某城市軌道交通地網(wǎng)防雷研究及措施

林俊超，馬亞琦，周 威，胡林潔，姜 鵬，黃 帥

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114）

0 引言

隨著我國(guó)綜合實(shí)力的不斷發(fā)展，人口流動(dòng)量的增加給各大城市交通帶來了更多壓力。為了解決該問題，我國(guó)各大、中型城市先后開始發(fā)展多種軌道交通工具，比如地鐵、城軌、磁懸浮列車、輕軌等。因?yàn)檫@些軌道交通具有一次性載容量大、綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠以及安全性能高等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于軌道交通而言，唯一取電來源都是接觸網(wǎng)的供電系統(tǒng)。因?yàn)榻佑|網(wǎng)的建設(shè)高度往往離地面較高，因此容易受到雷電過電壓的影響。一旦接觸網(wǎng)出現(xiàn)問題就會(huì)導(dǎo)致無法正常供電，最直接的結(jié)果是影響軌道交通的正常運(yùn)行[1]。更嚴(yán)重的，會(huì)造成整個(gè)軌道交通系統(tǒng)的奔潰。因此，加大對(duì)接觸網(wǎng)防雷技術(shù)的研究，對(duì)保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行以及降低事故發(fā)生概率等具有非常重要的社會(huì)意義。

1 國(guó)內(nèi)外軌道交通網(wǎng)防雷研究現(xiàn)狀

針對(duì)目前我國(guó)軌道交通接觸網(wǎng)的防雷研究成果，具體一系列措施：1）在地面接觸網(wǎng)供電隔離開關(guān)處、架空接觸網(wǎng)隧道兩端以及牽引變電站桿塔終端等重要地段安置避雷器；2）在不同區(qū)域，不同地段的架空地線處，每隔200 m應(yīng)設(shè)置必要的火花間隙；3）沿線每隔500 m設(shè)避雷器；4）通過采用硅膠復(fù)合絕緣子，用來提高下錨絕緣子的耐雷水平；5）在滿足前提條件下，也可以將架空地線升高兼做避雷線；6）為了防止電纜被擊穿，可在饋線上網(wǎng)電纜接入處設(shè)避雷器等。

國(guó)外對(duì)于軌道交通接觸網(wǎng)線路的雷電防護(hù)研究也很多，例如在重雷區(qū)，為了提高接觸網(wǎng)的耐雷水平，保護(hù)供電設(shè)備，德國(guó)和日本都是采取架設(shè)避雷線方法[2]?？紤]到軌道交通后期運(yùn)行與維護(hù)因素，對(duì)于接觸網(wǎng)線路和饋線電纜絕緣的感應(yīng)過電壓防護(hù)都只建議在落雷密度較大地區(qū)才采取對(duì)應(yīng)措施。

2 某地區(qū)雷擊打壞整流站變壓器原因分析

某地區(qū)軌道交通接觸網(wǎng)整流站的變壓器被雷電打壞事故見圖1。

圖1 某牽引變電所整流站變壓被擊壞圖Fig.1 The diagram of destroyed transformer in a rectifier station of a traction substation

經(jīng)過分析可得主要是因?yàn)榻佑|網(wǎng)部分遭受雷擊，一方面是因?yàn)椴捎玫慕^緣子沖擊雷電放電電壓較低，只有130～150 kV；另一方面由于只是在接觸網(wǎng)牽引變電站進(jìn)線段的桿塔上安裝了避雷器，并且采用兩點(diǎn)式接地方式，無其他任何防雷措施。導(dǎo)致雷電侵入過電壓防護(hù)措施相對(duì)較為薄弱，一旦線路部分遭受雷擊，就不能有效衰減雷電侵入波的幅值和陡度。如果雷電過電壓波峰值不能有效地限制，很有可能超過避雷器本身的額定通流能力，造成避雷器的損壞[3]。也有可能出現(xiàn)避雷器接地電阻偏高以及避雷器動(dòng)作后的殘壓偏高等情況，造成整流器損壞。在牽引變電所地網(wǎng)方面，耦合作用帶來的電位差也會(huì)對(duì)設(shè)備造成影響。導(dǎo)致接觸網(wǎng)大面積發(fā)生停電，嚴(yán)重影響軌道交通的正常運(yùn)行。

3 接觸網(wǎng)防雷存在的問題及分析

目前，我國(guó)軌道交通接觸網(wǎng)依舊還有很多問題存在。一方面是二次電纜屏蔽接地方式很容易受到牽引變電所地電位產(chǎn)生的干擾作用；另一方面是走行軌道極易受到來自接地裝置上的雷電流影響。

3.1 接觸網(wǎng)牽引變電所地電位受二次電纜屏蔽層兩點(diǎn)接地方式的影響

對(duì)于軌道交通供電接觸網(wǎng)牽引變電所二次側(cè)的屏蔽電纜而言，如果采取兩點(diǎn)接地方式[4-6]，在巨大的雷電流沖擊下，接地網(wǎng)本身就會(huì)形成一個(gè)很大的沖擊阻抗，很可能造成電纜屏蔽層之間一個(gè)很大的電位差。近似于存在一個(gè)共模干擾電壓在電纜的屏蔽層和芯線之間作用。電纜地電位干擾等效電路見圖2。

圖2 電纜地電位干擾等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of ground potential interference of cable

通過圖2可看出，如果變電所的地網(wǎng)遭受雷電流的沖擊時(shí)，整個(gè)地網(wǎng)的電位就會(huì)快速上升，地網(wǎng)在巨大雷電流沖擊下是一種沖擊阻抗?fàn)顟B(tài)，這時(shí)就會(huì)造成A與B之間產(chǎn)生一個(gè)很大的電位差。通過電感與電容的耦合作用，將會(huì)把地電位上升帶來的電位差，帶到電纜芯線上。進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)較大的過電壓，造成電纜芯線上的信號(hào)發(fā)生失真，導(dǎo)致控制設(shè)備誤動(dòng)。而且，感應(yīng)過電壓還會(huì)作用于相對(duì)敏感的二次設(shè)備上，容易造成二次設(shè)備絕緣的損壞。另一方面，在整個(gè)過程當(dāng)中，因?yàn)殡娏髌帘螌邮莾牲c(diǎn)接地方式，所以其表面存在的感應(yīng)電流就會(huì)形成一個(gè)環(huán)流[7]。如果電纜屏蔽層長(zhǎng)期處于環(huán)流狀態(tài)下就會(huì)發(fā)熱，當(dāng)熱量超過屏蔽層的承受值時(shí)，就會(huì)燒壞電纜屏蔽層和造成絕緣子的損壞，從而影響二次屏蔽電纜的正常使用。

3.2 走行軌道與軌道交通接觸網(wǎng)桿塔雷電流之間的影響關(guān)系

由于城市軌道交通接觸網(wǎng)的特殊性，其信號(hào)傳輸，控制系統(tǒng)等電纜都是采用走行軌的方式鋪設(shè)，也就是電纜鋪設(shè)在軌道交通接觸網(wǎng)桿塔下的走行軌電纜溝中，如圖3所示。下面將結(jié)合走行軌電纜的具體情況，分析接觸網(wǎng)桿塔下引雷電流時(shí)，對(duì)走行軌電纜可能造成的危害。

圖3 接觸網(wǎng)走行軌電纜位置圖Fig.3 Cable position diagram of catenary

當(dāng)雷電擊中軌道交通供電接觸網(wǎng)時(shí)，不僅會(huì)發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象，同時(shí)軌道交通接觸網(wǎng)桿塔也會(huì)將雷電流通過接地引下線引至接地裝置中。由于巨大幅值雷電流的存在，其接地體周圍的電勢(shì)便會(huì)迅速升高，此時(shí)可以將接地體視為點(diǎn)電極，則其周圍的電位升高計(jì)算公式為

式中：R為電纜屏蔽層中的接地電阻；re是接地體等效計(jì)算半徑；Ig表示入地的雷電流；x為走行軌電纜溝與接地裝置間的距離長(zhǎng)度。

同時(shí)，還需要考慮到通過電磁耦合到接觸網(wǎng)走行軌電纜屏蔽層上的電勢(shì)：

式中：Uy表示耦合到走行軌信號(hào)電纜表皮上的電勢(shì)；s表示走行軌電纜的屏蔽系數(shù)；y表示接地裝置與接觸網(wǎng)桿塔走行軌處電纜溝之間的距離；γ表示接觸網(wǎng)桿塔走行軌處電纜的“電纜屏蔽層—大地”常數(shù)，本文取1.35×10-3/m。經(jīng)過計(jì)算，可以得出信號(hào)電纜表皮上的電勢(shì)受電纜屏蔽層的接地電阻影響較大。

通過上述的計(jì)算研究及分析可得，在現(xiàn)有的情況下，一旦軌道交通供電接觸網(wǎng)遭到雷擊事故時(shí)，其絕緣子發(fā)生閃絡(luò)的概率很大。同時(shí)，雷電流會(huì)通過接地引下線至接觸網(wǎng)桿塔接地裝置，就會(huì)在其周圍產(chǎn)生具有脈沖強(qiáng)度大、頻率變化快等特點(diǎn)的強(qiáng)干擾。雖然電纜屏蔽層具有一定的抗干擾能力[8]，但是當(dāng)耦合到接觸網(wǎng)走行軌的信號(hào)電纜表皮上時(shí)，電勢(shì)便會(huì)持續(xù)升高，這將很有可能造成電纜屏蔽層的破壞。另一方面，考慮到在雷電電磁干擾中，電纜屏蔽層和芯線上都會(huì)感應(yīng)出過電壓，當(dāng)過電壓信號(hào)疊加到傳輸信號(hào)上時(shí)，就會(huì)造成傳輸信號(hào)的失真[9-11]，導(dǎo)致控制設(shè)備誤動(dòng)。

4 接觸網(wǎng)牽引變電所電纜屏蔽層采用合理的一點(diǎn)接地方式

通過上述關(guān)于牽引變電所二次電纜屏蔽層與地電位干擾之間的關(guān)系，經(jīng)過研究分析可得。如果屏蔽層采用兩點(diǎn)接地方式，就會(huì)造成屏蔽層的損壞，信號(hào)失真以及控制設(shè)備的誤動(dòng)。因此，建議最合理的方式是采用一點(diǎn)接地。因?yàn)?，?duì)于一點(diǎn)接地方式而言，地電位帶來的干擾電流無法形成一個(gè)回路，也就不存在阻抗耦合問題，進(jìn)而就沒有共模電壓產(chǎn)生。這樣一來，對(duì)電纜芯線來說，可以起到很好的保護(hù)作用，讓信號(hào)不失真。對(duì)于一點(diǎn)接地而言，又分為一次側(cè)設(shè)備處接地和控制設(shè)備處接地兩種方式[12]。接下來將分別對(duì)于兩種情況進(jìn)行分析討論。

如圖4（a）所示即為第一種情況，它主要是對(duì)電纜的屏蔽層在控制設(shè)備處進(jìn)行懸空，而另一側(cè)一次被控設(shè)備處采用接地處理。第二種情況如圖4（b）所示，對(duì)電纜屏蔽層采用一端在控制設(shè)備處直接接地，而另一端在一次設(shè)備處懸空處理的接地方式處理。

圖4 牽引變電所電纜屏蔽層接地方式Fig.4 Grounding mode of cable shielding layer in traction substation

圖5為牽引變電所二次電纜屏蔽層干擾等值電路。針對(duì)第一種情況而言，通過分析計(jì)算后可得，當(dāng)電阻Rb上的電位增加時(shí)，電容耦合作用幾乎都加載到弱電控制設(shè)備上。一旦感應(yīng)過電壓上升，超過預(yù)期值，將會(huì)造成控制系統(tǒng)絕緣性嚴(yán)重危害。

圖5 干擾等值電路Fig.5 Interference equivalent circuit

對(duì)于第二種接地方式，如果電流I通過一次設(shè)備流入地網(wǎng)，因?yàn)槠帘螌右粋?cè)是懸空的，即不構(gòu)成回路，此時(shí)只需要考慮一側(cè)設(shè)備Rb上的壓降是否會(huì)有反擊問題。這就對(duì)一次設(shè)備中的接地電阻提出更高要求。

因此，當(dāng)軌道交通接觸網(wǎng)牽引變電所的電纜屏蔽層采用兩點(diǎn)接地方式時(shí)，無法控制好電位分布和做好均壓及散流措施等問題。則應(yīng)該采用一點(diǎn)接地方式，這樣能夠使接觸網(wǎng)中的屏蔽層線路不構(gòu)成電流回路，也就不會(huì)在屏蔽層中存在環(huán)流，從而更好地保護(hù)電纜屏蔽層和弱電控制設(shè)備。

5 通過加裝穿線套管增強(qiáng)接觸網(wǎng)桿塔雷電流下引處電纜雷電防護(hù)效果

本文采用ATP仿真軟件，對(duì)電纜屏蔽穿線套管在雷電防護(hù)措施方面進(jìn)行仿真分析，見圖6。

圖6 電纜屏蔽層在軌道交通接觸網(wǎng)桿塔處接地仿真Fig.6 The cable shielding layer in the rail traffic contact line tower grounding simulation

相對(duì)于在軌道交通接觸網(wǎng)走行軌道上直接接地方式而言，本文提出一種采取穿線套管屏蔽措施。在仿真軟件中，模擬穿線套管屏蔽作用的方式是采用6分裂導(dǎo)線，其他參數(shù)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。通常要求接地電阻在接觸網(wǎng)桿塔中的值要低于10 Ω，仿真中，取桿塔的檔距是30 m，雷電流大小是40 kA。圖7和圖8所示為每基軌道交通接觸網(wǎng)桿塔處的電纜不加裝穿線套管和加裝穿線套管的屏蔽仿真結(jié)果。

圖7 不加裝穿線套管屏蔽措施仿真結(jié)果Fig.7 The simulation results of shielding measures without threading casing

通過比較圖7和圖8可知，當(dāng)每基接觸網(wǎng)桿塔處電纜不采取穿線套管屏蔽措施時(shí)，電纜屏蔽層上將感應(yīng)出390 kV的過電壓。但是對(duì)于穿線套管屏蔽措施來講，其感應(yīng)出的雷電過電壓僅僅是不穿線套管的四分之一，約為90 kV。綜上所述，加裝穿線套管屏蔽裝置對(duì)接觸網(wǎng)桿塔處電纜的雷電防護(hù)效果非常明顯。

圖8 加裝穿線套管屏蔽措施仿真結(jié)果Fig.8 The simulation results of shielding measures for threading casing

6 結(jié)論

通過對(duì)城市軌道交通供電接觸網(wǎng)的防雷存在問題以及提出相應(yīng)的防雷措施的綜合分析，針對(duì)本文的研究?jī)?nèi)容以及研究目標(biāo)，總結(jié)創(chuàng)新點(diǎn)如下：

1）通過對(duì)某城市軌道交通地網(wǎng)防雷出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，找出問題的關(guān)鍵點(diǎn)。結(jié)合理論分析與現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果，利用科學(xué)方法解決實(shí)際問題。

2）通過對(duì)軌道交通接觸網(wǎng)中的電纜屏蔽層，采取一點(diǎn)式接地方法，也就是將一次設(shè)備懸空。這樣不僅可以減少雷電流引起的地電位上升問題。而且對(duì)屏蔽層和控制設(shè)備可以起到很好的保護(hù)作用。

3）針對(duì)接觸網(wǎng)桿塔雷電流下引對(duì)電纜的影響，提出對(duì)電纜采取穿線套管屏蔽的措施，并通過ATP-EMTP仿真軟件對(duì)加裝穿線套管和不加裝穿線套管兩者對(duì)于雷電的防護(hù)效果進(jìn)行仿真和對(duì)比分析。得出采取穿線套管屏蔽措施比不加裝在雷電防護(hù)方面效果相對(duì)較好。在實(shí)際應(yīng)用中，也對(duì)穿線套管屏蔽裝置在結(jié)構(gòu)，功能方面進(jìn)行完善設(shè)計(jì)。

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