轨道交通架空接触网防雷综合技术研究

戴丽君 杨立新 成明华

(1.南京铁道职业技术学院铁道供电系,210031,南京; 2.铁道第三勘察设计院集团有限公司,300142,天津;3.上海铁路局南京供电段,210015,南京//第一作者,副教授)

轨道交通架空接触网防雷综合技术研究

戴丽君1杨立新2成明华3

(1.南京铁道职业技术学院铁道供电系,210031,南京; 2.铁道第三勘察设计院集团有限公司,300142,天津;3.上海铁路局南京供电段,210015,南京//第一作者,副教授)

在轨道交通中,牵引供电系统提供列车牵引动力,架空接触网作为牵引供电系统的重要组成部分,向动车组供电授流。轨道交通供电系统一般采用架空接触网授流制式,在轨道交通采用高架桥敷设形式时,接触网系统则成为区域内的相对高点,遭受雷害的几率增加。针对供电系统架空接触网防雷综合技术策略进行研究,分析架空接触网防雷综合技术需重点解决的关键问题,归纳提出了行之有效的技术对策。

轨道交通; 架空接触网; 防雷技术

First-author′s address Nanjing Institute of Railway Technology,210031,Nanjing,China

轨道交通供电系统为列车提供牵引动力,架空接触网作为供电系统的重要组成部分,向动车组供电授流。在高架线路上,接触网系统则成为区域内的相对高点,遭受雷害的几率增加。

本文旨在分析目前轨道交通普遍采用的架空接触网的防雷技术现状,结合工程案例,归纳提炼各种防雷对策的相应效果,以提升防雷综合技术水平。

1 架空接触网系统防雷技术概况

1.1 我国高速铁路接触网防雷技术现状

目前我国高速铁路接触网的防雷措施主要有:

(1) 安装线路避雷器。主要设置在电分相和站场端部绝缘关节、长大隧道的两端、供电线或AF (正馈)线连接到接触网上的接线处。

(2) 安装保护间隙。保护间隙属于一种疏导式雷电防护装置,其工作原理在于雷电过电压情况下的空气间隙击穿,导线对地释放雷电能量。

(3) 统筹设置避雷器接地引线。一般情况下,路基地段的避雷器接地一端接PW (保护)线,另一端单独接地极。

在这些防雷措施中,安装避雷器最为常用。

1.2 国外铁路接触网防雷技术现状

国外铁路,特别是高速铁路,日本和德国的电气化铁路具有一定的代表性。

德国铁路采用电压保护装置限制雷电过电压,一般应用避雷器。据相关资料介绍,德国电气化铁路专家认为,避雷器只能对过电压进行有限的保护,仅在雷电现象过于频繁的地段考虑设置,在其它区段则不设。这与我国铁路行业的认识颇为相似。

日本铁路采用的主要形式有:在全线接触网架设架空避雷线,同时在牵引变电所出口、接触网隔离开关、电缆接头或连接处、架空地线终端设置避雷器。或综合采用各种避雷方式。

1.3 城市轨道交通防雷技术现状

我国城市轨道交通多采用避雷器和架空地线兼做避雷线的防雷措施。

根据调研及相关资料数据显示,城市轨道交通地面及高架线路遭受雷击的事件较多。有的线路在高架和地面段普遍设置了避雷线和避雷器,当避雷器间隔缩小后,防雷效果改善较为明显。

2 架空接触网受雷击影响分析

大气过电压分为感应雷过电压和直击雷过电压。有关文献对这两种过电压对架空接触网的雷击影响进行了分析。

2.1 感应雷过电压

图1 感应雷过电压计算原理图

如图1所示,雷击接触网附近地面时,雷云离地面的高度为Z0,先导通道的头部离地面的高度为Z1,承力索对地高度为H,接触网导高为h,先导通道与接触网之间的距离为y,先导通道中的平均电荷密度为τ,则雷电先导通道中的电荷在接触网下面任何一点A(垂直高度设为h)的场强总垂直分量可以表示为:

(1)

式中:

ε0——空气的介电常数。

取地面电位为零电位,接触导线上的最大感应电压为:

(2)

当先导通道到达地面时,Z1→0,又由于Z0远大于H,则用Z0代替(Z0-H)和(Z0+H)不会带来太大的误差,则式(2)可以简化为:

(3)

2.2 直击雷过电压

2.2.1 雷击支柱

当雷击接触网支柱时,由于支柱具有一定的阻抗和支柱接地具有一定的接地电阻,雷电流通过支柱流入大地时,在支柱上产生冲击电压为:

(4)

式中:

RG——支柱接地电阻与支柱电阻之和(支柱电阻的数量级一般为mΩ级,与接地电阻相比很小,可以忽略不计,这里RG的值即取接地电阻的值,根据规程的规定支柱的接地电阻为10 Ω);

LP——支柱的等值电感,取10 μH。

雷电波波头的长度取2.6 μs,当接触网的绝缘水平为290 kV时,引起绝缘子闪络的雷电流幅值为:

(5)

将上述各变量数值代入式(5)计算得出I=21 kA。

2.2.2 雷直击接触网

图2 雷直击过电压计算原理图

(6)

取雷电通道的波阻抗z0=350 Ω。根据接触网的分布电感和电容计算,接触网的波阻抗为517 Ω;考虑到雷电流在导线上产生电晕使导线的波阻抗下降20～30%,取修正系数为0.8,即接触网实际的波阻抗为413.6 Ω。由于雷电流向接触网上雷击点两边传播,所以雷击点的输入波阻抗z=206.8 Ω。即引起接触网闪络的雷电流幅值大小为:

(7)

绝缘子串在雷电过电压的作用下发生冲击闪络后不一定都会引起短路跳闸,当在工频电压作用下冲击闪络发展成稳定的电弧时才会引起短路故障。

运营部门观察到,感应雷的跳闸次数具有一定的分散性,这种分散性主要是由于雷电通道主放电速度的分散性引起的。感应雷的跳闸次数占雷击次数的比例较高,直击雷的跳闸次数占雷击次数的比例则较低。可以看出,感应雷是引起牵引供电系统雷击跳闸的主要原因。

牵引供电系统要降低牵引供电系统的雷击跳闸次数,应该优先考虑对感应雷的防护。

从雷击跳闸次数看,直击雷所占的比例很小,但直击雷的电流大、电压高、破坏性强,在防感应雷的同时,也不能忽视对直击雷的防护。

3 架空接触网防雷对策分析

3.1 安装避雷器

在支柱上装设避雷器,可有效降低接触网雷击跳闸概率。其工作原理是:雷电击中接触网时,若雷击电压大于避雷器的放电电压,避雷器会立即将雷电流释放,并在工频电压下以高阻抗截断工频续流,避免绝缘子闪络,从而保障接触网持续稳定工作。

在工程中,设置避雷器的支柱接地电阻在10 Ω以下,而其余的支柱接地电阻一般为30 Ω左右。

图3为架空接触网采用避雷器防雷措施不同安装情况下的防雷仿真结果。

图3 不同安装情况下避雷器的防雷仿真

由图3可见,距雷击点200 m范围内,绝缘子端电压的变化幅度基本一致,故证明避雷器的有效作用范围在200 m左右。如果要采用避雷器提高接触网的耐雷水平,必须密集设置避雷器,但这也会导致接触网故障率上升,因为避雷器自身也存在维护和老化问题。因此过于密集安装线路避雷器不是很好的选择。如果选择在雷击比较集中的地段安装线路避雷器,则防雷效果较好。

3.2 安装避雷线

避雷线的保护作用是使雷电击通过避雷线将雷电流泄入大地。为了使雷电流顺利泄入大地,避雷线要有良好的接地装置。

在电力系统中,避雷线是输电线路防雷的重要手段。在牵引供电系统中,接触网的绝缘等级较低,在雷电过电压引起的绝缘子闪络中,感应雷过电压引起的闪络占比很高,所以在接触网上架设避雷线除了防直击雷外,还要考虑到防感应雷的效果。

3.3 京沪高铁接触网防雷措施

根据调研及相关资料数据显示,京沪高铁自开通以来,地面及高架线路遭受雷击较多。为切实降低雷击跳闸对高速铁路列车安全运行的影响,在线路设置避雷器的基础上,将沿线牵引变电所向第一个AT (自耦变压器)段供电的加强线改造成为了避雷线,防雷效果得以明显改善。

4 防雷措施优化建议

4.1 设置并尽可能抬高架空地线

有研究表明,架空地线不仅可以作为闪络通道对接触网系统起到保护作用,升高架空地线还能够产生类似于避雷针的接闪效果,在一定程度上减少直击雷直接击中接触网导线的概率。除对架空地线进行抬高以外,架空地线与承力索、接触线在水平面上的相对位置对其防护范围来说也非常关键。以往,电力部门经常采用“折线法”、“保护角”等概念对避雷线的防护范围进行设计。而自上世纪80年代开始,世界上大多数国家均采用IEC (国际电工委员会)标准的“滚球法”计算保护范围。近些年,我国在新修订的国家标准中也逐渐接受了“滚球法”。

采用“滚球法”校验架空地线的防护范围,通过校验结果来调整架空地线与接触线、承力索的空间位置以加强接触网抵御直击雷的能力,不失为一种好的有效的防雷方案。

4.2 减小接地电阻与接地间距

有关文献对接地电阻与耐雷水平之间的关系进行了仿真研究,不论雷电流波形如何,线路耐雷水平总体上随支柱接地电阻的增加而相应降低。此外,减小接地电阻阻值,对减小雷电反击也有一定的作用。避雷线上落雷后,雷电流沿避雷线流入支柱,虽然支柱或其接地引下线的电感、支柱接地电阻上的压降、柱顶的电位可能达到足以使线路绝缘发生反击的数值,但是即使这样仍会造成停电事故。所以,在成本不增加很多的前提下,可以考虑尽量减小接地电阻值,以减小雷电反击发生的几率。

当接地电阻值为10 Ω时,50 kA的雷电流通过支柱,将抬高电位至500 kV左右,大大超过腕臂绝缘子的耐压水平,极有可能使绝缘子发生闪络,甚至造成绝缘子损坏。而当接地电阻值小于2 Ω时,同样程度的雷击所带来的电位升高小于300 kV,则在绝缘子承受范围以内。

在土壤电阻率较低的地区,用桥墩作为基础接地体时,接地电阻值应尽量降低。运营中,可有效减少绝缘子闪络的发生概率,在防雷重点区域,还可考虑适当缩小接触网系统的接地间距。

为解决防雷与杂散电流防护在接地方面的矛盾,在高架段每个接地点处均设置电压均衡器。该设备能够防止杂散电流向外部扩散,同时在发生雷击事故时,能瞬时短接接触网接地侧设备和桥墩地网的连通。

4.3 适当提高绝缘子绝缘等级

从经济性角度考虑,在重点区域可考虑提高绝缘等级。其中导线终端下锚处是相对重要的部位,下锚绝缘子一旦被雷电击穿断裂,会导致与断线相同的后果,影响面较大,恢复时间较长。因此,重点区域提高绝缘等级应采取差异化防雷方案,采取加强绝缘的措施。有的区段,对所有接触网导线的末端都采用电气化铁路专用27.5 kV的复合绝缘子,其绝缘强度大大高于地铁直流1.5 kV的电压等级,标准雷电冲击耐受电压达到300 kV,大大超过其它杆塔采用的直流1.5 kV 绝缘子标准雷电冲击耐受电压125 kV的耐压水平。

这种对于重点保护部位加强绝缘的措施应能使导线终端下锚绝缘子得到相对良好的保护,可以有效避免接触网导线终端绝缘子雷击断裂的后果。

4.4 合理设置避雷器

对于架空线路而言,其所经地域广阔,周边环境多变,都应加强对感应雷的防护。而经济合理地设置避雷器对提高接触网防感应雷的水平有一定作用,特别是在重点区域,对重要设备和设施的防护,较为有效,如上网馈线开关处、隧道洞口处、分段绝缘器附近、下锚集中处等。其中,上网馈线开关处应安装避雷器,其来雷侧临近支柱也应安装避雷器,在雷电波未到达馈线开关处之前,先行进行有效拦截。

同时,也必须认识到接触网安装避雷器的衍生问题:①因避雷器保护范围有限,只能防止其保护范围内的接触网绝缘闪络;②二氧化锌避雷器大都采用带串联间隙的结构,其复合绝缘子长度短,污秽条件下的工频电压耐受能力低,可能会增加污闪事故率;③过于加密安装避雷器,初投资和维修费用也将增加,预防试验和维修工作量极大。

4.5 因地制宜,采取综合技术措施进行防雷

在具体工程中,防雷措施的采用与线路所在地形地貌、气象条件密切相关,不同的地域差异较大,同一地域中线路周边环境也有一定差别,防雷措施的制定应充分考虑这些因素,可有针对性地采用避雷线、避雷器、接地、加强绝缘等一种防雷措施或不同防雷措施的组合。

架空接触网防雷,还应考虑周边建筑物,特别是架空输电线路的天然“屏蔽”作用。充分考虑这方面因素,可以有效节省投资,减少设置避雷器的数量,降低维护工作量。

5 结论

轨道交通架空接触网的防雷主要措施有抬升避雷线、设置避雷器、减小接地电阻、加强绝缘、在重点区域对重点设备综合防雷、全线应差异化防雷等。在确定防雷的具体方式时,应综合考虑线路经过地区雷电活动的强弱、地形地貌特点、土壤电阻率的高低等自然条件,根据不同防雷措施或相应组合措施方案的技术经济比较结果,采取合理的保护措施。

轨道交通架空接触网防雷的目的是提高线路的防雷性能,降低线路的雷击跳闸率。采取经济合理的防雷措施,可有效降低因雷电造成的供电系统跳闸概率和故障概率。

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On Comprehensive Lightning Protection of Rail Transit Overhead Catenary

DAI Lijun, YANG Lixin, CHENG Minghua

Traction power supply system provides traction power for rail transit train,the overhead contact line is an important part in traction power supply system,granting power to EMU (electronic multipl unit) stream.Rail transit power supply system generally adopts overhead catenary grant stream standards,when the viaduct form is adopted for rail transit,the catenary system tends to become the relatively high area in a certain section,making it vulnerable to lightning damages.In this paper,the lightning prevention technology and policies of overhead catenary power supply system are comprehensively researched,key issues in the integrated technology of overhead catenary lightning prevention are analyzed,some technical counter measures are proposed.

rail transit; overhead catenary line; lightning prevention measures

U 226.8+3

10.16037/j.1007-869x.2016.12.014

2016-09-22)