地铁接触网避雷器保护范围的研究

刘云

【摘 要】 结合某市地铁运营实践，分析了接触网电压波的运动特性，并建立了接触网雷击的简化分析模型。通过理论分析发现，当雷电直接侵入接触网时，距雷击点最近的绝缘子会率先發生闪络击穿，避雷器仅能限制同一支柱绝缘子两端的电压，而不能对其他缘缘子形成有效保护。建议接触网防雷设计应因地制宜，架空地线宜兼作避雷线，采用不平衡绝缘策略，使用串联间隙避雷器。

【关键词】 地铁接触网 避雷器 保护范围

1避雷器防护范围

1.1 雷电波传播特性

为了便于分析雷电波传播特性，在雷电波引起的过电压作用下，接触网导线按分布参数元件处理（如图1所示）。假定接触网导线为1根无限长的均匀无损单导线。导线单位长度电感L0和电容C0均为常量。

在时间t=0时，开关合闸，电源开始向电路电容充电。靠近电源的电容先充电，然后向相邻电容放电。由于存在线路电感，较远的电容需要间隔一段时间才能充电，并向更远的电容进行放电。线路上电压波与电流波同时以相同的速度传播。

设向x方向传播的电压波和电流波，在t=Δt时到达x=Δx点。则在Δt内，长度为Δx的导线上电容C0Δx充电至电动势为E，获得电荷C0ΔxE。这些电荷又是在时间Δt内，通过大小为I的电流波输送过来的。因此，

（1）

另一方面，导线总电感为L0Δx，在Δt内，大小为i的电流波在导线周围建立起磁链。因此，导线感应电动势为

（2）

由式（1）和式（2）可得，波阻抗为

（3）

由于对架空线路，有

（4）

经上述分析可知，线路中传播的任意波形电压和电流均由前行波和反行波组成。当前行波和反行波在线路中相遇时，电压波和电流波的值符合叠加定理。

1.2 避雷器保护范围分析

与理想模型相比，实际的地铁接触网系统导线是有限长导线，且具有线路电阻和对地电导，故波在线路传播时会有一定程度的衰减。但不影响以下结论：（1）Z表示向同一方向传播的电压波和电流波之间比值的大小，其数值与线路长度无关。（2）雷电波是1个时间与位置的函数，当雷电波入侵线路时总是由电源（雷击点）的近端向远端进行传播。

图2为接触网雷击的示意图。如图2所示，当雷电入侵接触网线路瞬间，产生的电压波和电流波由雷电侵入点向线路两端进行传播，由于Z的存在，在线路上形成较高的雷电过电压。同时，由于雷电入侵线路时电压波和电流波总是由线路雷电侵入点的近端向远端进行传播，故距离雷击点近的接触网绝缘元件两端先产生过电压；经过时间t的传播后，在距离雷击点远的接触网绝缘元件两端产生过电压。

如图3所示，图3a）为间隙的冲击绝缘特性曲线，也称间隙伏秒特性曲线。该间隙可理解为接触网绝缘子两端金具间的空气间隙。图3b）表示电压波在线路上的运动情况。在t=0时，电压波暂未传播至柱3处，柱1处的电压已达UJ，绝缘子发生击穿。当t=t2时电压波传播至柱3处，且柱3处的电压已达UJ。可见，柱1处绝缘子两端过电压在t1时就满足了接触网绝缘击穿条件，接触网释放雷电能量。此时柱3处的避雷器并未对柱1处绝缘子形成有效的防护。

a）间隙的冲击绝缘特性曲线b）线路上电压波运动示意图

下面以高架段接触网为例，对避雷器距雷电侵入点的距离、雷电流强度、陡度等条件进行推算。雷击简化模型如图4所示。模型中，导线高度为5m，导线半径为8mm，跨距为30m，避雷器最大冲击耐受压100kV，避雷器放电电压为0V，避雷器安装点距离雷电入侵点的距离为30m，雷电波在导线内的传播速度为3×108 m/s，则可得Z≈428Ω，取绝缘子雷电全波冲击耐受电压最小值（100kV）为绝缘子雷电击穿电压，由Z=u/i得，对应雷电流为0.23kA。

由于雷电波由雷击点传播至避雷器所需时间为10-7 s。故雷电侵入接触网系统10-7 s时，雷电流达到0.23kA，即雷电流即将传播至避雷器时，柱1处绝缘子已发生雷击闪络。则电流波陡度需达到：

根据雷电流冲击波头陡度出现概率的经验公式（lg pa=-a/36）可得，雷电流陡度超过2.3kA/μs的概率p=86.34%。

可见，当支柱出现雷电入侵时，即使相邻支柱设有避雷器，超过86.34%的直击雷也都会在避雷器动作前导致接触网绝缘击穿。因此，当雷电直接侵入地铁接触网时，距离雷击点最近的接触网绝缘子会率先发生闪络击穿。在接触网系统中，避雷器仅能限制同一支柱绝缘子两端的电压，而不能对其它绝缘子进行有效防护。

结束语

结合地铁的运营经验，对接触网系统的雷电防护充分考虑线路经过地区雷电活动的强弱、地形地貌的特点、土壤电阻率的高低及沿线建筑物等条件；合理设计架空地线安装位置，使其兼备避雷线功能，防止雷电直击导线。同时，对雷电流进行分流，以减小杆塔的雷电流，使反击电位下降；对导线有耦合作用，降低导线上的过电压。

【参考文献】

[1] 魏光耀.地铁牵引供电系统建模与仿真[D].西南交通大学，2017.