地铁高架桥段接触轨线路雷击闪络特性研究

地铁高架桥段接触轨线路雷击闪络特性研究

温臻

深圳地铁运营集团有限公司 广东省深圳市 518000

摘要：地铁站的分布方式主要包括接触轨和铁路接触网的分布方式。与铁路接触网配电相比，接触轨配电具有基础建设成本低、设备故障率低、不损害大城市美观等特点。因此，触轨式电力传输方式近年来得到了广泛的应用。但由于高架桥本身的相对高度，它的雷电感应范围扩大了，很容易被雷击侵蚀，破坏数据信号设备。此外，地铁站属于非预留供配电系统，如果线路断电可能会立即导致地铁停运。在这种情况下，很可能造成常见的驾驶故障和相应的人员伤亡。因此，为防止雷击对地铁车站高架桥线路造成破坏，有必要对地铁车站接触轨供配电系统的雷击特性和防雷等级进行科学研究。

关键词：地铁高架桥段；接触轨线路；雷击闪络；特性；

引言

首先，根据雷击过电压的整个物理过程，同时利用高架桥地铁站轨道线路的具体主要参数，得出雷击接触轨道线路时的雷击类型。并结合滚球法对接触轨高架线路上可能发生的雷击类型进行了分析。在此基础上，根据地铁站高架段触轨线路实体模型的建设，研究不同雷击类型条件下对应的雷击特性。研究发现，地铁站高架段接触轨供配电系统主要受雷击两种类型的影响：防雷线和雷击列车。防雷线被雷击时，需要接触钢轨的磁感应过电压，造成绝缘层支撑架短路故障雷电流水平低于地电位反击所需的雷电流水平，因此感应过电压是造成绝缘支架闪络的主要原因;而雷击列车时，雷电流幅值达到118kA才会通过感应的形式造成绝缘支架闪络，此时累积概率较小，因此工程上认为引发绝缘支架闪络的可能性不高。

1.地铁雷击特性及雷电防护的研究现状

针对城市轨道雷击的特点和雷击安全防护水平，国外在1950年代开展了多领域的科学研究。实体模型对雷击安全防护特性进行综合评估。例如，FBKITCHIN 等人。根据电力电路等效电路实体模型和铁路接触网受电弓与接触网的关系，改进了铁路输电线路防雷装置方案。我国在雷击特性和铁路线路安全防护方面也取得了一定的科研成果。相关权威专家也进行了一系列的科学研究。根据冲击雷工作电压和磁感应雷工作电压标准值，根据安装防雷措施前后铁路接触网的抗雷水平，确定安装防雷措施维护铁路的必要性获得悬链线。基于我国铁路综合接地保护的实体模型，明确提出改进铁路综合接地保护的建议。防雷设计方案，这类科研成果主要是根据铁路线路得到的，而地铁线路和铁路线路差别很大，尤其是地铁站内的轨道线路。接触轨线无需安装悬链线支架。同时，由于触轨安装在钢轨上，与地面的相对高度较低，因此，无需安装空地线进行防雷保护。接触轨输电方式下，绝缘层支撑架的击穿电压为125kV，一般铁路线路复合绝缘子的相应击穿电压一般为300kV19-21。强度明显低于普通铁路线路，地铁站高架桥段因相对高度的增加扩大了雷击范围，容易被雷击侵蚀，造成地铁线路断电。因此，有必要分析不同雷击类型下的雷击特征，探讨不同雷击类型下雷击引起的短路故障特点及其对触轨雷击等级的破坏程度，获取对接触轨而耐雷水平景影响较大的景响因素。

2.地铁高架桥段接触轨供电系统雷击类型及危害

2.1 接触轨式地铁供电系统结构

其中，轻轨地铁站供配电系统由地铁站外供配电系统（大城市电网）和地铁站内供配电系统两部分组成。作为大城市电网的客户，地铁站通常立即从大城市电网获取电磁能，牵引带供配电系统中的牵引带变电站将三相高压高压供配电系统将电压交流电转换成适合地铁站使用的低压直流电源。馈线再将牵引带变电所的直流电送至接触轨，地铁站根据电流接收器与接触轨的直接接触获得电磁能。投资方面，地铁站通常选择轨道作为负电流返回导体，按照返回电缆线路流向电子整流组的负母线槽。

2.2两种雷击类型对地铁供电系统的危害

研究发现，当高架桥接触铁路供配电系统并遭受雷击时，雷击到防雷线路或列车的概率较高。支撑架/复合绝缘子短路，导致其绝缘性能被破坏，列车停车。同时，接地装置的接触轨和扁铜根据绝缘层支撑架固定。绝缘层支撑架一旦短路，很容易造成接触轨道与接地装置的扁铜短路，使地铁线路断电，导致供配电系统端接。列车除了被雷击外，还很可能因磁感应或反击造成绝缘层支撑架短路故障，也可能造成列车断路器的位置问题，导致列车被毁坏，列车失电；综合两种雷击对供配电系统的损害，以绝缘层支撑架的短路故障作为接触轨抗雷特性的判断依据，同时得到整体绝缘层支撑按文案及地铁综合站设计规范机架冲击短路故障工作电压为125 kV。

3.雷击列车闪络特性分析

当列车被雷击时，被雷击的产品流将通过车身-轮辋-轨道路径回流。钢轨上的高雷击电流引起的过电压极有可能造成钢轨电位差限制设备的姿态，促使钢轨向地面分散。在下沉到排水管网的过程中，较大量的杂散电流很可能由于电导体之间的不耦合而对其他电导体产生过电压，造成电导体之间的短路故障，进而促进绝缘层支撑架短路故障。因此，在本节中，基于以上构建的CDEGS模型的模拟，研究雷击列车时各导体层电压分布情况，以及是否诱发绝缘支架闪络。模型中，雷击点设置在车体中央位置处，采用钢筋环装网络等效车体，列车的车体电阻取为 47 mΩ。设置相同的雷电流波形，选取雷电流范围为 10~140 kA，桥墩工频接地电阻取6Ω，忽略火花放电作用，高架桥桥墩高度为8 m。

随着雷电流幅值的增大，排水网与梁面建筑钢筋、绝缘层支撑架底座与排水网、钢轨与排水网、绝缘层支撑架底座之间的工作电压差铁路也陆续增加。但是，即使雷击电流幅值达到140 kA，电导体之间的工作电压差仍然小于各自的击穿电压，不能实现短路故障；当雷击电流幅值达到118kA时，绝缘层支撑架两侧的工作电压差为125kV，绝缘层支撑架短路。

4.结论

通过仿真研究了接触轨供电方式下雷电对供电系统的影响，得到如下结论：

（1）由于防雷线的危害，接触轨和运行轨被雷击的概率很低。因此，雷击对供配电系统的损害以防雷线路和列车为主。

（2）防雷线路被雷击时，因接触轨与钢轨间感应电压引起绝缘层支撑架短路故障所需的雷电流约为53kA；并且排水管网电位差的增加导致绝缘层支撑架反击。所需的雷电流在 90kA 以上。因此，磁感应过电压是接触轨输电方式下供配电系统常见故障的主要原因。

（3）列车被雷击时，牵引带供配电系统绝缘层短路故障，要求雷电流幅值118kA。此时，牵引带供配电系统出现常见故障的可能性很小，而且要低得多。雷击对牵引带供电设备的防雷线损坏。因此，当列车被雷击时，关键在于考虑对列车本身的危害以及对综合布线系统的危害。

5.结束语

本文分析了地铁雷击特性及接地系统暂态特性方面的国内外研究现状，阐述了研究地铁接触轨供电方式下雷击特性和不同因素对接触轨耐雷水平影响的重要性，其次依据雷电过电压形成的物理过程及高架段地铁接触轨线路的实际参数，获取了雷击地铁线路时的雷击类型。并通过滚球法分析了接触轨高架桥线路易发生的雷击类型，在此接触上，通过搭建相应的模型，研究了不同雷击类型下对应的雷击闪络特性。

参考文献

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