地铁直流牵引供电系统的防雷保护

宋阳徵

贵阳市城市轨道交通集团有限公司运营分公司，贵州 贵阳 550000

摘要：地铁作为客运专线对直流牵引供电的可靠性要求很高，但因雷击造成部分绝缘子损坏，而导致供电系统故障，给铁路运输带来相当的安全隐患。文章着重分析地铁直流牵引供电系统的防雷保护，根据统计我国铁路系统每年因雷击跳闸的次数在总跳闸数中占有很高的比例，说明系统在防雷方面确实还有很多需要改进的地方，因此从分析当前地铁直流牵引供电系统防雷现状入手，分析其防护手段，结合当前存在的其它几种防雷手段，最后提出在接触网防雷技术上的应用，将会对目前阶段供电系统防雷起到很大的借鉴作用。

关键词：地铁；直流牵引供电系统；防雷保护

前言

地铁以其运量大、效率高、污染低等优势成为我国多数大城市解决交通问题的第一选择。伴随着地铁在国内的大力发展，地铁系统的防雷问题也日益凸现出来。在这其中，地铁交通动力源牵引网系统，由于环境以及工程实际情况的原因，其部分可能暴露于大气中，因此其受到雷电影响概率非常大，在过往的地铁所遭受雷灾事故实例中由于牵引网系统受到直接或间接雷击而造成的列车停运事故也比比皆是。虽然国内外都对地铁牵引供电系统的防雷问题提出了相应的解决措施，但并没有形成一个具体且规范性的体系，没有彻底解决地铁牵引供电系统的雷电防护问题。

1、地铁直流牵引供电系统防雷保护现状

目前阶段地铁直流牵引供电系统防雷的主要有两个方面问题：雷击造成防雷设备损坏以及绝缘子抗雷电过电压能力不足；防雷设备损坏导致防雷失败或者造成短路跳闸，绝缘子抗压不足会导致闪络事故，甚至引发接触网断电、塌网的重大安全隐患。以下是深圳地铁近年发生的具体事故案例：

2012年5月发生在深圳地铁车辆段试车线的雷击跳闸事故，经检查接触网设备，发现是试车线某避雷器破裂，且避雷器固定角钢有放电痕迹，后分析事故原因是雷击接触网造成避雷器炸裂，接地侧引线脱落后与避雷器固定角钢短接，形成短路跳闸。通过更换避雷器解决了问题；但考虑发展，又增设了两项长期防雷举措：一是在每年雷雨季前，对所有接触网避雷器进行预防性试验，保证避雷器状态良好，同时，按照检修计划完成接地极检修及接地电阻测试工作；二是加强巡视，雷雨季节需每月对管内避雷器、避雷器脱扣装置及计数器等进行巡视检查。

2011年9月在深圳地铁环中线塘朗站--长岭陂站下行线高架段发生接触网遭雷击跳闸事故，原因是接触网平腕臂绝缘子闪络。此外，环中线自开通以来高架段接触网已连续发生两起因雷击导致绝缘子烧伤、接触网短路跳闸的事故。经分析，确认系绝缘子抗雷电过电压能力不足造成，解决办法是将250mm爬距的绝缘子更换为400mm爬距的绝缘子，如深圳地铁高架段共计更换了1810个绝缘子。更换后明显降低了雷击造成的闪络事故概率，提高了接触网系统稳定性。

直流保护系统还应考虑诸如接触网与架空接地线的短路，接触网与电缆支架与屏蔽门短路等故障的保护。直流牵引供电系统依靠直流断路器进行保护，而变压器也应采取必要的防雷保护措施，在防止自身受到雷电过电压的损坏的同时，也防止雷电过电压波通过变压器传播到其它电源系统，提高供电的可靠性。总之，为维护铁路运输正常秩序，提高直流牵引供电系统的可靠性，就必须大大降低雷击跳闸率，而加强接触网的防雷水平更是迫在眉睫。

2、现行防雷保护措施概述

目前直流牵引供电系统线路主要防雷措施有以下三种：

（1）部署避雷线：避雷线因其简单有效的特点，是防雷应用中最普遍的措施，主要运用其屏蔽作用，减少雷电与电流之间的感应，降低雷电击中线路的概率。（2）采取保护间隙：采取保护间隙主要是疏导绝缘子闪络后的续流电弧，避免绝缘子炸裂和破损，减少非自动恢复性故障，促进重合闸成功，从而保证连续性供电。这种方式成本比较低，但是却使线路跳闸次数增加。（3）增设避雷器：避雷器主要是控制绝缘子两端的电压，减少绝缘子闪络，作用明显，但成本较高，此外设置避雷器具有很大局限性，一是避雷器的保护范围有限，二是常用的氧化锌避雷器采用串联间隙结构增加污闪事故率；三是大面积安装避雷器的预防试验和维修工作量大，费用高；因此鉴于避雷器的保护范围和作用有限，只能作为牵引供电系统防雷技术措施的一种补充。

3、接触网的防雷保护分析及展望

关于接触网的防雷，科技部联合铁道部申请国家科技支撑计划项目“牵引供电系统雷电防护技术及装置研究”，电力科学研究院为此项目进行了理论研究以及模拟试验后得出如下结论：

1. 当接触网不采取特殊防雷措施时，由接触网高度和雷暴日差异分析，雷击跳闸比例中，超过九成的原因是直击雷，而感应雷造成的跳闸仅占雷击总跳闸数的百分之三到五，因此防护直击雷是接触网的防雷的主要对象，感应雷比例很低。（2）为加强对正馈线和承力索的屏蔽作用，有效降低直击雷闪络概率可以在柱顶单独设置架空地线，但此情况需考虑绝缘子反击闪络的可能性。（3）一种避免绝缘子受损，同时又可避免雷击跳闸的方法是在绝缘子上安装带间隙的金属氧化物避雷器，安装后当线路遭受雷击，便可将雷电流工作频率电弧疏导至间隙，使绝缘子安全且不会反击闪络。（4）安装保护间隙是一把双刃剑，一方面是遭受雷击时，线路可将雷电流工作频率电弧疏导至间隙，从而避免绝缘子损坏，但另一方面由于保护间隙会降低线路雷击绝缘水平，导致雷击闪络次数上升，进而引发雷击跳闸。

图1 图2

如图所示，图（1）为接触网典型支柱悬挂图；图（2）为接触网采用架空地线防护；通过分析接触网防雷的现状，结合多年的供电系统雷电防护经验，最后加上上述研究成果，我们在实际运用中可对接触网采取如下防雷加强措施：

一是如果区段无加强线可以增设架空地线，在某些情况下接触网支柱的高度比较低，可以在支柱顶部设置地线肩架，增加一条架空地线，增强对正馈线和接触网的屏蔽作用，此外为使雷电流泄流，应在基础和支柱内预留的接地螺栓间增设电气连接线，如此将大大降低直击雷闪络。

二是加强线可以临时扮演架空地线角色，加强线位于接触网的最高处，相比接触悬挂与正馈线，加强线的受雷概率更大，短接每个加强线固定点处的支柱绝缘子，如此加强线便会产生屏蔽作用，与正馈线成角四十五度起保护作用，与接触网的角度则为七十度，同样可以降低50%的雷击跳闸率。

三是在线路出口合架区增设具有间隙功能的避雷器，由于合架区接触网支柱较高，且其顶部双肩悬挂合成绝缘子，致使隔离开关与避雷器在此密集分布，增设架空地线难以实施，在接触网绝缘子上安装金属氧化物避雷器可降低绝缘子遭雷击损坏概率，但此方案风险比较大，可靠性有待确定。

4、结束语

在电气化铁道供电系统中，牵引变电系统和接触网被形象的比作是“心脏”和“血管”，其重要性可见一斑，而雷击跳闸却可能严重影响这两大系统的正常运行，进而影响运输的可靠与安全。因此，防雷保护必须可靠而慎重，从上文中我们可以了解到一些常用的防雷手段，同时提到的一些新方法或许也可在防雷运用中让人喜出望外，希望这些分析可以在实际应用中给大家带来帮助。

参考文献

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