關(guān)于成都地鐵高架段接觸網(wǎng)防雷問題的探討

林慧

摘 要：地鐵是城市交通系統(tǒng)的重要組成部分，由于現(xiàn)在地鐵建設(shè)覆蓋范圍的加大，地鐵線路高架區(qū)段越來越多，加之地鐵本身是人員密集的重要運載工具，一旦接觸網(wǎng)遭受雷擊或者被雷電波入侵，將嚴重影響地鐵正常的運營秩序。文章通過對成都地鐵高架區(qū)段接觸網(wǎng)防雷保護進行分析，以期找出適合高架區(qū)段接觸網(wǎng)系統(tǒng)的防雷設(shè)計。

關(guān)鍵詞：地鐵高架區(qū)段；接觸網(wǎng)；防雷保護

引言

近年來，由于城市軌道交通工程數(shù)量激增，線路由城市向郊區(qū)擴展，地鐵也由在地下運行轉(zhuǎn)而在地面及高架橋上運行。由于高架區(qū)段往往位于較為空曠的地段，屬于高雷區(qū)，因此該區(qū)段的接觸網(wǎng)系統(tǒng)受到雷電威脅的可能性會更高，2010年7月，南京地鐵1號線高架段由于雷擊導(dǎo)致線路停運150min；2011年4月，北京地鐵10號線車輛段地面信號系統(tǒng)遭遇雷擊，導(dǎo)致列車在出入段線區(qū)段只能以人工控制方式運行。

截止到目前，成都地鐵在建線路為1～7及10號線工程，正線高架區(qū)段約占20%，高架段沿線較為空曠。自2010年成都地鐵二號線建成投入運營以來，接觸網(wǎng)系統(tǒng)多次遭受雷擊導(dǎo)致絕緣子破裂、直流開關(guān)跳閘閉鎖。據(jù)統(tǒng)計，2010年9月及2011年7月，成都地鐵2號線停車場出入段線高架區(qū)段及試車線先后由于雷擊導(dǎo)致線路搶修； 2013年6月及2014年4月，成都地鐵2號線車輛段由于雷擊導(dǎo)致線路搶修。

為加強高架及空曠區(qū)段的防雷措施，成都地鐵2號線東西延伸高架段為接觸網(wǎng)系統(tǒng)引入了一種帶串聯(lián)間隙避雷器以保護腕臂絕緣子，防止出現(xiàn)停運等嚴重事故。文章針對目前成都地鐵高架區(qū)段的設(shè)置特點，對高架區(qū)段的雷電防護設(shè)計問題加以探討。

1 高架區(qū)段接觸網(wǎng)防雷設(shè)置

1.1 架設(shè)避雷線

正線接觸網(wǎng)設(shè)置貫通的架空地線，并將架空地線抬高兼做避雷線，覆蓋架空接觸網(wǎng)，架空地線每隔200m設(shè)置火花間隙。

雷電放電時為梯式放電，先導(dǎo)電荷產(chǎn)生的電場會加強放電目標物體的電場。因此抬高的架空地線成為最易受到雷電襲擊的對象。

架空地線的直擊雷保護效果和被保護的導(dǎo)線之間的保護角有關(guān)，在電力系統(tǒng)中，不同的電壓等級要求的保護角也有不同的要求，一般66kV及以下輸電線路一般保護角為20°～30°，而根據(jù)目前地鐵接觸網(wǎng)的設(shè)計高度及電壓等級計算出的保護角卻遠遠大于以上規(guī)定值，實際工程中架空地線的安裝高度很難達到保護角要求，因此產(chǎn)生的屏蔽效果也有一定影響。

從大部分已運營的線路來看，將架空地線抬高兼做避雷線能夠有效降低接觸網(wǎng)遭受直擊雷的次數(shù)，并降低牽引所的跳閘次數(shù)，在高架區(qū)段大約可降低約30%。但當(dāng)雷暴頻繁發(fā)生時，由于抬高的架空地線遭受直接雷擊的可能性較高，反而在接地電阻兩端產(chǎn)生危險的過電壓，引起地電位反擊，造成接觸網(wǎng)絕緣子被燒蝕或?qū)⒗纂娏饕霠恳O(shè)備，進而影響運營。

1.2 設(shè)置避雷器

接觸網(wǎng)系統(tǒng)每隔250m左右設(shè)置一臺避雷器，避雷器接于接觸網(wǎng)與地之間，與被保護的設(shè)備形成并聯(lián)關(guān)系。

橋墩縱向結(jié)構(gòu)鋼筋與避雷器相連，正常運營電壓下避雷器呈高阻狀態(tài)，僅有幾十微安電流通過，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)大氣過電壓或操作過電壓時，避雷器呈低阻狀態(tài)，將過電流（雷電流）迅速泄于大地，使并聯(lián)的設(shè)備免遭損害。避雷器可以避免讓所在支柱的絕緣子不發(fā)生絕緣子閃絡(luò)，但由于落雷點是一個隨機發(fā)生事件，如果落雷點剛好落在距離安裝有避雷器支柱較近的地方，則雷電流可以通過避雷器泄入大地；如果落雷點落在距離安裝避雷器支柱較遠的地方，則支柱絕緣子可能發(fā)生閃絡(luò)，由于接觸網(wǎng)絕緣子絕緣強度較低，在雷電襲擊下，雷電波沿著接觸網(wǎng)線路傳播，甚至引起絕緣子連續(xù)閃絡(luò)的情況。

2 高架區(qū)段接觸網(wǎng)防雷優(yōu)化設(shè)置

成都地鐵二號線東西延伸線的高架區(qū)段于2014年在架空接觸網(wǎng)的腕臂絕緣子上裝設(shè)帶串聯(lián)間隙的避雷器。

該裝置由避雷器本體、串聯(lián)的間隙以及安裝的金具組成，應(yīng)用時將該避雷器與腕臂絕緣子并聯(lián)安裝，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。避雷器本體外絕緣為復(fù)合硅橡膠材料，在耐老化、耐電腐蝕、耐污穢方面較傳統(tǒng)的陶瓷絕緣子有明顯優(yōu)勢，更適合高架線路的線路條件。避雷器仍然利用金屬氧化物電阻片的非線性特點，即在線路正常運行時，由于串聯(lián)間隙的存在，避雷器本體并不承受系統(tǒng)的運行電壓；在雷電襲擊下，串聯(lián)間隙被擊穿，金屬氧化物電阻片就會瞬間呈現(xiàn)低阻抗，釋放雷電能量，從而限制腕臂絕緣子兩端的過電壓，進而可以避免絕緣子發(fā)生閃絡(luò)。為防止避雷器遭遇雷擊后頻繁動作，影響壽命，不應(yīng)將間隙選用的過小，試驗證明，串聯(lián)間隙取值70mm時，該裝置可將通過絕緣子的雷電流旁路完全引導(dǎo)至串聯(lián)間隙，有效降低絕緣子損壞數(shù)量。

通過成都地鐵2號線實際運營證明，加裝了帶串聯(lián)間隙的避雷器的區(qū)段，尚未發(fā)生過雷擊故障。

3 后續(xù)問題

一般為了減少雜散電流對橋梁鋼筋的腐蝕，地鐵接觸網(wǎng)系統(tǒng)的支柱均采用絕緣安裝，即：高架區(qū)段橋梁上部結(jié)構(gòu)與橋墩之間為絕緣。當(dāng)雷電襲擊發(fā)生后，雷電流沒有就近泄入大地的通道，導(dǎo)致接觸網(wǎng)支柱電位瞬間升高。同時，雷電襲擊時，走行軌與道床之間的絕緣層亦會被擊穿，軌電位急劇升高，通過走行軌泄露的雜散電流數(shù)量會大大增加，若是牽引所附近的走行軌遭遇雷擊，雷電會通過回流電纜引回牽引所負極柜，造成電氣設(shè)備損壞。而對同軌道相連的信號設(shè)備亦是事故隱患。因此如何防止迷流，同時又能在遭受雷擊時迅速導(dǎo)通雷電流，仍是需要思考的問題。

4 增加雷電流的泄流通道

在高架區(qū)段，接觸網(wǎng)支柱應(yīng)按照一定的間隔（目前是250m一處避雷器、200m一處火花間隙）增加安裝火花間隙，以增加雷電流的泄流通道，發(fā)生在接觸線、架空地線上的雷擊造成的雷電流能夠就近通過避雷器或者火花間隙泄入到大地，可迅速降低支柱與橋梁結(jié)構(gòu)的電位差，同時亦能降低軌道與道床之間的電位差，保護了走行軌與道床之間的絕緣層，防止了迷流的散失，也保護了軌旁設(shè)備的安全。

同時由于新增火花間隙對于雷擊電流的分流作用，雷電通過回流電纜引回牽引所的幾率被大大減小，這對牽引所內(nèi)設(shè)備的保護也起了重要作用。

5 結(jié)束語

防雷安全是地鐵運營安全保障的重要部分，文章結(jié)合當(dāng)前成都地鐵接觸網(wǎng)的防雷設(shè)計提出了以上一些思考。但是關(guān)于目前高架區(qū)段接觸網(wǎng)的防雷保護仍然有待進一步研究，考慮到雷擊發(fā)生有太多的不確定性，落雷點具有的隨機性，泄流通道的密度等均應(yīng)結(jié)合經(jīng)濟成本，從減少運營維護出發(fā)，譬如通過現(xiàn)代仿真技術(shù)的應(yīng)用，計算出最優(yōu)的防雷保護設(shè)置方案。

參考文獻

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