城市轨道交通接触网防雷技术研究

城市轨道交通接触网防雷技术研究

陆峰毅 1 项馨仪 1 童千秋 2 周承 1

1 、 宁波市气象安全技术中心 浙江宁波 315000 2 、 北仑区气象局 浙江北仑 315800

摘要：城市轨道交通接触网在运行过程中，经常会受到多种因素的影响，例如气候变化、地理条件以及雷击等，其中雷击给接触网系统带来的损坏是最严重的，会让电气设备出现损坏，进而造成轨道车辆在行驶中出现中断事故。因此需要对轨道交通的接触网系统采取有效的防雷保护措施，这样可以有效避免因雷击导致线路绝缘子被破坏、电路持续跳闸等事故。本文通过分析雷击对城市轨道交通接触网的危害，提出了关于轨道交通接触网的防雷措施，从而让接触网系统和设备可以平稳、有效地运行。

关键词：城市轨道交通；接触网；防雷技术；雷电监测；研究

城市轨道交通的柔性接触网，是机车主要的供电方式，轨道交通接触网系统的稳定性，直接关系着轨道列车的平稳运行。通常情况下，接触网设备都是在露天环境下布置，受自然条件（天气、降雨、温度等）的影响较大，尤其在雷电高发区的接触网系统和设备，受到雷击的概率大幅增加，遭受雷击时，不但会破坏接触网系统，还能通过接触网将雷电流反馈到其他运行系统，一旦因雷电流影响导致系统崩溃，将直接中断城市轨道交通的运行。因此，需加强城市轨道交通接触网防雷系统的设计、运行维护，降低接触网因雷击遭受系统损坏的概率，提高轨道交通运行的安全性。

1. 关于雷击对城市轨道交通接触网的危害

接触网往往架设在空旷场所的制高点，同时受到接触网自身电流电场的影响（该理论类似于提前预放电接闪器的概念，具体影响程度需进一步实验得出科学结论，本文不做详细分析），大大增加了接触网接闪的概率。

经有关研究表明，接触网遭受雷击的形式主要有雷电绕击闪络、雷电反击闪络、雷电感应闪络三种。以雷暴日40天的地区为例，对以上三种闪络得出以下结论：

雷电绕击闪络：（1）线路直接遭受雷电绕击（直击雷影响）时，接触线的耐受雷电流水平一般小于3KA。（2）单线架设接触网的高架区间遭受雷击的概率高于双线架设的高架区间，达到6.2次/100Km.a，可能遭受雷击。

雷电反击闪络：(1)单线架设线路时线路的耐受雷电流水平低于双线架设方式，单线架设方式接触线的耐受雷电流水平一般小于20KA，双线架设方式接触线的耐受雷电流水平一般小于25KA，馈线的耐压水平一般为接触线的3倍。(2)单线架设接触网的高架区间遭受雷击的概率高于双线架设的高架区间，达到130-140次/100Km.a，遭受雷击概率较大。

雷电感应闪络的概率高达29次/100Km.a，由于雷电感应电压远远低于雷电绕击闪络与雷电反击闪络，因此该种形式的闪络影响比其他两种闪络影响小很多。

一旦接触网遭受雷击，强大的雷电流可能会导致以下几种结果：直接击毁（击断）触网；通过线路将雷电流反馈到供配电系统导致供配电系统设备的损坏；通过线路将雷电流反馈到列车供电动力系统导致列车损坏；雷电流造成各系统处于临界负荷状态，产生停运的安全隐患。以上的危害可能引发严重交通事故，造成重大人身财产安全问题。

2. 关于城市轨道交通接触网防雷措施和建议

（一）抬高架空地线

接触网设备中的架空地线主要作用就是防雷，结合有关计算结果表明，架空线安装在顶部支柱900mm上，可以对接触网设备起到较好的保护作用。当雷电击中线路周围地面时，接触网设备中的架空地线，可以同时减少正馈电线和接触线所产生感应雷过电压的影响和作用。结合实际情况来看，防雷保护角（架空地线垂直方向与接触网连线的夹角）在一定程度上决定着架空线对设备的防雷效果，为了让屏蔽效果更为明显，需减小防雷保护角。根据现场的状况设置架空地线的高度，将整体架空地线位置抬至最高，其自身的对接触网设备的防雷效果就越显著。条件允许情况下，架空地线设置在顶部支柱的外侧效果最佳。

（二）增加避雷针和避雷线

为了有效避免接触网遭受直击雷、雷电感应和通过架空地线反馈的雷电流的影响，应在架空线路上加装避雷线。当雷电作用在接触网设备周围地面时，被雷击物体所泄入到大地的电流会使导线出现感应过电压，这时避雷器的分流作用会降低作用在金属杆塔上的雷电流，通过避雷线与接触网导线的耦合作用，可以有效降低线路绝缘子所承受的雷电感应电压。因此在轨道交通接触网增加避雷线，不但可以减少直击雷对整体接触网的影响和作用，同时能有效降低因雷电感应过电压的影响造成绝缘子发生闪络的次数。

同时，为了进一步对接触网开展防雷保护措施，还需在接触网设备支柱的最上端安装避雷针，当雷电靠近地面时，附近的地面电场将发生改变，在避雷针的顶端位置会构成局部空间的电场集中，进而改变雷电先导放电的方向，让雷电可以转向避雷针，并对其进行放电，不断引导让其可以通过接地装置，将作用在接触网设备上的雷电流传入地下，可以有效避免雷击作用在接触网设备上，降低雷电流击中触网的概率。

（三）安装避雷器

当雷电发生时会产生较大强度的感应过电压，这些过电压会对设备产生较大的危害，避雷器在一定程度上能有效保护轨道交通接触网和牵引变电所线路安全。通常情况下，将接触网系统中需要重点保护的设备与避雷器进行串联，同时将其安装在电源附近，电气设备的绝缘电压会高出输出电压，雷电产生的过电压会利用避雷器对地面进行放电，进而可以保护设备的绝缘。另外，雷电发生时产生的瞬间电流对地进行放电后，避雷器可以第一时间将地面的绝缘复原，让其恢复原有的地面绝缘层。

为了正确安装避雷器需要从以下两个方面入手，首先要重点考虑避雷器的特性。对于金属氧化物避雷器而言，第一个就是残压值较低，可以让内部设备之间实现良好的绝缘配合。第二个则是通流容量较大，因此可以吸收冲击过电压的能量。对于双角隙避雷器而言，可以控制弧根让其在电极上移动，然后电弧在极棒间进行拉长，最终起到灭弧的目的，属于一种较为简单地过压保护器。其次要考虑避雷器的安装方案，以安装金属氧化物避雷器和双角隙避雷器为例。在进行方案设计时，需要充分考虑两者的特性，然后再进行设计和搭配安装。对于轨道交通地面段而言，应将金属氧化物避雷器，安置在缆线的开关器件周围，这样一旦出现高电压，威胁着接触网设备的绝缘时，避雷器的立即动作会将冲击电流传入地面，将电压的幅值降到最低，不仅可以保障接触网设备的绝缘，同时可以有效避免电压流入牵引变电所时，破坏电气设备。对于双角隙避雷器而言，并不存在残留电流的现象，因其具备较强的流通能力，因此，在雷电流较强的区域也可以应用双角隙避雷器。当架空线路或金属管道对雷电产生传导作用时，电气设备会遭受雷电波的侵入，这时双角隙避雷器的冲击动作，可以在一定程度上限制入侵雷电波的过电压幅值，同时能有效控制侵入牵引变电所的雷电过电压，从而起到保护电气设备绝缘的作用。

为了动态掌握雷击对接触网的影响以及雷击对避雷器的影响，应加设避雷器雷击计数器，让线路放电计数器装置与避雷器串联运行，这样可以第一时间对避雷器所遗漏电流进行观察和检测，同时可以掌握泄流电流的实时变化，当避雷器正式投入运行后，不仅能知道设备受潮、机械老化、内部零部件损坏等情况，同时可以有效防止发生雷击事故，进而保障整体电力系统的有效、平稳运行。

（四）提高接地水平

为了有效提高城市轨道交通接触网系统的防雷综合性能，不能只关注接触网设备防雷装置的布局和安装，还应重视其接地水平和效果。接触网设备的防雷效果在一定程度上都是由接地系统所决定。因此，无论是工程的策划部门还是施工单位，都应结合现场的实际情况，科学合理地设置接地装置，让接地系统的等效电阻阻值可以符合实际要求，与工程相关的运营管理部门需要明确工作的重点，应在第一时间对接地电阻值和技术参数进行监测和测量，如果工作人员发生其中存在的不足或问题，应及时上报并对其进行处理。结合实际情况来看，影响城市地铁地面段接地系统的因素较多，例如周围土质、环境、地理条件等，由于这些因素的影响，使得接地系统的电阻参数值，很难达到防雷接地的接地规范和要求。所以运营管理部门应对城市轨道交通接触网的接地系统，进行全面的改善和进一步改造，进而从整体保证接触网设备的防雷系统可以安全、有效的运行。

5. 设置全封闭声屏障

在雷电频发区域、高土壤电阻率防雷措施实施困难区域可重点考虑设置全封闭声屏障。对声屏障做好等电位连接及接地保护措施，将轨道交通所有系统罩在声屏障内部，这是最为有效的防雷保护措施，不仅能杜绝雷电绕击闪络、雷电反击闪络、雷电感应闪络的影响，还能起到最为有效的屏蔽作用，一般情况下能完全杜绝雷击的损害，确保接触网运行安全。

5. 做好雷电监测预警

加强雷电监测预警工作，研发、使用精准的靶向式雷电监测预警系统，宁波市气象部门结合天气雷达、大气电场仪、闪电定位仪的应用，已研发出一套精确度较高的靶向式雷电监测预警系统，能提前30分钟做到精确预报。轨道交通运行部门可使用精准的检测系统对轨道交通全部运行网络开展雷电监测，对未来的运行进行预判，一旦发现未来可能出现强雷电流影响触网系统，提前做好雷电防护的应急准备，采取主动防护措施，避免因雷击接触网造成严重的交通事故。

总而言之，防雷系统的稳定性直接决定着城市轨道交通接触网设备运行的安全性，因此需要不断提高防雷系统设备运行的可靠性，降低雷击对电气设备带来的损害，确保电气设备平稳、安全运行。同时，在对防雷保护措施进行完善和改进时，需要充分考虑城市或区段的环境情况，并按照科学合理的理念开展防雷装置设计、施工、运营维护，将轨道交通接触网的防雷性能贯穿于各个环节，确保城市轨道交通的正常运行。

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