地鐵接觸網(wǎng)避雷器保護(hù)范圍的研究

艾東兵 熊 晶

(1.深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，518000，深圳； 2.深圳古瑞瓦特新能源股份有限公司，518000，深圳//第一作者，工程師)

近年，國(guó)內(nèi)地鐵接觸網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生了多起嚴(yán)重的雷擊事件。部分事件中，不僅接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備被損壞，還造成了地鐵列車大面積、長(zhǎng)時(shí)間延誤，嚴(yán)重影響乘客出行，其社會(huì)影響很大。地鐵接觸網(wǎng)防雷問(wèn)題已成為亟待解決的問(wèn)題。

氧化鋅避雷器作為地鐵接觸網(wǎng)系統(tǒng)的主要防雷裝置，是防雷方案討論及設(shè)計(jì)的重點(diǎn)研究對(duì)象。而避雷器保護(hù)范圍的問(wèn)題始終存在爭(zhēng)議。

1 典型的雷擊事件

深圳地鐵露天接觸網(wǎng)主要分布在部分車輛段和1、5號(hào)線的高架段，均為架空柔性接觸網(wǎng)，分別采用簡(jiǎn)單懸掛和簡(jiǎn)單鏈型懸掛的安裝形式。接觸網(wǎng)沿線架設(shè)的架空地線通過(guò)金屬抱箍與接觸網(wǎng)下錨底座及支持裝置等共支柱安裝。架空地線每隔200 m就通過(guò)1個(gè)地電位均衡器連接接地極。接觸網(wǎng)采用2種絕緣子，其最小爬距分別為250 mm和400 mm。絕緣子的雷電全波沖擊耐受電壓不小于100 kV。除上網(wǎng)點(diǎn)、車站兩端及過(guò)渡段隧道洞口外，全線區(qū)間接觸網(wǎng)每隔200 m設(shè)置1套無(wú)間隙金屬氧化鋅避雷器，并利用橋墩內(nèi)部鋼筋網(wǎng)作為接地體，其接地電阻小于10 Ω。

深圳地區(qū)的雷電活動(dòng)特別強(qiáng)烈。深圳地鐵露天接觸網(wǎng)系統(tǒng)曾多次發(fā)生雷擊事件。2014年5月20日，深圳地鐵1號(hào)線高架段與5號(hào)線塘朗車輛段試車線均發(fā)生了雷擊接觸網(wǎng)事件，并造成車輛段和正線接觸網(wǎng)多個(gè)供電分區(qū)跳閘失壓、絕緣子擊穿炸裂、線索燒傷及多臺(tái)開(kāi)關(guān)控制箱內(nèi)部元器件損壞等嚴(yán)重后果。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，雷擊閃絡(luò)絕緣子距避雷器最近距離僅35 m。表1為幾起典型雷擊接觸網(wǎng)事件中閃絡(luò)絕緣子與避雷器最小距離的統(tǒng)計(jì)。

2 避雷器防護(hù)范圍

2.1 雷電波傳播特性

為了便于分析雷電波傳播特性，在雷電波引起的過(guò)電壓作用下，接觸網(wǎng)導(dǎo)線按分布參數(shù)元件處理(如圖1所示)。假定接觸網(wǎng)導(dǎo)線為1根無(wú)限長(zhǎng)的均勻無(wú)損單導(dǎo)線。導(dǎo)線單位長(zhǎng)度電感L0和電容C0均為常量。

表1 典型雷擊事件統(tǒng)計(jì)

a) 單根無(wú)損線首端合閘

b) 等效電路

在時(shí)間t=0時(shí)，開(kāi)關(guān)合閘，電源開(kāi)始向電路電容充電?？拷娫吹碾娙菹瘸潆?，然后向相鄰電容放電。由于存在線路電感，較遠(yuǎn)的電容需要間隔一段時(shí)間才能充電，并向更遠(yuǎn)的電容進(jìn)行放電。線路上電壓波與電流波同時(shí)以相同的速度傳播。

設(shè)向x方向傳播的電壓波和電流波，在t=Δt時(shí)到達(dá)x=Δx點(diǎn)。則在Δt內(nèi)，長(zhǎng)度為Δx的導(dǎo)線上電容C0Δx充電至電動(dòng)勢(shì)為E，獲得電荷C0ΔxE。這些電荷又是在時(shí)間Δt內(nèi)，通過(guò)大小為I的電流波輸送過(guò)來(lái)的。因此，

C0ΔxE=IΔt

(1)

另一方面，導(dǎo)線總電感為L(zhǎng)0Δx，在Δt內(nèi)，大小為i的電流波在導(dǎo)線周圍建立起磁鏈。因此，導(dǎo)線感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

(2)

由式(1)和式(2)可得，波阻抗為

(3)

由于對(duì)架空線路，有

L0=μ0ln(2h/r)/(2π)

(4)

C0=2πε0/ln(2h/r)

(5)

式中：

μ0——空氣的導(dǎo)磁系數(shù)；

ε0——空氣的介電系數(shù)；

h——導(dǎo)線的對(duì)地高度；

r——導(dǎo)線半徑。

因此，Z與線路長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。

令x為線路首端到線路計(jì)算點(diǎn)X的距離。則導(dǎo)線可看作由無(wú)數(shù)段長(zhǎng)為dx的微型線路單元電路串聯(lián)而成。每段長(zhǎng)為dx的線路電感為L(zhǎng)0dx，電容為C0dx。

(6)

根據(jù)回路電壓方程ΣU=0可知，線路電壓為

(7)

整理得

(8)

變換得：x2-x1=v(t2-t1)

由于v恒大于0，且t2>t1，則(x2-x1)>0，由此可見(jiàn)，Uf為前行電壓波，Ub為反行電壓波；同理可得，If為前行電流波，Ib為反行電流波，故t時(shí)刻在x點(diǎn)的電流I及電壓U為

(9)

(10)

經(jīng)上述分析可知，線路中傳播的任意波形電壓和電流均由前行波和反行波組成。當(dāng)前行波和反行波在線路中相遇時(shí)，電壓波和電流波的值符合疊加定理。

2.2 避雷器保護(hù)范圍分析

與理想模型相比，實(shí)際的地鐵接觸網(wǎng)系統(tǒng)導(dǎo)線是有限長(zhǎng)導(dǎo)線，且具有線路電阻和對(duì)地電導(dǎo)，故波在線路傳播時(shí)會(huì)有一定程度的衰減。但不影響以下結(jié)論：

由于本文實(shí)證數(shù)據(jù)選用時(shí)間序列，故需要進(jìn)行平穩(wěn)性檢驗(yàn)。采用ADF檢驗(yàn)方法對(duì)各變量進(jìn)行單位根檢驗(yàn)，結(jié)果如表2所示：原序列中只有變量IS不存在單位根，即為平穩(wěn)序列。而一階差分序列中，所有變量都不存在單位根，所以各時(shí)間序列在一階差分的情況下都具有平穩(wěn)性。

(1)Z表示向同一方向傳播的電壓波和電流波之間比值的大小，其數(shù)值與線路長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。

(2) 雷電波是1個(gè)時(shí)間與位置的函數(shù)，當(dāng)雷電波入侵線路時(shí)總是由電源(雷擊點(diǎn))的近端向遠(yuǎn)端進(jìn)行傳播。

圖2為接觸網(wǎng)雷擊的示意圖。如圖2所示，當(dāng)雷電入侵接觸網(wǎng)線路瞬間，產(chǎn)生的電壓波和電流波由雷電侵入點(diǎn)向線路兩端進(jìn)行傳播，由于Z的存在，在線路上形成較高的雷電過(guò)電壓。同時(shí)，由于雷電入侵線路時(shí)電壓波和電流波總是由線路雷電侵入點(diǎn)的近端向遠(yuǎn)端進(jìn)行傳播，故距離雷擊點(diǎn)近的接觸網(wǎng)絕緣元件兩端先產(chǎn)生過(guò)電壓；經(jīng)過(guò)時(shí)間t的傳播后，在距離雷擊點(diǎn)遠(yuǎn)的接觸網(wǎng)絕緣元件兩端產(chǎn)生過(guò)電壓。

圖2 接觸網(wǎng)雷擊示意圖

如圖3所示，圖3 a)為間隙的沖擊絕緣特性曲線，也稱間隙伏秒特性曲線。該間隙可理解為接觸網(wǎng)絕緣子兩端金具間的空氣間隙。圖3 b)表示電壓波在線路上的運(yùn)動(dòng)情況。在t=0時(shí)，電壓波暫未傳播至柱3處，柱1處的電壓已達(dá)UJ，絕緣子發(fā)生擊穿。當(dāng)t=t2時(shí)電壓波傳播至柱3處，且柱3處的電壓已達(dá)UJ?？梢?jiàn)，柱1處絕緣子兩端過(guò)電壓在t1時(shí)就滿足了接觸網(wǎng)絕緣擊穿條件，接觸網(wǎng)釋放雷電能量。此時(shí)柱3處的避雷器并未對(duì)柱1處絕緣子形成有效的防護(hù)。

下面以高架段接觸網(wǎng)為例，對(duì)避雷器距雷電侵入點(diǎn)的距離、雷電流強(qiáng)度、陡度等條件進(jìn)行推算。雷擊簡(jiǎn)化模型如圖4所示。模型中，導(dǎo)線高度為5 m，導(dǎo)線半徑為8 mm，跨距為30 m，避雷器最大沖擊耐受壓100 kV，避雷器放電電壓為0 V，避雷器安裝點(diǎn)距離雷電入侵點(diǎn)的距離為30 m，雷電波在導(dǎo)線內(nèi)的傳播速度為3×108m/s，則可得Z≈428 Ω，取絕緣子雷電全波沖擊耐受電壓最小值(100 kV)為絕緣子雷電擊穿電壓，由Z=u/i得，對(duì)應(yīng)雷電流為0.23 kA。

由于雷電波由雷擊點(diǎn)傳播至避雷器所需時(shí)間為10-7s。故雷電侵入接觸網(wǎng)系統(tǒng)10-7s時(shí)，雷電流達(dá)到0.23 kA，即雷電流即將傳播至避雷器時(shí)，柱1處絕緣子已發(fā)生雷擊閃絡(luò)。則電流波陡度需達(dá)到：

a) 間隙的沖擊絕緣特性曲線

b) 線路上電壓波運(yùn)動(dòng)示意圖

a=2.3 kA/μs

根據(jù)雷電流沖擊波頭陡度出現(xiàn)概率的經(jīng)驗(yàn)公式(lgpa=-a/36)可得，雷電流陡度超過(guò)2.3 kA/μs的概率p=86.34%。

圖4 雷擊簡(jiǎn)化模型示意圖

可見(jiàn)，當(dāng)支柱出現(xiàn)雷電入侵時(shí)，即使相鄰支柱設(shè)有避雷器，超過(guò)86.34%的直擊雷也都會(huì)在避雷器動(dòng)作前導(dǎo)致接觸網(wǎng)絕緣擊穿。

因此，當(dāng)雷電直接侵入地鐵接觸網(wǎng)時(shí)，距離雷擊點(diǎn)最近的接觸網(wǎng)絕緣子會(huì)率先發(fā)生閃絡(luò)擊穿。在接觸網(wǎng)系統(tǒng)中，避雷器僅能限制同一支柱絕緣子兩端的電壓，而不能對(duì)其它絕緣子進(jìn)行有效防護(hù)。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)深圳地鐵運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在雷電侵入露天段接觸網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，由于地鐵接觸網(wǎng)絕緣子的絕緣等級(jí)較低，即使相鄰支柱裝設(shè)有避雷器，接觸網(wǎng)絕緣子也存在雷擊閃絡(luò)的情況，即地鐵接觸網(wǎng)避雷器不存在有效防護(hù)范圍，其僅能保護(hù)安裝處的接觸網(wǎng)絕緣子不發(fā)生擊穿閃絡(luò)。

地鐵對(duì)于露天段接觸網(wǎng)現(xiàn)我國(guó)除在極少線路進(jìn)行過(guò)專項(xiàng)防雷設(shè)計(jì)外，一般都是參照GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》，在露天段按200 m間隔設(shè)置避雷器。但實(shí)際情況表明，這不能有效解決接觸網(wǎng)防雷問(wèn)題。為此，結(jié)合深圳地鐵的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的雷電防護(hù)提出以下幾點(diǎn)建議：

(1) 接觸網(wǎng)的防雷設(shè)計(jì)應(yīng)因地制宜。應(yīng)充分考慮線路經(jīng)過(guò)地區(qū)雷電活動(dòng)的強(qiáng)弱、地形地貌的特點(diǎn)、土壤電阻率的高低及沿線建筑物等條件，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的結(jié)果，制定合理的保護(hù)方案。

(2) 架空地線兼作避雷線。合理設(shè)計(jì)架空地線安裝位置，使其兼?zhèn)浔芾拙€功能，防止雷電直擊導(dǎo)線。同時(shí)，對(duì)雷電流進(jìn)行分流，以減小桿塔的雷電流，使反擊電位下降；對(duì)導(dǎo)線有耦合作用，降低導(dǎo)線上的過(guò)電壓。

(3) 采用不平衡策略。由于架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)里各類線索均帶有較大張力，一旦下錨等位置絕緣子擊穿炸裂，將造成嚴(yán)重的塌網(wǎng)事件。為此，應(yīng)采取不平衡策略，加強(qiáng)關(guān)鍵部位的絕緣強(qiáng)度。

(4) 使用串聯(lián)間隙避雷器。串聯(lián)間隙避雷器除具有限制過(guò)電壓功能外，還具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于安裝檢修、成本低、本身故障率較低、避雷器本體預(yù)防性試驗(yàn)周期長(zhǎng)、對(duì)接地電阻要求低等諸多優(yōu)點(diǎn)，可廣泛使用。

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