地铁接触网避雷器保护范围的研究

近年，国内地铁接触网系统发生了多起严重的雷击事件。部分事件中，不仅接触网系统设备被损坏，还造成了地铁列车大面积、长时间延误，严重影响乘客出行，其社会影响很大。地铁接触网防雷问题已成为亟待解决的问题。

氧化锌避雷器作为地铁接触网系统的主要防雷装置，是防雷方案讨论及设计的重点研究对象。而避雷器保护范围的问题始终存在争议。

1 典型的雷击事件

深圳地铁露天接触网主要分布在部分车辆段和1、5号线的高架段，均为架空柔性接触网，分别采用简单悬挂和简单链型悬挂的安装形式。接触网沿线架设的架空地线通过金属抱箍与接触网下锚底座及支持装置等共支柱安装。架空地线每隔200 m就通过1个地电位均衡器连接接地极。接触网采用2种绝缘子，其最小爬距分别为250 mm和400 mm。绝缘子的雷电全波冲击耐受电压不小于100 kV。除上网点、车站两端及过渡段隧道洞口外，全线区间接触网每隔200 m设置1套无间隙金属氧化锌避雷器，并利用桥墩内部钢筋网作为接地体，其接地电阻小于10 Ω。

深圳地区的雷电活动特别强烈。深圳地铁露天接触网系统曾多次发生雷击事件。2014年5月20日，深圳地铁1号线高架段与5号线塘朗车辆段试车线均发生了雷击接触网事件，并造成车辆段和正线接触网多个供电分区跳闸失压、绝缘子击穿炸裂、线索烧伤及多台开关控制箱内部元器件损坏等严重后果。

经统计发现，雷击闪络绝缘子距避雷器最近距离仅35 m。表1为几起典型雷击接触网事件中闪络绝缘子与避雷器最小距离的统计。

2 避雷器防护范围

2.1 雷电波传播特性

为了便于分析雷电波传播特性，在雷电波引起的过电压作用下，接触网导线按分布参数元件处理(如图1所示)。假定接触网导线为1根无限长的均匀无损单导线。导线单位长度电感L0和电容C0均为常量。

表1 典型雷击事件统计时间雷击位置避雷器距闪络绝缘子最小距离/m2011年7月塘朗站—长岭陂站区间年9月塘朗站—长岭陂站区间年5月后瑞站—机场东站区间年5月塘朗车辆段试车线75

a) 单根无损线首端合闸

b) 等效电路注：E——电源；L——电感；C——电容；x——电流方向图1 雷电波在均匀无损单导线上的传播

在时间t=0时，开关合闸，电源开始向电路电容充电。靠近电源的电容先充电，然后向相邻电容放电。由于存在线路电感，较远的电容需要间隔一段时间才能充电，并向更远的电容进行放电。线路上电压波与电流波同时以相同的速度传播。

设向x方向传播的电压波和电流波，在t=Δt时到达x=Δx点。则在Δt内，长度为Δx的导线上电容C0Δx充电至电动势为E，获得电荷C0ΔxE。这些电荷又是在时间Δt内，通过大小为I的电流波输送过来的。因此，

另一方面，导线总电感为L0Δx，在Δt内，大小为i的电流波在导线周围建立起磁链。因此，导线感应电动势为

由式(1)和式(2)可得，波阻抗为

由于对架空线路，有

式中：

μ0——空气的导磁系数；

ε0——空气的介电系数；

h——导线的对地高度；

r——导线半径。

因此，Z与线路长度无关。

令x为线路首端到线路计算点X的距离。则导线可看作由无数段长为dx的微型线路单元电路串联而成。每段长为dx的线路电感为L0dx，电容为C0dx。

根据节点电流方程ΣI=0可知，线路电流为

根据回路电压方程ΣU=0可知，线路电压为

整理得

设任意波形的电压波沿x向线路以速度v传播；当t=t1时线路上任意位置x1点的电压值为Uf，当t=t2(t2>t1)时，x2点电压值为Uf，则应满足

变换得：x2-x1=v(t2-t1)

由于v恒大于0，且t2>t1，则(x2-x1)>0，由此可见，Uf为前行电压波，Ub为反行电压波；同理可得，If为前行电流波，Ib为反行电流波，故t时刻在x点的电流I及电压U为

经上述分析可知，线路中传播的任意波形电压和电流均由前行波和反行波组成。当前行波和反行波在线路中相遇时，电压波和电流波的值符合叠加定理。

2.2 避雷器保护范围分析

与理想模型相比，实际的地铁接触网系统导线是有限长导线，且具有线路电阻和对地电导，故波在线路传播时会有一定程度的衰减。但不影响以下结论：

(1) Z表示向同一方向传播的电压波和电流波之间比值的大小，其数值与线路长度无关。

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