關于成都地鐵高架段接觸網防雷問題的探討

林慧

摘 要：地鐵是城市交通系統的重要組成部分，由于現在地鐵建設覆蓋范圍的加大，地鐵線路高架區段越來越多，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段接觸網防雷保護進行分析，以期找出適合高架區段接觸網系統的防雷設計。

關鍵詞：地鐵高架區段；接觸網；防雷保護

引言

近年來，由于城市軌道交通工程數量激增，線路由城市向郊區擴展，地鐵也由在地下運行轉而在地面及高架橋上運行。由于高架區段往往位于較為空曠的地段，屬于高雷區，因此該區段的接觸網系統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遭遇雷擊，導致列車在出入段線區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，接觸網系統多次遭受雷擊導致絕緣子破裂、直流開關跳閘閉鎖。據統計，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段及試車線先后由于雷擊導致線路搶修； 2013年6月及2014年4月，成都地鐵2號線車輛段由于雷擊導致線路搶修。

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

1 高架區段接觸網防雷設置

1.1 架設避雷線

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

雷電放電時為梯式放電，先導電荷產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線之間的保護角有關，在電力系統中，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°，而根據目前地鐵接觸網的設計高度及電壓等級計算出的保護角卻遠遠大于以上規定值，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遭受直擊雷的次數，并降低牽引所的跳閘次數，在高架區段大約可降低約30%。但當雷暴頻繁發生時，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生危險的過電壓，引起地電位反擊，造成接觸網絕緣子被燒蝕或將雷電流引入牽引所設備，進而影響運營。

1.2 設置避雷器

接觸網系統每隔250m左右設置一臺避雷器，避雷器接于接觸網與地之間，與被保護的設備形成并聯關系。

橋墩縱向結構鋼筋與避雷器相連，正常運營電壓下避雷器呈高阻狀態，僅有幾十微安電流通過，當系統出現大氣過電壓或操作過電壓時，避雷器呈低阻狀態，將過電流（雷電流）迅速泄于大地，使并聯的設備免遭損害。避雷器可以避免讓所在支柱的絕緣子不發生絕緣子閃絡，但由于落雷點是一個隨機發生事件，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生閃絡，由于接觸網絕緣子絕緣強度較低，在雷電襲擊下，雷電波沿著接觸網線路傳播，甚至引起絕緣子連續閃絡的情況。

2 高架區段接觸網防雷優化設置

成都地鐵二號線東西延伸線的高架區段于2014年在架空接觸網的腕臂絕緣子上裝設帶串聯間隙的避雷器。

該裝置由避雷器本體、串聯的間隙以及安裝的金具組成，應用時將該避雷器與腕臂絕緣子并聯安裝，結構示意圖如圖1所示。避雷器本體外絕緣為復合硅橡膠材料，在耐老化、耐電腐蝕、耐污穢方面較傳統的陶瓷絕緣子有明顯優勢，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，由于串聯間隙的存在，避雷器本體并不承受系統的運行電壓；在雷電襲擊下，串聯間隙被擊穿，金屬氧化物電阻片就會瞬間呈現低阻抗，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生閃絡。為防止避雷器遭遇雷擊后頻繁動作，影響壽命，不應將間隙選用的過小，試驗證明，串聯間隙取值70mm時，該裝置可將通過絕緣子的雷電流旁路完全引導至串聯間隙，有效降低絕緣子損壞數量。

通過成都地鐵2號線實際運營證明，加裝了帶串聯間隙的避雷器的區段，尚未發生過雷擊故障。

3 后續問題

一般為了減少雜散電流對橋梁鋼筋的腐蝕，地鐵接觸網系統的支柱均采用絕緣安裝，即：高架區段橋梁上部結構與橋墩之間為絕緣。當雷電襲擊發生后，雷電流沒有就近泄入大地的通道，導致接觸網支柱電位瞬間升高。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，造成電氣設備損壞。而對同軌道相連的信號設備亦是事故隱患。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

在高架區段，接觸網支柱應按照一定的間隔（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構的電位差，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，這對牽引所內設備的保護也起了重要作用。

5 結束語

防雷安全是地鐵運營安全保障的重要部分，文章結合當前成都地鐵接觸網的防雷設計提出了以上一些思考。但是關于目前高架區段接觸網的防雷保護仍然有待進一步研究，考慮到雷擊發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結合經濟成本，從減少運營維護出發，譬如通過現代仿真技術的應用，計算出最優的防雷保護設置方案。

參考文獻

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