有軌電車接觸網(wǎng)系統(tǒng)防雷研究

張慧潔，唐賈言，古曉東

（1.天津市賽英工程建設咨詢管理有限公司，助理工程師，天津 300191；2.上海市城市建設設計研究總院，高級工程師，上海 200125；3.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，工程師，天津 300251）

近年來，國內(nèi)很多城市都在大力發(fā)展城市軌道交通，其中以地鐵、輕軌形式居多。對于現(xiàn)在還不具備大規(guī)模建設地鐵、輕軌的中小城市，采用有軌電車的形式既可以合理利用城市現(xiàn)有地形，又可以較好地優(yōu)化城市交通結構，具有投資少、見效快的優(yōu)點。架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)是有軌電車供電系統(tǒng)的重要組成部分，采用直流750 V牽引系統(tǒng)供電。由于線路情況的復雜性和接觸網(wǎng)系統(tǒng)自身無備用的特點，使接觸網(wǎng)成為整個牽引供電系統(tǒng)中較為薄弱的環(huán)節(jié)，一旦發(fā)生斷線等事故將嚴重影響機車運行。鑒于所處客運行業(yè)的特殊性，要求盡量減少或避免發(fā)生停運事故，因此做好接觸網(wǎng)的相關防護措施顯得尤為重要〔1〕。

采用簡單懸掛方式的有軌電車接觸網(wǎng)系統(tǒng)，通常由架空地線、接觸線、支持裝置、支柱與基礎組成。其中，架空地線在該系統(tǒng)中除起到工作接地作用外，還兼有避雷線的作用。但全線架設架空地線也有不少缺點，如投資大、運行維護不便、不利于城市景觀的美觀性等。為此，本文以某地區(qū)有軌電車接觸網(wǎng)系統(tǒng)設計中架空地線的架設必要性為例，從接地方案和防雷性能兩方面對架空地線的作用進行分析，使其能為有軌電車接觸網(wǎng)系統(tǒng)設計提供依據(jù)；介紹了國內(nèi)外有軌電車接觸網(wǎng)設計的現(xiàn)狀及結合有軌電車的地理位置及景觀要求，對3種接角網(wǎng)架設方案的優(yōu)缺點進行了分析，最后對蘇州有軌電車接觸網(wǎng)架設提出建議。

1 接地方案分析

接地被定義為“一種有意或非有意的導電連接，由于這種連接，可使電路或電氣設備接到大地，或接到代替大地的某種較大的導電體”，其作用：一是使連接到地的導體具有等于或近似于大地（或代替大地的導電體）的電位；二是引導入地電流流入和流出大地（或代替大地的導電體）。接地的方案有架空地線接地、單個支柱打接地極或埋地線。

1.1 架空地線接地 架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)中，當線路絕緣子發(fā)生閃絡或其它故障時，故障電流必須能通過接地系統(tǒng)及時流入大地并觸發(fā)變電所繼電保護裝置動作。因此良好的接地系統(tǒng)對于架空接觸網(wǎng)而言顯得非常重要。架空地線的設置對于保證接地系統(tǒng)良好運行有重要的作用，當發(fā)生故障時，故障電流能通過架空地線及時流入大地。如果取消架空地線，只能采取單個支柱打接地極或埋地線的方案，而這兩者都易受雜散電流腐蝕的影響。

1.2 單個支柱打接地極 在城市軌道交通等直流供電運輸系統(tǒng)中，常以軌道作為回流通路，而軌道很難做到完全對地絕緣，從而有部分電流從軌道泄漏到道床及周圍土壤中，這部分電流即為雜散電流。雜散電流會對道床、高架橋梁體內(nèi)部的金屬結構及地下輸油、輸氣管道，甚至鄰近的外部建筑物的鋼筋結構及其相關金屬設備產(chǎn)生腐蝕，導致建筑物的強度和設備的使用壽命降低。根據(jù)法拉第電解定律，當流出陽極金屬的電流為1 A時，一年內(nèi)可腐蝕的金屬量為：鉛36 kg、銅11 kg、鐵10 kg。在雜散電流干擾比較嚴重的地區(qū)，電流可達幾十安培甚至幾百安培，壁厚8～9 mm的鋼管，快則2～3個月就會穿孔，因此雜散電流造成的腐蝕相當嚴重。綜上，相比架空地線方案，單獨打接地極的方案存在以下幾方面的缺點：

1）每個支柱單獨打接地極成本高于設置統(tǒng)一的架空地線；

2）受地質(zhì)條件限制，各支柱所在地區(qū)的土壤電阻率不盡相同，難以保證每個接地極的接地電阻都符合標準要求；

3）接地極長期處于地下雜散電流的腐蝕下，設備使用壽命降低，以后的維護工作量較大。

1.3 埋地線接地 采用沿線路埋設地線的方案同樣易受地下雜散電流腐蝕的影響，不便于維護，同時也增加了防水防潮等工程量，進而增加了投資。

2 防雷性能分析

一般而言，線路防雷性能的優(yōu)劣主要由耐雷水平及雷擊跳閘率來衡量。耐雷水平即線路遭受雷擊所能耐受不至于引起閃絡的最大雷電流（kA）。雷擊跳閘率即每100 km線路每年因雷擊引起的跳閘次數(shù)。

一般來說，根據(jù)雷電活動的頻度和雷害的嚴重程度，我國把年平均雷暴日數(shù)T>90的地區(qū)叫做強雷區(qū)，T≥40的地區(qū)為多雷區(qū)，15≤T≤40的地區(qū)為中雷區(qū)，T≤15的地區(qū)為少雷區(qū)〔2〕。

根據(jù)國家氣象臺資料，某地區(qū)年平均雷暴日數(shù)為52天，屬于多雷區(qū)。我國的牽引供電系統(tǒng)在雷雨季節(jié)發(fā)生頻繁跳閘與接觸網(wǎng)不能很好地防止感應過電壓有關。有軌電車系統(tǒng)架空接觸網(wǎng)線路絕緣水平與電力系統(tǒng)10 kV配電線路相當，現(xiàn)利用電氣幾何模型方法對該地區(qū)有軌電車接觸網(wǎng)系統(tǒng)有架空地線和無架空地線的防雷性能進行評估分析。

2.1 直擊雷過電壓 架空地線的直擊雷保護效果同它下方的接觸線和所成的保護角有關。電力部門對于不同電壓等級的保護角的有如下相關要求：

1）500 kV輸電線路保護角宜采用10～15°；

2）330 kV及雙地線220 kV輸電線路宜采用20°；

3）山區(qū)110 kV輸電線路宜采用25°；

4）66 kV及以下輸電線路一般采用20～30°，山區(qū)單架空地線桿塔保護角可采用25°。

參考此標準，取接觸線的平均高度為5 800 mm，則有軌電車接觸網(wǎng)所需架空地線的安裝高度應為10 089 mm。出于工程投資和城市景觀美觀性的考慮，目前架空地線一般高度為8 000 mm，保護角α=42.274°，對直擊雷起到一定的防護作用。由于有軌電車一般處于城市建筑較為密集區(qū)域，受到周圍建筑物的影響，處于雷電的非暴露區(qū)，因而遭受直擊雷的可能性相對較小。因此從直擊雷防護的角度來說，架空地線具有重要的作用，但當周邊建筑物較高較密時，其重要性有所下降。

2.2 感應雷過電壓 基于城市軌道交通的線路特點，應將感應雷防護作為考慮的重點，現(xiàn)分別對有無架空地線的情況進行討論，通過以下計算可看出架設架空地線對于降低感應雷擊跳閘率和提高耐雷水平有重要作用。

2.2.1 有架空地線 當有架空地線的線路附近地面落雷時，如果在接觸網(wǎng)上產(chǎn)生的感應雷過電壓超過線路耐雷水平，將會引起絕緣子的閃絡，甚至引起線路跳閘。假定每次絕緣子閃絡都引起線路跳閘，雷云對地放電時，在接觸網(wǎng)上產(chǎn)生的感應過電壓與雷電流幅值成正比，與地面落雷點同接觸網(wǎng)的水平距離成反比。由于架空地線的存在，接觸網(wǎng)上的感應電壓必然會受到架空地線的耦合作用而受到削弱。故當?shù)孛媛淅c與接觸網(wǎng)的距離為S時，接觸網(wǎng)上的感應過電壓Ugy為

式中：hb為架空地線平均對地高度（m）；

hd為導線平均對地高度（m）；

k0為導線與架空地線的幾何耦合系數(shù)。

l為架空地線與導線的水平距離（m）。此處假設架空地線在支柱中心正上方。接觸網(wǎng)的耐雷水平為

式中：U50%為絕緣子的閃絡電壓（kV）。

地面落雷密度Ng=0.023Td1.3。

取落雷點距接觸網(wǎng)的距離S為2 hb時，接觸網(wǎng)的感應耐雷水平為最小臨界值

根據(jù)《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》（DL/T620-1997），在供電線路的防雷計算中，我國一般地區(qū)雷電流幅值超過某定值的概率公式為計算可得有架空地線時雷電流大于該值的概率為34.3%。

接觸網(wǎng)附近地面落雷如圖1所示，圖中以感應雷和直擊雷的臨界點為原點，以垂直鋼軌方向為x軸，垂直地面方向為y軸，平行鋼軌方向為z軸。將接觸網(wǎng)附近地面落雷區(qū)劃分為多個小區(qū)間。從該點開始按照Δx（單位為m）的寬度等分，直到無窮遠處為止。對于每個小區(qū)間（xi，xi+1），i=0，1，2，…，其寬度Δx與接觸網(wǎng)長度（在此為100 km）的乘積：100Δx/1 000=0.1x（km2），即為該小區(qū)間的受雷面積。該小區(qū)間的年落雷次數(shù)為Ni=0.023Td1.3×0.1Δx。

圖1 接觸網(wǎng)附近地面落雷示意圖

在小區(qū)間（xi，xi+1）內(nèi)落雷時接觸網(wǎng)的耐雷水平為

雷擊該小區(qū)間時的年跳閘次數(shù)為

按照廣義積分法，則可得100 km長度接觸網(wǎng)（雙側）的年感應雷擊跳閘次數(shù)為

2.2.2 無架空地線 無架空地線時同樣假定每次絕緣子閃絡都引起線路跳閘，接觸網(wǎng)上的感應過電壓，接觸網(wǎng)的耐雷水平

取落雷點距接觸網(wǎng)的距離為2hd時，接觸網(wǎng)的感應耐雷水平為最小臨界值。雷電流大于該值的概率為56.8%。

在小區(qū)間（xi，xi+1）內(nèi)落雷時，接觸網(wǎng)的耐雷水平

由此可得100 km長度接觸網(wǎng)（雙側）的年感應雷擊跳閘次數(shù)為

3 國內(nèi)外有軌電車接觸網(wǎng)設計現(xiàn)狀

據(jù)有關資料表明，歐洲中部地區(qū)每100 km接觸網(wǎng)在一年的時間內(nèi)可能遭受1次雷電沖擊。以德國為例，其在設計中采用過電壓保護裝置限制雷電過電壓，一般應用避雷器；同時他們認為避雷器只能對感應過電壓進行有限的保護，不能對直擊雷進行有效地保護，一般只用于無頻繁雷電存在的地段。由于歐洲大部分地區(qū)雷電活動強度低，故無論是從防護方面還是經(jīng)濟效益方面一般不考慮設置防雷裝置，這也是在歐洲的有軌電車中很少見到架空避雷線的原因。

由于日本特殊的地理條件和氣象條件，在電氣化鐵道接觸網(wǎng)設計中，根據(jù)雷擊頻度及線路重要程度，將國土的防雷等級劃分為A、B、C區(qū)域并規(guī)定了相應的防雷措施見表1。

表1 日本國鐵接觸網(wǎng)防雷措施

國內(nèi)的《北京市現(xiàn)代有軌電車技術標準》中規(guī)定：接觸網(wǎng)系統(tǒng)應架設貫通的架空地線，所以與接觸網(wǎng)帶電部分通過絕緣隔離的金屬部分皆連接至架空地線。以上海張江有軌電車接觸網(wǎng)系統(tǒng)和大連有軌電車接觸網(wǎng)系統(tǒng)的實物圖為例進行說明。張江有軌電車接觸網(wǎng)系統(tǒng)中架設了架空地線見圖2的a、b所示。據(jù)上海氣象局提供的雷電參數(shù)，年雷暴日為49，屬高雷區(qū)，運行至今共發(fā)生雷電波入侵達20多次，但未對變電所及接觸網(wǎng)帶來損害。

圖2 張江有軌電車接觸網(wǎng)（架設架空地線）實物圖

大連有軌電車接觸網(wǎng)系統(tǒng)見圖3的a、b所示，從圖中看出柱子上未架設架空地線。但據(jù)了解是采用電纜形式埋入地下對全線的接觸網(wǎng)立桿作了接地，這種方式無法實現(xiàn)架空地線的防雷作用，但改善了城市景觀性的要求。大連的年雷暴日僅為19，屬少雷區(qū)接觸網(wǎng)及變電所運行至今相對可靠。

圖3 大連有軌電車接觸網(wǎng)（未設架空地線）實物圖

4 接觸網(wǎng)架設方案分析

根據(jù)上訴分析可得出架設架空地線對于接地和防雷都具有重要作用。結合有軌電車的地理位置及景觀的要求，接觸網(wǎng)有以下3個方案。

4.1 全線架設架空接地線 全線架設接地線具有以下優(yōu)點：保證接地系統(tǒng)的良好運行，造價相對較低，不受地下雜散電流腐蝕影響，后期維護工作量??；能夠大幅度降低接觸網(wǎng)的感應雷電壓和直擊雷概率，提高接觸網(wǎng)的可靠性。缺點：美觀度差。

4.2 部分區(qū)域設置架空接地線 在空曠區(qū)域有軌電車設置架空地線，其他地段采用埋地接地線。由于在空曠的區(qū)域有軌電車附近沒有高聳的建筑物或構筑物，接觸網(wǎng)容易受到感應雷或直接雷。同時由于地處空曠區(qū)段，架空地線的架設不會造成大的視覺沖擊。而在城區(qū)內(nèi)四周有較高的建筑，道路的路幅較窄，接觸網(wǎng)遭受感應雷或直接雷的概率大大降低，且造成損壞停電的概率也較低。另外，由于地處較狹窄的道路空間，架空地線會對人的視覺造成較大沖擊，與周圍的建筑不協(xié)調(diào)。綜合上述，為兼顧防雷及景觀，可在地處空曠的區(qū)域的有軌電車接觸網(wǎng)設置架空接地線，而在城區(qū)段不設架空接地線（而采用埋地敷設的接地線）。優(yōu)點：能兼顧防雷及景觀的要求。缺點：替代的接地方案造價較高，易受雜散電流腐蝕影響。

4.3 全線不設架空接地線 有軌電車全線都不設架空地線，能夠使景觀得到大幅的改善，但會使得處在空曠地段的接觸網(wǎng)受到雷擊的概率大大提高，可能會使接觸網(wǎng)受到較大的雷電沖擊而造成接觸網(wǎng)或供電設備的損壞，造成較長時間的有軌電車

停運，帶來較大的社會影響。優(yōu)點：景觀性改善。缺點：接觸網(wǎng)容易受到雷擊影響，進而造成長時間停電；替代的接地方案造價較高，難以避免雜散電流的腐蝕影響。

5 結束語

由于目前還缺乏有軌電車的防雷設計標準，現(xiàn)參照電力部門和國外國鐵防雷經(jīng)驗，本報告建議蘇州有軌電車接觸網(wǎng)系統(tǒng)中全線架設架空地線，或至少在空曠的太湖大道段的有軌電車接觸網(wǎng)架設單獨架空地線，城區(qū)段出于景觀的要求可不設置架空地線，采用埋地敷設的接地干線實現(xiàn)接地功能。

〔1〕于喜林，陸軍.城市軌道交通接觸網(wǎng)防雷技術應用〔J〕.電氣化鐵道，2011，（4）：46-50.

〔2〕于增.接觸網(wǎng)防雷技術研究〔J〕.鐵道工程學報，2002，（3）：89-94.