡装置接地等方案相比有很大的优势。但是在实际工程中，应注意架空地线的防雷效果毕竟有限，所以在地铁中也应该考虑采取其他的防雷措施。

高架段接触网防雷

目前，对接触网防雷的研究，主要是针对普通铁路，例如：曹晓斌等在电气几何模型原理的基础上，分别建立了单线和复线区段接触网的模型，推导出各暴露弧的交点坐标方程组以求出不同雷击的引雷范围，并给出不同雷击的跳闸率计算公式和评估总跳闸率的方法；边凯等人建立了计算模型以计算接触网的雷电过电压，通过计算定量分析接触网雷击跳闸的概率和特点；谷山强基于风险管理提出了评估高速铁路接触网雷电风险的方法，并以累计跳闸率为指标进行风险等级划分，进行雷电风险评估。

由于地铁和铁路在接触网悬挂方式和电压等级方面不同，因此有必要专门开展针对地铁高架区段接触网防雷方面的研究。黄德亮等人基于实际地铁情况，在 ATPEMTP中建立了高架区段接触网模型，分析架空地线和接触网的耐雷水平，并研究了不同接地和避雷器安装方式因素的影响；金亮等采用镜像法，计算接触网的感应过电压，比较了在是否有高架和避雷线是否接地的情况下接触网的耐雷水平；李瑞芳等建立了地铁高架段模型分析接触网的耐雷水平，研究接地电阻、避雷线和避雷器的位置等参数的改变对耐雷水平的影响；田雨结合津滨线接触网实际情况建立了数学模型，利用CDEGS等软件分析了接触网雷电闪络特性，提出适当的接触网防雷措施，并且研制出轨道交通专用接触网避雷器。

高架区段接触网防雷措施主要有：（1）架设架空地线。架空地线具有防雷作用，前面已经讲过，在这里就不在赘述。架空地线应该覆盖接触网，在实际工程中架空地线每隔200m需要设置火花间隙。架空地线防雷效果与保护角有关，也就是与被保护线路之间所形成的角度。在电力系统中，保护角与线路的电压等级有关，输电线路电压在66kV及以下时保护角规定为20°～30°，而地铁的线路高度远低于输电线路的架设高度，所以虽然地铁接触网的电压等级比较低，但是所求得的保护角远大于上述规定值，因此在实际地铁系统中架空地线的安装想要满足保护角的要求是比较难的。在实际运行地铁中，架空地线高度变高做避雷线时，可以减少接触网遭受雷直接的次数，并且相应的牵引所跳闸次数也会减少，在高架区段效果尤其明显，能减少30%左右。但是如果在部分地区雷暴频繁发生，架空地线高度变高反而会导致线路更容易遭受雷击，会在线路两端产生很高的过电压，使大地产生高电压，会烧毁接触网的绝缘子或者把雷电流引入地铁中的电气设备，影响地铁系统的正常运行。（2）设置避雷器。工程要求接触网每隔250m需要设置一台避雷器，避雷器上接接触网，下接大地，与被保护的设备并联，在高架区段，避雷器与桥墩的纵向钢筋连接。避雷器的工作原理是：在正常运行情况下，避雷器处于高电阻状态，只有微弱的电流流过，但是当接触网存在很高的过电压时，避雷器电阻很小，电流通过避雷器流入大地，以保护与避雷器并联的设备。避雷器对它所在的支柱绝缘子的保护具有随机性，因为落雷点是不确定的，如果落雷点在离避雷器较远的地方时，那么支柱绝缘子可能会发生雷电闪络，并且可能会引起绝缘子连续闪络，扩大雷电影响的范围；地铁在高架区段时，因为高架桥每隔200m经过桥墩接地，所以如果落雷点不在桥墩附近，雷电流会流过很长距离才会入地，此时桥墩接地电阻对接触网的耐雷水平影响就比较小，而且距离桥墩近的支柱耐雷水平要比离桥墩远的支柱高很多。

通过研究表明：地铁在高架区段中，在安装避雷器的位置和接地点接触网的耐雷水平比较高，没有保护装置的则比较低；在接触网上方架设架空地线可以提高接触网的耐雷水平；在雷击接触网时，安装避雷器可以明显提高接触网的耐雷水平，在雷击架空地线，接地可以明显提高接触网的耐雷水平。

总结

地铁作为一个公共交通工具，其安全可靠运行是非常重要的，因此对地铁的防雷研究是有必要。本文主要研究了地铁高架段接触网的防雷，和采用架空地线防雷时的优点和问题。概述了目前在地铁防雷方面的研究现状，高架段接触网主要是通过架空地线和安装避雷器进行防雷，架设架空地线防雷时可以减少接触网雷击闪络的次数，但是会对周围设施造成杂散电流腐蚀，所以在工程中建议架空地线串接雷电冲击接地器，采取“疏导”的方法，将雷电流和杂散电流分别对待。工程上也应该采取其他的防雷措施，以保证地铁的安全运营，减小雷电的危害。