趙海軍，陳維江，沈海濱，王立天，尹 彬

地鐵架空地線的防雷接地方案研究

趙海軍，陳維江，沈海濱，王立天，尹 彬

本文基于阻礙鋼支柱與橋梁鋼筋間形成雜散電流通道但提供雷電流泄放通道的方法，對架空地線的防雷接地方案進行了研究，提出架空地線防雷接地方案選用原則，分析既有接地方案的不足，提出采用雷電沖擊接地器接地的新方案。完成了雷電沖擊接地器樣品試制并在工程中試用，建議在今后地鐵工程高架橋架空地線防雷接地設計時選用。

地鐵；架空地線；防雷；接地；雷電沖擊接地器

1 研究背景

在地鐵牽引供電系統(tǒng)中，架空接觸網通常都設置架空地線，目的是建立短路電流回路，起到短路保護的作用。當?shù)罔F采用架空地線兼做雷電防護作用時，架空地線應可靠接地，使雷電流就近泄入大地以減少雷電過電壓作用范圍。但從雜散電流防護角度卻要求架空地線不能直接接地。這是因為地鐵供電系統(tǒng)是以架空接觸網為正極、機車走行的鋼軌為負極的不直接接地系統(tǒng)。受實際運營環(huán)境（道床表面臟污、導電粉塵覆蓋或積水等）、工程經濟性及其他一些條件的限制，鋼軌不可能完全絕緣于道床結構，也就不可避免地要向道床及橋梁鋼筋泄漏電流（即雜散電流）。為了避免雜散電流泄漏入地對系統(tǒng)以外設施形成電流腐蝕，地鐵工程要求高架橋橋梁和敷設鋼軌的道床可靠連接并與大地電氣隔離，構成雜散電流收集網，雜散電流經引線匯集至牽引變電所集中收集。由于接觸網安裝用的鋼支柱與橋梁鋼筋是可靠連接的，如果架空地線直接接地，則雜散電流將通過鋼柱、架空地線、接地極泄漏，造成雜散電流就近入地。

解決這一問題，可以從“封堵”和“疏導”兩方面尋求解決辦法?！胺舛隆狈椒ㄖ缸璧K鋼支柱與橋梁鋼筋間形成泄漏電流通道，實施中需要鋼支柱與橋梁之間電氣隔離，但鋼支柱與橋梁之間需要存在較大的機械作用力，目前工程中還沒有經濟合理的技術手段能夠實現(xiàn)兩者之間的電氣隔離，并且鋼支柱與橋梁需要耐受的雷電過電壓很高，絕緣配置也不易實現(xiàn)?！笆鑼А狈椒ㄖ竻^(qū)別對待泄漏電流和雷電流，阻礙鋼支柱與橋梁鋼筋間形成泄漏電流通道但提供雷電流泄放通道，采用“疏導”方法解決架空地線防雷要求接地與雜散電流防護不能接地的矛盾較為可行。

本文針對架空地線的防雷接地方案開展研究，基于“疏導”方法提出架空地線防雷接地方案選用原則，分析既有接地方案的不足，確定防雷接地裝置主要技術參數(shù)，完成樣品試制并在工程中試用。

2 接地方案應滿足的技術條件

從“疏導”角度，架空地線的防雷接地方案應阻礙形成泄漏電流通道但提供雷電流泄放通道，即應滿足雜散電流防護和防雷接地的要求。但采取的方案應避免對地鐵牽引供電系統(tǒng)產生影響，不能改變架空地線的短路保護功能及系統(tǒng)參數(shù)配置。另外接地方案應適合工程應用。故地鐵架空地線的防雷接地工程應用方案應滿足以下4個技術條件：

（1）在不發(fā)生雷擊時，架空地線與接地極之間須電氣隔離，滿足雜散電流防護要求。

（2）在雷擊發(fā)生時，架空地線與接地極須導通，使雷電流就近盡快泄入大地。

（3）不應改變接觸網系統(tǒng)電氣回路模型，不影響系統(tǒng)短路保護參數(shù)配置。

（4）接地裝置應運行安全、動作可靠，盡量減少維修及更換次數(shù)，降低運營維護成本。

3 既有方案存在的問題分析

目前，國內地鐵工程中架空地線防雷接地主要采用了放電間隙接地和電位均衡裝置接地2種方案，但兩者都不能同時滿足上述4個技術條件要求，存在應用缺陷。下面對既有接地方案存在的問題分別進行分析。

3.1 放電間隙接地

放電間隙結構如圖1所示，由2個角形電極與串聯(lián)空氣間隙構成，一端電極與架空地線相連，另一端電極通過接地引下線接至接地極。電極間空氣間隙距離約3～5 mm，其標稱放電電壓（1.2/50 μs）為2.0 kV，標稱放電（8/20 μs）電流為20 kA。

圖1 放電間隙結構及工程應用實例圖

不發(fā)生雷擊時，由于空氣間隙的隔離能阻止雜散電流通過放電間隙泄漏，滿足了雜散電流防護的要求；在雷擊發(fā)生時，雷電過電壓作用下放電間隙迅速擊穿，雷電流可通過放電間隙泄入大地，滿足防雷接地要求。放電間隙滿足技術條件（1）和（2）。接觸網最高系統(tǒng)運行電壓為1.8 kV，當接觸網發(fā)生接地短路故障而接觸網未遭受雷擊時，2.0 kV的標稱放電電壓保證了放電間隙不擊穿動作。當雷擊誘發(fā)接觸網接地短路，雷電流流過后，系統(tǒng)短路電流也會流過放電間隙通道，改變了接觸網的電氣回路模型，不滿足條件（3）。地鐵接觸網的絕緣配置水平很低，僅與電力系統(tǒng)10 kV線路絕緣水平相當，且絕大多數(shù)架設在高架橋上，雷擊造成的接觸網絕緣閃絡進而系統(tǒng)接地短路的概率很大，根據(jù)文獻[8]，在40個雷暴日下，每100 km線路每年發(fā)生的絕緣子雷擊閃絡次數(shù)高達60次。短路電流會燒蝕角形電極，在潮濕環(huán)境下容易發(fā)生銹蝕。由于電極間空氣間隙很小，工程中出現(xiàn)了銹蝕物導致空氣間隙值縮小、標稱放電電壓降低的情況。如不能及時更換會造成空氣間隙最終失效。所以采用放電間隙時運營維護量很大，不滿足條件（4）。目前國內新建工程已少有采用放電間隙接地方案。

3.2 電位均衡裝置接地

近年來，部分地鐵工程采用了一種電位均衡裝置接地。該裝置主要構件是一個氣體放電管，標稱直流擊穿電壓為350 V。當承受電壓不大于350 V時其呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，絕緣電阻達到1 GΩ以上；當承受電壓大于350 V時其呈現(xiàn)導通狀態(tài)，自身最大電壓降不大于20 V。工程中將其一端與鋼支柱連接，另一端通過引下線接至接地極（圖2）。

圖2 電位均衡裝置工程應用實例圖

正常工況下，鋼軌對地電壓不高于120 V，電位均衡裝置承受電壓也不會大于120 V，呈現(xiàn)高阻狀態(tài)；當雷電發(fā)生時，電位均衡裝置承受電壓遠大于350 V，擊穿導通將雷電流泄入大地。該方案滿足條件（1）和（2），但與放電間隙一樣，不能滿足條件（3）和（4）。這是因為電位均衡裝置動作電壓比放電間隙更低，當雷擊導致接觸網短路時，會分流短路電流；即使不發(fā)生雷擊，接觸網自身短路過電壓也可能造成電位均衡裝置導通，因此該方案不滿足條件（3）。除此以外，該裝置自身通流能力有限并且沒有限流措施，在雷電流和短路電流的沖擊作用下，壽命周期很短，天津和南京等工程實踐顯示，電位均衡裝置損壞率高、更換頻繁，運營維護成本較高，因此也不符合條件（4）的要求。

4 采用雷電沖擊接地器接地方案的研究

通過分析既有接地方案存在的缺陷可以看出，架空地線的防雷接地方案應重點從避免對接觸網系統(tǒng)電氣回路產生影響和延長裝置使用壽命兩方面采取措施。為此，本文研究新的接地方案，提出了一種地鐵架空地線防雷接地專用雷電沖擊接地器裝置，并展開了樣品研制工作。

雷電沖擊接地器由氣體放電管和金屬氧化物電阻片串聯(lián)組成，二者均密閉在絕緣套筒內。

雷電沖擊接地器一端與接觸網鋼支柱連接，另一端與接地極連接。其工作原理：正常工況及接觸網短路情況下，由于氣體放電管和氧化鋅電阻片的隔離，雷電沖擊接地器處于高阻狀態(tài)，避免雜散電流泄漏和短路電流分流；當雷擊發(fā)生時，氣體放電管和氧化鋅電阻片導通，雷電沖擊接地器立即變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，雷電流泄放；雷擊發(fā)生后加在雷電沖擊接地器兩端的電壓降低，其重新恢復高阻狀態(tài)。設計成型的雷電沖擊接地器的技術參數(shù)詳見表1。

雷電沖擊接地器接地方案能夠滿足架空地線防雷接地要求的4個技術條件：該裝置放電電壓大于2.0 kV，在雜散電流作用下呈阻斷狀態(tài)，雷電沖擊放電電壓不大于3.0 kV，保證絕大多數(shù)雷電流能泄入大地，因此滿足條件（1）和（2）；在接觸網非雷擊短路時，最高系統(tǒng)電壓小于2.0 kV，該裝置呈阻斷狀態(tài)；發(fā)生雷擊接觸網短路時，在雷電作用下氣體放電管動作，金屬氧化物電阻片在雷電過電壓作用下對雷電流呈導通狀態(tài)，雷電流過后迅速恢復高阻狀態(tài)，對接觸網短路電流形成阻斷，因此不影響接觸網電氣回路，滿足條件（3）；當不發(fā)生雷擊時，金屬氧化物電阻片因氣體放電管隔離幾乎不承擔系統(tǒng)電壓，只有在雷電擊穿氣體放電管后電阻片才動作，整體壽命長，可免維護。另外，氣體放電管放電電壓穩(wěn)定，裝置滿足條件（4）。

雷電沖擊接地器樣品通過了電力工業(yè)電氣設備質量檢驗測試中心（北京）的各項委托試驗檢驗。委托試驗項目和結果詳見表1。

表1 雷電沖擊接地器委托試驗項目及試驗結果匯總表

2014年6月雷雨季節(jié)來臨之前，在天津津濱輕軌工程共完成6只樣品的安裝。截止到2014年11月，根據(jù)該工程運營維護單位反饋意見，經過一個雷雨季節(jié)的考驗，雷電沖擊接地器運行狀況良好。

5 結論與建議

當?shù)罔F采用架空地線兼做雷電防護作用時，架空地線的防雷接地與雜散電流防護之間的矛盾是一個工程難題。 本文基于“疏導”方法，對架空地線的防雷接地方案進行了研究，得出如下結論與建議：

（1）當接地方案滿足本文提出的4個技術條件時就能完全解決架空地線防雷接地與雜散電流防護之間的矛盾，并且適于工程應用，建議在今后地鐵工程中按此要求開展防雷接地設計。

（2）架空地線采用由氣體放電管和金屬氧化物電阻片串聯(lián)構成的雷電沖擊接地器方案能夠完全滿足工程需求，相比放電間隙或電位均衡裝置接地方案優(yōu)點明顯，建議在今后地鐵工程高架橋架空地線防雷接地設計時選用。

（3）本文僅研究了地鐵架空地線兼做雷電防護作用時的接地方案，但應注意架空地線對于地鐵接觸網的雷電防護作用有限，應同時考慮其他雷電防護措施。

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收稿日期：2014-12-11

The paper studies the lightning earthing scheme for overhead earthing wires on basis of a method that the stray current channel between steel mast and steel bars of bridge beam is obstructed but the channel for discharging of lightning current is offered, puts forward the principle for selection of lightning protection earthing scheme for overhead earthing wire, analyzes the disadvantages of the existing earthing scheme, raises a new scheme on basis of the earthed lightning strike earthing device. The samples of lightning strike earthing devices are tested and applied in engineering application, and they are proposed to be selected and applied for design of lightning protection earthing of overhead earthing wires for subway viaducts in the future.

Subway; overhead earthing wire; lightning protection; earthing; lightning strike earthing device

U226.8 3

B

1007-936X(2015)02-0028-03

2014-11-20

趙海軍.中鐵電氣化勘測設計研究院有限公司，高級工程師，電話：18602266878；陳維江.國家電網公司，教授級高級工程師；沈海濱.中國電力科學研究院，高級工程師；王立天.中鐵電氣化勘測設計研究院有限公司，教授級高級工程師；尹 彬.山東迅實電氣有限公司，高級工程師。