浅析地铁接触轨供电系统雷击特性

浅析地铁接触轨供电系统雷击特性

王啸，徐跃，于新竹

（青岛地铁运营有限公司，山东 青岛 266000）

摘要：文章围绕地铁接触轨供电系统的雷击特性及耐雷水平展开研究，阐述了接触轨线路模型以及受到雷击时的雷击特性，分析了雷击列车时的具体特点，结合不同的影响因素落实抗雷击体系的优化，进一步提升地铁接触轨供电系统的稳定性和安全性。

关键词：地铁接触轨；供电系统；雷击特性；耐雷水平

1 地铁接触轨的线路模型构建

本文以模拟设置某接触轨线路高架区段为案例进行分析，其中桥墩接地引出接地端子能够直接提供防雷接地功能，桥翼两侧的避雷带直接由接地钢板与电气系统进行连接，避雷带每隔200 m 需由桥墩进行接地。接地扁铝需要装置在绝缘支架钢底座上。接触轨直接通过绝缘支架进行固定，接地扁铝和接触轨的水平距离和垂直距离需要控制在210 mm 和380 mm 左右。接触轨线路现使用直流供电的方式，通过钢轨回流，较多的杂散电流分布在桥梁和道床上，故在混凝土道床的下方设置排流网，防止杂散电流的腐蚀作用影响结构钢筋寿命。地面土壤电阻率为100 Ω/m，雷电流波形以标准电流波形为主，波前时间控制在2.6 μs，半波时间选取50 μs，在布置各个导体时需要结合实际参数进行分别设置，可以通过截面总面积得出不同导体的等效变径。

2 避雷带遭受雷击时的特性

2.1 避雷带遭受雷击时的电压分布

若地铁线路为接触轨线路，在没有列车通过时，发生雷击将直接产生在避雷带位置。雷击带来的电压将分布在避雷带的各个导体中，通过 CDEGS 软件，能够打造地铁接触轨线路仿真模型，同时也可以模拟雷击过程中存在的电压分布情况。该模型是建立在本文所选案例的基础上进行建设的，梁面钢筋以及排流网利用钢结构，混凝土本身的击穿电压和周边湿度有一定关系，因此本文选择的击穿电压为10 kV/cm。结合雷击过程中的雷电流幅值变化情况，通过仿真软件可以分析出各个导体之间的电位差。

2.2 避雷带遭受雷击时接触轨击穿情况

通过仿真软件计算各个导体之间的电位差，将二者的数据进行对比，最终可以得出的结果为：当雷电流幅值高达38 kA 时，绝缘支架出现闪络情况，其他导体的电压差并未达到击穿的临界值，产生该种现象的主要原因在于避雷带和接触轨是平行架设的，若同时遭受雷击，接触轨将产生较高的感应过电压，导致绝缘支架存在闪络情况。另外，若雷电流的增加幅值高达53 kA 时，钢轨和绝缘支架之间的电压会达到击穿的临界值，此时会存在系统短路。若雷电的流幅值高达98 kA 时，梁面钢筋和避雷带，由于共用一根接地引下线，极高的雷电流会直接通过接地引下线与梁面钢筋接触，此时排流网和梁面钢筋之间的混凝土层会在较高电压的影响下被击穿。

3 列车遭受雷击时的特性

3.1 电压分布

若雷击时接触轨上正好有列车通过，那么雷电会直接通过车体、轮对以及钢轨路径进行回流。而由雷电流导致的过电压会直接影响钢轨电位限制装置动作，对地进行散流，而杂散电流会直接流入排流网，导体之间的耦合作用会导致过电压的产生，各个导体之间会出现闪络情况，最终也会引发绝缘支架闪络。本文建立在列车中央位置，受到雷击的前提条件下，由 IEEE Guide 给出的雷电流幅值累积概率公式可得，当雷电流幅值达到140kA 时，流累积概率仅为1%，整体较小，因此考虑雷电流幅值范围在10~140kA。雷电流波形选取标准雷电流波形，波前时间为2.6μs，半波时间取50μs，通过仿真模型计算出不同雷电流情况下相应导体之间的电压分布情况。

3.2 列车遭受雷击时接触轨的击穿情况

随着雷电流幅值的不断增加，梁面钢筋和排流网、排流网和绝缘支架底座、排流网和钢轨以及绝缘支架底座和钢轨之间的电压插也会逐步递增。当雷电流幅值高达140 kA 时，各个导体之间的电压差依然比原有的击穿电压低，不能形成闪络情况。若电压流幅值高达118 kA 时，绝缘支架两端出现的电压差高达125 kV，导致绝缘支架本身出现闪络情况。因此，在列车遭受雷击时，绝缘支架会直接感应过电压，本身会出现闪络情况。当雷电电流幅值高达118 kA 时，累积概率较小，因此总体来讲，列车遭受雷击可能引发绝缘支架散落，但是概率不高。

4 接触轨耐雷水平的不同影响因素

4.1 雷击参数

雷击参数主要以雷击点的位置以及雷电流波形为主。这其中雷击点主要是指受雷击位置和接地点之间的距离，经过实践之后可以发现，当雷击点与接地点的距离为0时，耐雷水平为38 kA，该距离增加到100 m 时，耐雷水平将降低至25.05 kA，产生这种现象的主要因素在于雷击点与接地点之间的距离越大时，接地引线引导的雷电流越小。经过实验对比可以发现，若将波前时间控制为10μs，其耐雷水平远远高出波前时间1μs，数值高出近5.95倍。产生该种情况的主要因素在于，当波前时间越短，雷电流无法及时通过接地引下线散流，会直接由避雷带进行传播，在这个过程中产生的过电压过高，直接影响其耐雷水平。

4.2 线路参数

4.2.1 桥体的高度

本文案例中桥墩高度约 22 m，桥面到地面最高约 24 m，建立在避雷带高度 1~2.5 m 的范围内、高架桥的高度以 8m、15m、24m 以及23 m 为基础分别模拟试验，雷击点的位置控制在避雷带的正中央，结合不同的避雷带设计高度进行接触轨耐雷水平变化规律的分析。从所得数据可知，随着壁垒的高度的逐步增加，避雷带高度的变化将导致耐雷水平高度明显变化，其变化的起伏程度，远高于高架桥高度的调整。产生该种情况的主要因素在于，当避雷带的高度随之增加时，接触轨以及接地扁铜之间的空间距离也会显著增强，雷电流在额定情况下，感应过电压会逐步减小，会提升接触轨本身的耐雷水平。

4.2.2 接地材料

结合当前部分铁路线路供电系统的材料应用情况，接地扁钢和接地扁铝的材料不同也将直接影响电阻率和磁导率，最终产生的耐雷水平也有一定的差异性。经过研究对比之后发现，接地扁铝代替原有的接地扁钢对接触轨本身的耐雷水平产生的影响较小，因此在实际施工的过程中，在整体供电系统规划的过程中，可以根据造价来选择不同的材料。

4.2.3 土壤电阻

土壤电阻率往往受到不同地区的实际气象条件的影响，本文所研究的案例区域为广州，在春季温度多变，同时以阴雨天气为主；夏季温度较高，暴雨时常出现。结合表层土壤电阻率以及物理性能进行分析，当表层土壤的电阻率越高，接触轨的耐雷水平会逐步下降。接地引下线导入的雷电流会逐步减小，会增加避雷带上本身的雷电流，导致过电压增加。

5 结语

综上所述，由于接触轨受雷击的位置点以及雷电波形无法进行人为控制。通过模拟接触轨线路采取防雷带设计判断防雷带在实际接触轨线路应用的情况，从工程角度进一步提升接触轨的防雷性能，可以调整避雷带的高度以及接地距离，进一步强化支架底座的性能，这样能够进一步打造安全的防雷体系和雷电流引流体系，提升接触轨本身的耐雷水平和安全性。

参考文献

[1]浦文旭，于龙，陈唐龙.基于熵测度的地铁弓网燃弧电流扰动分析[J].高电压技术，2014（11）：3642-3648.

[2]张血琴，陈奎，李瑞芳.高架桥段地铁接触网的改进防雷措施[J].高电压技术，2016（5）：1527-1534.