接触网和接触轨两种供电方式下地铁线路耐雷击水平分析与比较

李瑞芳韩虎金亮陈奎曹晓斌李鲲鹏，3

接触网和接触轨两种供电方式下地铁线路耐雷击水平分析与比较

李瑞芳1韩虎2金亮1陈奎1曹晓斌1李鲲鹏1，3

（1.西南交通大学电气工程学院，610031，成都；2.四川电力设计咨询有限公司，610031，成都；3.广州地铁设计研究院有限公司，510010，广州//第一作者，讲师）

架空接触网供电和接触轨供电是地铁线路常见的两种供电方式。运用CDEGS软件建立了接触网线路和接触轨线路模型，仿真分析两种方式下雷击位置及高架桥高度对耐雷击水平的影响，以及接触轨供电方式下避雷带架设高度对耐雷击水平的影响；比较了两种供电方式下的耐雷击水平差异并解释了原因。结果表明，两种供电方式下，雷击点距接地点越远，耐雷击水平越低；高架桥越高，耐雷水平越低。接触轨供电方式下，避雷带越高，耐雷击水平越高。接触轨供电方式下的耐雷击水平较接触网供电方式高得多。

地铁；架空接触网；接触轨；耐雷击水平

First-author′s addressSchool of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，610031，Chengdu，China

通信、信号等电子信息类设备系统是维系地铁正常运营的中枢神经，一旦遭受雷击或雷电波侵入，将危及地铁正常的运输秩序，甚至造成重大的人员伤亡和巨大的经济损失［1-5］。且地铁高架线路［6］极易遭受雷击，因此有必要研究地铁线路的雷击特性。

目前，轨道交通防雷的研究以铁路为主。但地铁与铁路的牵引供电方式不同，一方面是接触悬挂方式不同，另一方面地铁的电压等级一般为直流750 V和直流1 500 V，比铁路交流25 kV的电压等级低得多，故地铁线路的绝缘比普通铁路弱，更容易引起雷击跳闸。因此，地铁防雷不能照搬普通铁路的研究成果，需针对性地展开研究。目前，关于地铁防雷虽有一定的研究成果［7-11］，但未见针对地铁线路耐雷击水平影响因素和防雷效果的详细研究。接触轨和接触网是地铁常见的供电方式，二者在结构形式、对地高度等方面均不一样，其耐雷击水平和防雷措施势必也不一样。研究二者耐雷击水平的差异，可为防雷措施的提出提供参考。

1 线路参数及建模

1.1接触网线路参数及建模

本文以某地铁线路高架区段为研究对象，采用CDEGS软件进行仿真分析。该软件是解决电力系统接地、电磁场和电磁干扰等工程问题的强大工具软件，可在正常、故障、雷电和暂态条件下，计算地上或地下任意位置带电导线组成的网状结构产生的接地电位、导线电位和电磁场，还能为简单的、裸露的和含外皮的金属管，以及封闭管道、电缆系统和复杂土壤结构中的各种导线建立计算模型。本文采用CDEGS软件包的HIFREQ模块和FFTSES模块建立地铁高架桥架空接触网模型，研究其雷电过电压情况。

该模型为上下行复线区段，牵引供电系统电压为直流1 500 V，长度取1 000 m。图1为该地铁线路单支柱典型安装示意图。其中，hg表示避雷线到桥面的距离，和支柱高度相等，为8m；hc表示接触线到桥面的距离，为4.87m；hv表示高架桥的高度，为8 m。支柱跨距为50m，高架区段利用桥墩做自然接地体，接地电阻不大于10Ω。架空地线抬高兼做避雷线。高架桥桥墩间距为30m，支柱每间隔200m通过桥墩接地引下线实现接地。钢轨距桥面高度为0.27m，钢轨每间隔50m通过同向均流电缆实现电气连接，上下行钢轨每间隔500m通过上下行均流电缆实现电连接，以均衡钢轨电位。上下行轨道间距为2.8m。考虑排流网结构钢筋，用钢筋网格结构等效。钢筋网格位于轨面以下0.5m的水平面处，由3根纵向钢筋每隔一定距离横向连接钢筋构成。

图1 地铁高架桥单支柱典型安装示意图

1.2接触轨线路参数及模型

参考架空接触网的建模方法，利用CDEGS辅助工具SESCAD创建导体模型。模型的参数如导体类型、导体半径、导体的分段、导体涂层、激励类型及大小、土壤类型和土壤电阻率的设置等均与接触网模型中的方法一致。

为便于比较，接触轨仿真参数尽量与接触网一致。即仍采用1 500 V供电，高架桥每200m接地。模型为上下行复线区段，接触轨（第三轨）通过绝缘支架及其底座固定在道床上。绝缘支架底座沿道床每间隔5m安装一个，闪络电压取125 kV。上下行的绝缘支架底座通过接地扁铜连接在一起，引回到牵引变电所接地网实现接地（模型中通过在接地扁铜两端设置一个0.5Ω的接地网来模拟变电所接地网）。避雷带架设在接触轨侧上方位置，每间隔200m通过桥墩接地引下线实现接地。钢轨相关参数同接触网。接触轨模型不考虑排流网和结构钢筋的影响。

2 耐雷击性能的影响因素分析

2.1接触网耐雷击水平影响因素分析

2.1.1 雷击位置对耐雷击水平的影响

在模型中选取不同的雷击位置，分别进行耐雷击水平仿真计算。雷击位置如图2所示。图中雷击点1～5距接地支柱的距离分别为0m、10m、30m、50 m和100m。

图2 接触网线路雷击位置示意图

分别选取5/20μs和2.6/50μs两种雷电流波形，得到雷击不同位置的耐雷击水平，如图3所示。各种情况下最先达到闪络电压的绝缘子总是距离雷击点最近的接地支柱上的绝缘子。

图3 雷击不同位置对耐雷击水平的影响

由图3可见，雷击接地支柱的耐雷击水平最高；雷击点距接地支柱越远，其耐雷击水平越低。这是因为接地支柱有电流通路，大部分雷电流可通过接地支柱流入大地，耐雷击水平就高；而离接地支柱较远的雷击点，雷电流需经过较长的桥面距离才能通过桥墩入地，雷电流不易散流，耐雷击水平就低。

2.1.2 高架桥高度对耐雷击水平的影响

改变高架桥高度，保持模型其他参数不变，选取桥墩接地电阻为8Ω，雷击100m处避雷线，仿真计算不同高架桥高度的耐雷击水平。仿真结果见图4。

由图4可见，当高架桥高度从5m到20m变化时，耐雷击水平分别在2.14～1.13 kA及1.5～1.0 kA之间变化。这是因为高架桥越高，遭受雷击时其雷电流通路越长，导致支柱电位升增加，耐雷击水平降低。

2.2接触轨耐雷击水平影响因素分析

图4 不同高架桥高度对耐雷击水平的影响

2.2.1 雷击位置对耐雷击水平的影响

选取雷电流波形为2.6/50μs，桥墩接地电阻为8Ω，避雷带高度为1m，研究接触轨供电方式下雷击避雷带不同位置时的耐雷击性能。雷击位置如图5所示。雷击点1～5与接触网线路仿真时位置相同，离支柱的距离分别为0m、10m、30m、50m和100m。图6为耐雷击水平随雷击位置的变化情况。

图5 接触轨线路雷击位置示意图

图6 雷击位置对耐雷击水平的影响

从图6可见，接触轨供电方式下，雷击位置对耐雷击水平的影响类似接触网供电，即雷击点距接地点越远，耐雷击水平越低。这是因为雷击点距接地点越远，经接地引下线泄漏的雷电流比例越少，在总雷电流一定的情况下流经避雷线上的电流越大，产生的感应雷过电压也越大，绝缘支架两端也会产生相应的感应过电压，因此耐雷击水平较低。反之较高。

2.2.2 高架桥高度对耐雷击水平的影响

改变高架桥高度，保持模型其他参数不变，选取桥墩接地电阻为8Ω，雷击500m处避雷带，仿真计算不同高架桥高度的耐雷击水平。仿真结果见图7。

图7 高架桥高度对耐雷击水平的影响

从图7可以看出，高架桥高度在5～20m范围变化时，耐雷击水平从5 kA降低到3 kA。这是因为高架桥越高，雷电流通路越长，雷电流衰减速度越慢，故耐雷击水平越低。

2.2.3 避雷带高度对耐雷击水平的影响

目前接触轨避雷带有两种架设方式，一种是直接在桥翼架设普通避雷带，高度大约为1.2m；另一种是采用金属隔音墙兼做避雷带，高度约为2m。避雷带高度不同，导致其耐雷击水平不同，因此需要研究避雷带高度对耐雷击水平的影响。

选取高架桥高度为10m，桥墩每隔200m实现接地。接地电阻为8Ω。雷击位置为模型正中央的避雷带处，避雷带架设高度为2m，绝缘支架闪络电压取125 kV。仿真计算时，绝缘支架电压取接触轨电压与绝缘底座电压之差。对仿真结果的各个绝缘支架电压分别分析可知，距离雷击点最近的绝缘支架的电压差最大，当该绝缘支架达到闪络电压时，相应的感应雷过电压波形如图8所示。针对不同的避雷带架设高度，分别仿真其耐雷击水平，结果见图9。

由图9可知，避雷带高度越高，耐雷击水平也越高。这是因为避雷带与接触轨、绝缘支架底座均没有电气连接，绝缘支架两端的电压均是由于避雷带上的雷电流传播感应产生的，绝缘支架上端离避雷带近，电压随着避雷带高度的增加衰减较快，绝缘支架下端的电压则衰减较慢，导致绝缘支架上下两端电压差减少，不容易闪络。

图8 感应雷过电压放大图

图9 避雷带高度对耐雷击水平的影响

3 接触网和接触轨供电方式下耐雷击水平比较

为更加直观地比较接触轨和接触网供电方式下的耐雷击水平，将仿真结果列表进行比较分析。两种供电方式下，不同雷击位置的耐雷击水平比较见表1，不同高架桥高度的耐雷击水平比较见表2。

表1 两种供电方式下雷击不同位置的耐雷击水平

表2 两种供电方式下不同高架桥高度的耐雷击水平

由表1和表2可知，无论雷击位置改变，还是高架桥高度改变，接触轨供电方式都比接触网供电方式的耐雷击水平高。其原因为：雷击避雷线时，绝缘子闪络是因雷电流经过支柱接地散流，支柱的电位升导致，由于避雷线比避雷带高得多，因此这个电位升很高，导致绝缘子两端电压差很大，很容易达到闪络电压，即耐雷击水平很低；而雷击避雷带时，其引下线与绝缘支架的两端不连接，绝缘支架的闪络主要是由避雷带两端雷电流感应的过电压引起，这个感应的电压值要比接触网方式雷击避雷线时杆塔的电位升小得多，故绝缘支架不容易闪络，因此其耐雷击水平比接触网方式下高得多。

4 结语

本文通过CDEGS软件仿真研究了接触轨和接触网两种供电方式下的耐雷击水平，并分析了二者耐雷击水平差异的原因，得出如下结论：

（1）两种供电方式下，雷击点与接地点距离的差别对耐雷击水平有很大影响，雷击点距接地点距离越小，其耐雷击水平越高；两种供电方式下，耐雷击水平都随高架桥高度增加而降低。

（2）接触网供电方式下，按照滚球法，避雷带已在接触网避雷线、接触线等线路的保护范围内，雷不可能击到避雷带上，因此只研究了接触轨方式下雷击避雷带的情况。仿真结果表明，避雷带越高，耐雷击水平越高。但避雷带增高，导致引雷范围增大，因此避雷带不宜太高，工程中建议取值2m。

（3）经比较，接触轨供电方式下的耐雷击水平比接触网供电方式要高得多。

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Com parative Research of Lightning W ithstand Levels between M etro Catenary M ode and Contact Rail Power Supply M ode

LIRuifang,HAN Hu,JIN Liang,CHEN Kui,CAO Xiaobin, LIKunpeng

Overhead catenary and contact rail are two kinds of common power supply modes in metro system.The lightning w ithstand levels of the two power supply modes are researched by using CDEGS software to establish a simulation model. The effect of lightning strike positions and height of elevated bridge on lightning w ithstand level is analyzed.The differences of lightning w ithstand levels between catenary mode and contact rail power supply mode are compared，the courses are explained.When the point of strike is higher from the ground, the lightning w ithstand level is lower，otherw ise on the contrary.The research shows that the lightning w ithstand level of contact railmode is higher than thatof the overhead catenary.

metro；overhead catenary；contact rail；lightning withstand level

U231.96

10.16037/j.1007-869x.2017.07.011

2015-07-07）