大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋軌道交通接觸網(wǎng)避雷器選型及配置研究

李 量,孫 崢,朱德貴,向念文

(1.南京地鐵建設(shè)有限公司,江蘇 南京 210017; 2.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,北京 102206; 3.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋軌道交通接觸網(wǎng)采用DC 1 500 V電壓供電方式,供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案截然不同,類(lèi)似工程國(guó)內(nèi)罕見(jiàn)。大橋的主橋段和引橋段平均高度約為幾十米,橋體結(jié)構(gòu)所用材料為鋼材,四周無(wú)遮蔽物,空氣濕度大,容易遭受雷擊,且接觸網(wǎng)絕緣水平較低,遭受雷擊后故障率較高,這對(duì)軌道交通接觸網(wǎng)雷電防護(hù)提出了嚴(yán)峻的要求。由國(guó)家氣象信息中心最新發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，南京市所在區(qū)域?yàn)椤岸嗬讌^(qū)”,其全年平均雷暴日數(shù)為29 d,遠(yuǎn)高于全國(guó)年平均雷暴日數(shù)。根據(jù)所提供相關(guān)資料可以得到，大勝關(guān)大橋所在地3.5 km范圍近5年平均地閃密度約為2.8次/(km2·a)。

文獻(xiàn)[1-4]通過(guò)建模仿真分析,對(duì)安裝絕緣子并聯(lián)保護(hù)間隙、架設(shè)避雷線(xiàn)和安裝避雷器等接觸網(wǎng)雷電防護(hù)措施進(jìn)行了比較,決定選擇安裝避雷器防護(hù)措施。文獻(xiàn)[5]提出了在接觸網(wǎng)支柱F線(xiàn)絕緣子上逐個(gè)安裝帶串聯(lián)間隙避雷器的方案;當(dāng)只考慮接地體參與泄流時(shí),該方案至少能將接觸網(wǎng)直擊雷跳閘率降低48%,若還考慮結(jié)構(gòu)鋼筋參與泄流,則可以將直擊雷跳閘率至少降低90%;采用這種避雷器防護(hù)措施即能有效保護(hù)絕緣子,又能使雷電防護(hù)工程費(fèi)用降低。文獻(xiàn)[6]簡(jiǎn)要介紹了大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋軌道交通接觸網(wǎng)的避雷器選擇,但并未詳細(xì)說(shuō)明避雷器選型和配置方式,且缺少數(shù)據(jù)證明。

本文從結(jié)構(gòu)型式選擇、電阻片參數(shù)、串聯(lián)間隙距離和避雷器本體參數(shù)4個(gè)方面來(lái)進(jìn)行避雷器選型[7],推薦接觸網(wǎng)用避雷器參數(shù)。通過(guò)仿真分析了逐基支柱安裝避雷器和隔基支柱安裝避雷器2種配置方式的防護(hù)效果,建議采用逐基支柱安裝避雷器配置方案。

1 避雷器選型研究

1.1 結(jié)構(gòu)型式選擇

從結(jié)構(gòu)型式上可以將避雷器分為2類(lèi),分別為帶串聯(lián)間隙和無(wú)間隙避雷器[8]。正常運(yùn)行時(shí),無(wú)間隙避雷器會(huì)承受系統(tǒng)工作電壓,這時(shí)會(huì)有泄露電流流過(guò)避雷器電阻片,流過(guò)電阻片的泄露電流會(huì)加劇電阻片老化,因此需要定期檢測(cè)及維護(hù);而帶串聯(lián)間隙避雷器由于空氣間隙的存在,阻隔泄露電流流過(guò)避雷器電阻片,因此在正常運(yùn)行中電阻片幾乎不承受系統(tǒng)運(yùn)行電壓,只有在雷擊故障后帶串聯(lián)間隙避雷器本體才會(huì)承受系統(tǒng)運(yùn)行電壓。相較于無(wú)間隙避雷器，帶串聯(lián)間隙避雷器具有壽命長(zhǎng)和免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn),尤其適于接觸網(wǎng)架空線(xiàn)路雷電防護(hù)。本文設(shè)計(jì)一種由避雷器本體和安裝在絕緣子法蘭上的板型電極構(gòu)成的串聯(lián)間隙,如圖1所示,此種結(jié)構(gòu)方便現(xiàn)場(chǎng)安裝及運(yùn)行維護(hù)。

圖1 帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器結(jié)構(gòu)

1.2 電阻片參數(shù)

帶串聯(lián)間隙避雷器電阻片承受直流電場(chǎng)時(shí),與電阻片承受時(shí)間相關(guān)聯(lián)。若承受時(shí)間過(guò)長(zhǎng),會(huì)使呈現(xiàn)低價(jià)狀態(tài)的陽(yáng)離子遷移,而離子遷移必然會(huì)導(dǎo)致電阻片內(nèi)部產(chǎn)生微應(yīng)力,對(duì)電阻片材料有所損害,此時(shí)若有過(guò)電壓產(chǎn)生,將會(huì)加劇微應(yīng)力,從而加速電阻片損壞程度；若電阻片承受直流電場(chǎng)時(shí)間過(guò)短,在相同額定電壓時(shí)幾乎不會(huì)承受很大微應(yīng)力。直流電阻片與交流電阻片相比,前者有更高的能量耐受密度和電位梯度。針對(duì)大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋軌道交通接觸網(wǎng)雷電防護(hù)采用的避雷器,電阻片采用交流電阻片。因?yàn)榇髣訇P(guān)長(zhǎng)江大橋軌道交通接觸網(wǎng)電壓供電方式為DC 1 500 V,直流電壓較低,而且避雷器帶串聯(lián)間隙,只有在雷擊故障后避雷器動(dòng)作才會(huì)承受系統(tǒng)運(yùn)行電壓作用,此時(shí)運(yùn)行電壓作用于電阻片的時(shí)間極短和微應(yīng)力極小,所以選擇能量耐受密度和電位梯度更小的交流電阻片。

1.3 串聯(lián)間隙距離

串聯(lián)間隙距離選擇依據(jù)的原則[9]如下:

(1) 將串聯(lián)間隙與被保護(hù)絕緣子的放電電壓進(jìn)行配合,按照絕緣配合的要求應(yīng)使串聯(lián)間隙先于被保護(hù)絕緣子擊穿放電,表達(dá)式為:

U50GMOA(1+3σ)

其中:U50GMOA為串聯(lián)間隙50%雷電擊穿電壓;U50絕緣子為絕緣子50%雷電閃絡(luò)電壓;σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差,規(guī)程推薦對(duì)雷電過(guò)電壓取σ=0.03。

(2) 在操作過(guò)電壓情況下,串聯(lián)間隙不被擊穿。由于雷擊放電電壓與間隙距離呈現(xiàn)線(xiàn)性特性,再結(jié)合串聯(lián)間隙距離選擇原則,建議最佳的間隙距離應(yīng)選擇為絕緣子干弧距離的40%～80%。本文接觸網(wǎng)雷電防護(hù)措施為帶串聯(lián)間隙避雷器,由于應(yīng)用在大勝關(guān)大橋軌道交通接觸網(wǎng)上,為符合避雷器串聯(lián)間隙選取原則,串聯(lián)間隙距離選取為60～70 mm,此時(shí)對(duì)應(yīng)的U50GMOA約為110～120 kV,在U50絕緣子(135 kV)的80%～90%之間,符合避雷器串聯(lián)間隙的選擇原則。

1.4 避雷器本體參數(shù)

1.4.1 額定電壓

考慮串聯(lián)間隙滅弧能力,需要確保避雷器本體的額定電壓高于系統(tǒng)故障時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓。查閱相關(guān)資料可知，軌道交通接觸網(wǎng)故障時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓約為2 kV,為了確保串聯(lián)間隙可靠滅弧,額定電壓應(yīng)大于軌道交通接觸網(wǎng)故障時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓,即額定電壓大于2 kV。但是注意避雷器額定電壓不能選擇過(guò)高或過(guò)低:若避雷器額定電壓選擇過(guò)低,導(dǎo)致避雷器更容易被擊穿,故障損壞率將大大增加;若避雷器額定電壓選擇過(guò)高,將導(dǎo)致單個(gè)避雷器的成本大大增加,不符合經(jīng)濟(jì)性要求。

1.4.2 動(dòng)作殘壓

考慮絕緣子保護(hù)效果,需要確保避雷器動(dòng)作殘壓低于被保護(hù)絕緣子的雷擊耐受電壓,兩電壓之間規(guī)定一定的配合系數(shù)。對(duì)于本文接觸網(wǎng)用帶串聯(lián)間隙避雷器,配合系數(shù)選擇為1.4,此時(shí)在標(biāo)稱(chēng)電流下動(dòng)作殘壓為96 kV,故避雷器動(dòng)作殘壓可選擇為不高于96 kV即可。

1.4.3 通流能力

南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋軌道交通接觸網(wǎng)架設(shè)了避雷線(xiàn),可有效減少雷擊時(shí)流過(guò)避雷器的沖擊電流,防止避雷器因大電流沖擊而損壞。其技術(shù)原理如圖2所示。

圖2 雷擊避雷線(xiàn)等值電路

圖2中:i(t)為雷電流;ZMOA表示避雷器動(dòng)作時(shí)的阻抗,量級(jí)在10-2～10 Ω之間;R為支柱接地電阻,一般低于10 Ω;ZL為線(xiàn)路波阻抗，ZW為避雷線(xiàn)波阻抗,其值均在350～450 Ω之間。

由圖2可知,避雷器所在的ZMOA與ZL/2串聯(lián)支路、R支路和ZW/2支路3個(gè)支路分擔(dān)雷電流,其中R支路的阻抗小于其他2條支路,大部分雷電流將通過(guò)R支路直接入地,避雷器所在的ZMOA和ZL/2串聯(lián)支路分擔(dān)的雷電流較少,避雷器不會(huì)流過(guò)較大的雷電流。

通過(guò)對(duì)南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋軌道交通接觸網(wǎng)加裝避雷器后在直擊雷過(guò)電壓下的仿真計(jì)算，得到流過(guò)避雷器的沖擊電流幅值，見(jiàn)表1所列。因?yàn)楦袘?yīng)雷過(guò)電壓幅值較小,所以流過(guò)避雷器的沖擊電流幅值也比較小,可不予以考慮。

由表1中流過(guò)避雷器的沖擊電流幅值數(shù)值可知,避雷器額定電壓從7 kV變化到13 kV,沖擊電流幅值變換并不明顯。因?yàn)榱鬟^(guò)避雷器的沖擊電流幅值與3個(gè)電阻相關(guān),分別為本體阻抗、支柱波阻抗和支柱沖擊接地電阻。當(dāng)避雷器工作放電時(shí),其本體阻抗會(huì)變得很小,即本體呈現(xiàn)低阻抗特性,此時(shí)本體阻抗值遠(yuǎn)小于另外2個(gè)電阻值,導(dǎo)致流過(guò)避雷器的沖擊電流幅值主要受除本體阻抗外2個(gè)電阻的影響,與避雷器額定電壓關(guān)系不大,因此在改變避雷器額定電壓時(shí),流過(guò)避雷器的沖擊電流幅值變換并不明顯。

由表1中雷擊導(dǎo)線(xiàn)的數(shù)據(jù)可知,當(dāng)雷電流幅值超過(guò)30 kA后,雷電不會(huì)擊中導(dǎo)線(xiàn),此時(shí)只能擊中避雷線(xiàn),即南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋軌道交通接觸網(wǎng)最大的繞擊雷電流不超過(guò)30 kA。而當(dāng)雷電流幅值達(dá)到300 kA時(shí),流過(guò)避雷器的沖擊電流幅值大約為39 kA,根據(jù)雷電流幅值概率公式可知，300 kA時(shí)雷電流出現(xiàn)的概率極小,此時(shí)流過(guò)避雷器的最大沖擊電流幅值在40 kA以下?？紤]避雷器通流能力時(shí),要保證流過(guò)避雷器的電流超過(guò)避雷器的最大沖擊電流幅值(40 kA),避雷器的標(biāo)稱(chēng)放電電流選擇為不低于5 kA。

表1 直擊雷過(guò)電壓下流過(guò)避雷器的沖擊電流幅值

1.5 推薦參數(shù)

從避雷器的保護(hù)效果和運(yùn)行可靠2個(gè)方面進(jìn)行考慮,并在大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋軌道交通接觸網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況和本文分析的基礎(chǔ)上,推薦接觸網(wǎng)用帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器參數(shù),具體見(jiàn)表2所列。在系統(tǒng)運(yùn)行電壓為1.5 kV時(shí),從避雷器額定電壓、標(biāo)稱(chēng)放電電流、大電流沖擊耐受電流、雷電沖擊殘壓和串聯(lián)間隙距離5個(gè)方面給出避雷器基本參數(shù)。由上文得到的避雷器本體和串聯(lián)間隙參數(shù)可以得到避雷器本體的伏安特性。當(dāng)避雷器額定電壓為13 kV時(shí),標(biāo)稱(chēng)放電電流5 kA下的殘壓為34.6 kV(≤35 kV),此時(shí)避雷器符合配置要求,且在仿真時(shí)設(shè)置間隙長(zhǎng)度為 65 mm,此時(shí)雷電閃絡(luò)擊穿電壓約為115 kV。

表2 帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器參數(shù)

2 避雷器配置方式

考慮避雷器配置方式時(shí),首先要確定避雷器安裝位置,針對(duì)大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋軌道交通接觸網(wǎng)的避雷器安裝,需要確定支柱絕緣子位置。接觸網(wǎng)支柱上斜腕臂和水平腕臂都可以安裝絕緣子,但是安裝的絕緣子距離很近(即電氣距離很近),可以近似為等電位,因此不需要安裝2支避雷器導(dǎo)致成本雙倍增加,只需安裝1支避雷器即可滿(mǎn)足2支絕緣子的雷電防護(hù)。但是避雷器具體安裝位置還需考慮實(shí)際安裝中是否便捷,建議在水平腕臂上安裝帶串聯(lián)間隙避雷器[10],避雷器安裝示意圖如圖3所示。安裝帶串聯(lián)間隙避雷器后,當(dāng)發(fā)生雷擊故障時(shí),避雷器就會(huì)動(dòng)作來(lái)保護(hù)絕緣子,但是避雷器擊穿需要一定的時(shí)間,而且避雷器保護(hù)的范圍有限,無(wú)法實(shí)現(xiàn)檔距過(guò)大時(shí)鄰近支柱絕緣保護(hù)。由電力系統(tǒng)配電線(xiàn)路多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可知，在檔距接近的配電線(xiàn)路中安裝帶串聯(lián)間隙避雷器，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)鄰近支柱絕緣很好的保護(hù),只能保護(hù)本基支柱絕緣不發(fā)生閃絡(luò)。而對(duì)于檔距接近的軌道交通接觸網(wǎng)系統(tǒng),避雷器安裝是否與配電線(xiàn)路一致,需要對(duì)接觸網(wǎng)用避雷器的配置方式進(jìn)行分析。本文從逐基支柱安裝和隔基支柱安裝2個(gè)方面分析避雷器對(duì)絕緣子的保護(hù)效果。

圖3 避雷器安裝示意圖

2.1 逐基支柱安裝

接觸網(wǎng)采用逐基支柱安裝避雷器,即每級(jí)接觸網(wǎng)支柱上的線(xiàn)路絕緣子都并聯(lián)安裝帶串聯(lián)間隙避雷器。通過(guò)仿真計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，逐基支柱安裝避雷器能夠?qū)崿F(xiàn)絕緣子的有效防護(hù),雷擊故障時(shí)絕緣子兩端承受的電壓不超過(guò)絕緣子50%雷電沖擊耐受電壓,導(dǎo)致絕緣子不會(huì)發(fā)生擊穿閃絡(luò)事故,因此逐基支柱安裝避雷器能夠有效保護(hù)接觸網(wǎng)線(xiàn)路絕緣子。

2.2 隔基支柱安裝

隔基支柱安裝避雷器也就是每隔1級(jí)支柱安裝1個(gè)接觸網(wǎng)線(xiàn)路絕緣子用避雷器。絕緣子用避雷器的架設(shè)方式是并聯(lián)在絕緣子兩端,雷電流依然通過(guò)接觸網(wǎng)支柱與高架鋼梁結(jié)構(gòu)流入大地,在接觸網(wǎng)上依然會(huì)產(chǎn)生沖擊電壓,這個(gè)沖擊電壓可能會(huì)造成沒(méi)有安裝避雷器的接觸網(wǎng)支柱線(xiàn)路絕緣子發(fā)生絕緣閃絡(luò)，需要建立電磁瞬態(tài)模型分析其防護(hù)效果。

仿真計(jì)算時(shí)考慮到雷擊導(dǎo)線(xiàn)或避雷線(xiàn)不同位置時(shí)的避雷器防護(hù)效果,本文選取接觸網(wǎng)檔距為30 m,分為3段,每段檔距為10 m。檔距分段方式與避雷器安裝方式如圖4所示。

圖4 檔距分段示意圖

橋墩高度在30、40 m情況下雷電直擊閃絡(luò)率較高,本文以這2種情況為例分析隔基支柱安裝避雷器防護(hù)效果。通過(guò)仿真分析相鄰未裝設(shè)避雷器絕緣子的繞擊耐雷水平和反擊耐雷水平。在雷擊點(diǎn)距離0、10、20、30 m 4種情況下,相鄰未裝設(shè)避雷器絕緣子的直擊耐雷水平見(jiàn)表3所列。在雷擊點(diǎn)距離0、10、20、30 m 4種情況下,相鄰未裝設(shè)避雷器絕緣子的反擊耐受水平見(jiàn)表4所列。

由表3、表4的計(jì)算結(jié)果可知,隔基支柱安裝避雷器對(duì)相鄰未裝防護(hù)措施絕緣子的保護(hù)作用十分有限,當(dāng)雷擊點(diǎn)位置距離安裝避雷器絕緣子距離超過(guò)10 m時(shí),相鄰未裝設(shè)避雷器絕緣子的雷電繞擊與反擊耐雷水平與全線(xiàn)不架設(shè)避雷器時(shí)的情況基本相當(dāng),因此不建議隔基支柱安裝避雷器。對(duì)于絕緣子受間接雷擊產(chǎn)生的感應(yīng)過(guò)電壓,明顯避雷器只能防護(hù)其同基的絕緣子,而無(wú)避雷器保護(hù)的線(xiàn)路絕緣子依然會(huì)受到感應(yīng)雷的影響。

表3 相鄰未裝設(shè)避雷器的絕緣子繞擊耐雷水平 kA

表4 相鄰未裝設(shè)避雷器的絕緣子反擊耐雷水平 kA

通過(guò)對(duì)避雷器逐基支柱安裝和隔基支柱安裝2種避雷器配置方式的分析可知，對(duì)于架設(shè)高度大的大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋軌道交通接觸網(wǎng),避雷器的配置方式應(yīng)該選擇逐基支柱安裝。

3 結(jié) 論

本文以大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋軌道交通接觸網(wǎng)為研究對(duì)象,并輔以計(jì)算機(jī)仿真分析接觸網(wǎng)用避雷器的選型和配置方式,得出如下結(jié)論:

(1) 從避雷器結(jié)構(gòu)型式、電阻片參數(shù)、串聯(lián)間隙距離和本體參數(shù)4個(gè)方面分析,推薦大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋軌道交通接觸網(wǎng)用避雷器參數(shù)。

(2) 在避雷器的配置方式方面,因?yàn)楸芾灼鞯谋Ｗo(hù)范圍較小,在雷電沖擊電流的作用下有效保護(hù)范圍不超過(guò)10 m,所以對(duì)于架設(shè)高度大的大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋軌道交通接觸網(wǎng),避雷器的配置方式應(yīng)該選擇逐基支柱安裝。