李 量,孫 崢,朱德貴,向念文

(1.南京地鐵建設(shè)有限公司,江蘇 南京 210017; 2.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,北京 102206; 3.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

南京大勝關(guān)長江大橋軌道交通接觸網(wǎng)采用DC 1 500 V電壓供電方式,供電系統(tǒng)設(shè)計方案截然不同,類似工程國內(nèi)罕見。大橋的主橋段和引橋段平均高度約為幾十米,橋體結(jié)構(gòu)所用材料為鋼材,四周無遮蔽物,空氣濕度大,容易遭受雷擊,且接觸網(wǎng)絕緣水平較低,遭受雷擊后故障率較高,這對軌道交通接觸網(wǎng)雷電防護(hù)提出了嚴(yán)峻的要求。由國家氣象信息中心最新發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，南京市所在區(qū)域為“多雷區(qū)”,其全年平均雷暴日數(shù)為29 d,遠(yuǎn)高于全國年平均雷暴日數(shù)。根據(jù)所提供相關(guān)資料可以得到，大勝關(guān)大橋所在地3.5 km范圍近5年平均地閃密度約為2.8次/(km2·a)。

文獻(xiàn)[1-4]通過建模仿真分析,對安裝絕緣子并聯(lián)保護(hù)間隙、架設(shè)避雷線和安裝避雷器等接觸網(wǎng)雷電防護(hù)措施進(jìn)行了比較,決定選擇安裝避雷器防護(hù)措施。文獻(xiàn)[5]提出了在接觸網(wǎng)支柱F線絕緣子上逐個安裝帶串聯(lián)間隙避雷器的方案;當(dāng)只考慮接地體參與泄流時,該方案至少能將接觸網(wǎng)直擊雷跳閘率降低48%,若還考慮結(jié)構(gòu)鋼筋參與泄流,則可以將直擊雷跳閘率至少降低90%;采用這種避雷器防護(hù)措施即能有效保護(hù)絕緣子,又能使雷電防護(hù)工程費用降低。文獻(xiàn)[6]簡要介紹了大勝關(guān)長江大橋軌道交通接觸網(wǎng)的避雷器選擇,但并未詳細(xì)說明避雷器選型和配置方式,且缺少數(shù)據(jù)證明。

本文從結(jié)構(gòu)型式選擇、電阻片參數(shù)、串聯(lián)間隙距離和避雷器本體參數(shù)4個方面來進(jìn)行避雷器選型[7],推薦接觸網(wǎng)用避雷器參數(shù)。通過仿真分析了逐基支柱安裝避雷器和隔基支柱安裝避雷器2種配置方式的防護(hù)效果,建議采用逐基支柱安裝避雷器配置方案。

1 避雷器選型研究

1.1 結(jié)構(gòu)型式選擇

從結(jié)構(gòu)型式上可以將避雷器分為2類,分別為帶串聯(lián)間隙和無間隙避雷器[8]。正常運行時,無間隙避雷器會承受系統(tǒng)工作電壓,這時會有泄露電流流過避雷器電阻片,流過電阻片的泄露電流會加劇電阻片老化,因此需要定期檢測及維護(hù);而帶串聯(lián)間隙避雷器由于空氣間隙的存在,阻隔泄露電流流過避雷器電阻片,因此在正常運行中電阻片幾乎不承受系統(tǒng)運行電壓,只有在雷擊故障后帶串聯(lián)間隙避雷器本體才會承受系統(tǒng)運行電壓。相較于無間隙避雷器，帶串聯(lián)間隙避雷器具有壽命長和免維護(hù)的優(yōu)點,尤其適于接觸網(wǎng)架空線路雷電防護(hù)。本文設(shè)計一種由避雷器本體和安裝在絕緣子法蘭上的板型電極構(gòu)成的串聯(lián)間隙,如圖1所示,此種結(jié)構(gòu)方便現(xiàn)場安裝及運行維護(hù)。

圖1 帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器結(jié)構(gòu)

1.2 電阻片參數(shù)

帶串聯(lián)間隙避雷器電阻片承受直流電場時,與電阻片承受時間相關(guān)聯(lián)。若承受時間過長,會使呈現(xiàn)低價狀態(tài)的陽離子遷移,而離子遷移必然會導(dǎo)致電阻片內(nèi)部產(chǎn)生微應(yīng)力,對電阻片材料有所損害,此時若有過電壓產(chǎn)生,將會加劇微應(yīng)力,從而加速電阻片損壞程度；若電阻片承受直流電場時間過短,在相同額定電壓時幾乎不會承受很大微應(yīng)力。直流電阻片與交流電阻片相比,前者有更高的能量耐受密度和電位梯度。針對大勝關(guān)長江大橋軌道交通接觸網(wǎng)雷電防護(hù)采用的避雷器,電阻片采用交流電阻片。因為大勝關(guān)長江大橋軌道交通接觸網(wǎng)電壓供電方式為DC 1 500 V,直流電壓較低,而且避雷器帶串聯(lián)間隙,只有在雷擊故障后避雷器動作才會承受系統(tǒng)運行電壓作用,此時運行電壓作用于電阻片的時間極短和微應(yīng)力極小,所以選擇能量耐受密度和電位梯度更小的交流電阻片。

1.3 串聯(lián)間隙距離

串聯(lián)間隙距離選擇依據(jù)的原則[9]如下:

(1) 將串聯(lián)間隙與被保護(hù)絕緣子的放電電壓進(jìn)行配合,按照絕緣配合的要求應(yīng)使串聯(lián)間隙先于被保護(hù)絕緣子擊穿放電,表達(dá)式為:

U50GMOA(1+3σ)

其中:U50GMOA為串聯(lián)間隙50%雷電擊穿電壓;U50絕緣子為絕緣子50%雷電閃絡(luò)電壓;σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差,規(guī)程推薦對雷電過電壓取σ=0.03。

(2) 在操作過電壓情況下,串聯(lián)間隙不被擊穿。由于雷擊放電電壓與間隙距離呈現(xiàn)線性特性,再結(jié)合串聯(lián)間隙距離選擇原則,建議最佳的間隙距離應(yīng)選擇為絕緣子干弧距離的40%～80%。本文接觸網(wǎng)雷電防護(hù)措施為帶串聯(lián)間隙避雷器,由于應(yīng)用在大勝關(guān)大橋軌道交通接觸網(wǎng)上,為符合避雷器串聯(lián)間隙選取原則,串聯(lián)間隙距離選取為60～70 mm,此時對應(yīng)的U50GMOA約為110～120 kV,在U50絕緣子(135 kV)的80%～90%之間,符合避雷器串聯(lián)間隙的選擇原則。

1.4 避雷器本體參數(shù)

1.4.1 額定電壓

考慮串聯(lián)間隙滅弧能力,需要確保避雷器本體的額定電壓高于系統(tǒng)故障時產(chǎn)生的過電壓。查閱相關(guān)資料可知，軌道交通接觸網(wǎng)故障時產(chǎn)生的過電壓約為2 kV,為了確保串聯(lián)間隙可靠滅弧,額定電壓應(yīng)大于軌道交通接觸網(wǎng)故障時產(chǎn)生的過電壓,即額定電壓大于2 kV。但是注意避雷器額定電壓不能選擇過高或過低:若避雷器額定電壓選擇過低,導(dǎo)致避雷器更容易被擊穿,故障損壞率將大大增加;若避雷器額定電壓選擇過高,將導(dǎo)致單個避雷器的成本大大增加,不符合經(jīng)濟(jì)性要求。

1.4.2 動作殘壓

考慮絕緣子保護(hù)效果,需要確保避雷器動作殘壓低于被保護(hù)絕緣子的雷擊耐受電壓,兩電壓之間規(guī)定一定的配合系數(shù)。對于本文接觸網(wǎng)用帶串聯(lián)間隙避雷器,配合系數(shù)選擇為1.4,此時在標(biāo)稱電流下動作殘壓為96 kV,故避雷器動作殘壓可選擇為不高于96 kV即可。

1.4.3 通流能力

南京大勝關(guān)長江大橋軌道交通接觸網(wǎng)架設(shè)了避雷線,可有效減少雷擊時流過避雷器的沖擊電流,防止避雷器因大電流沖擊而損壞。其技術(shù)原理如圖2所示。

圖2 雷擊避雷線等值電路

圖2中:i(t)為雷電流;ZMOA表示避雷器動作時的阻抗,量級在10-2～10 Ω之間;R為支柱接地電阻,一般低于10 Ω;ZL為線路波阻抗，ZW為避雷線波阻抗,其值均在350～450 Ω之間。

由圖2可知,避雷器所在的ZMOA與ZL/2串聯(lián)支路、R支路和ZW/2支路3個支路分擔(dān)雷電流,其中R支路的阻抗小于其他2條支路,大部分雷電流將通過R支路直接入地,避雷器所在的ZMOA和ZL/2串聯(lián)支路分擔(dān)的雷電流較少,避雷器不會流過較大的雷電流。

通過對南京大勝關(guān)長江大橋軌道交通接觸網(wǎng)加裝避雷器后在直擊雷過電壓下的仿真計算，得到流過避雷器的沖擊電流幅值，見表1所列。因為感應(yīng)雷過電壓幅值較小,所以流過避雷器的沖擊電流幅值也比較小,可不予以考慮。

由表1中流過避雷器的沖擊電流幅值數(shù)值可知,避雷器額定電壓從7 kV變化到13 kV,沖擊電流幅值變換并不明顯。因為流過避雷器的沖擊電流幅值與3個電阻相關(guān),分別為本體阻抗、支柱波阻抗和支柱沖擊接地電阻。當(dāng)避雷器工作放電時,其本體阻抗會變得很小,即本體呈現(xiàn)低阻抗特性,此時本體阻抗值遠(yuǎn)小于另外2個電阻值,導(dǎo)致流過避雷器的沖擊電流幅值主要受除本體阻抗外2個電阻的影響,與避雷器額定電壓關(guān)系不大,因此在改變避雷器額定電壓時,流過避雷器的沖擊電流幅值變換并不明顯。

由表1中雷擊導(dǎo)線的數(shù)據(jù)可知,當(dāng)雷電流幅值超過30 kA后,雷電不會擊中導(dǎo)線,此時只能擊中避雷線,即南京大勝關(guān)長江大橋軌道交通接觸網(wǎng)最大的繞擊雷電流不超過30 kA。而當(dāng)雷電流幅值達(dá)到300 kA時,流過避雷器的沖擊電流幅值大約為39 kA,根據(jù)雷電流幅值概率公式可知，300 kA時雷電流出現(xiàn)的概率極小,此時流過避雷器的最大沖擊電流幅值在40 kA以下?？紤]避雷器通流能力時,要保證流過避雷器的電流超過避雷器的最大沖擊電流幅值(40 kA),避雷器的標(biāo)稱放電電流選擇為不低于5 kA。

表1 直擊雷過電壓下流過避雷器的沖擊電流幅值

1.5 推薦參數(shù)

從避雷器的保護(hù)效果和運行可靠2個方面進(jìn)行考慮,并在大勝關(guān)長江大橋軌道交通接觸網(wǎng)的實際運行情況和本文分析的基礎(chǔ)上,推薦接觸網(wǎng)用帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器參數(shù),具體見表2所列。在系統(tǒng)運行電壓為1.5 kV時,從避雷器額定電壓、標(biāo)稱放電電流、大電流沖擊耐受電流、雷電沖擊殘壓和串聯(lián)間隙距離5個方面給出避雷器基本參數(shù)。由上文得到的避雷器本體和串聯(lián)間隙參數(shù)可以得到避雷器本體的伏安特性。當(dāng)避雷器額定電壓為13 kV時,標(biāo)稱放電電流5 kA下的殘壓為34.6 kV(≤35 kV),此時避雷器符合配置要求,且在仿真時設(shè)置間隙長度為 65 mm,此時雷電閃絡(luò)擊穿電壓約為115 kV。

表2 帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器參數(shù)

2 避雷器配置方式

考慮避雷器配置方式時,首先要確定避雷器安裝位置,針對大勝關(guān)長江大橋軌道交通接觸網(wǎng)的避雷器安裝,需要確定支柱絕緣子位置。接觸網(wǎng)支柱上斜腕臂和水平腕臂都可以安裝絕緣子,但是安裝的絕緣子距離很近(即電氣距離很近),可以近似為等電位,因此不需要安裝2支避雷器導(dǎo)致成本雙倍增加,只需安裝1支避雷器即可滿足2支絕緣子的雷電防護(hù)。但是避雷器具體安裝位置還需考慮實際安裝中是否便捷,建議在水平腕臂上安裝帶串聯(lián)間隙避雷器[10],避雷器安裝示意圖如圖3所示。安裝帶串聯(lián)間隙避雷器后,當(dāng)發(fā)生雷擊故障時,避雷器就會動作來保護(hù)絕緣子,但是避雷器擊穿需要一定的時間,而且避雷器保護(hù)的范圍有限,無法實現(xiàn)檔距過大時鄰近支柱絕緣保護(hù)。由電力系統(tǒng)配電線路多年運行經(jīng)驗可知，在檔距接近的配電線路中安裝帶串聯(lián)間隙避雷器，無法實現(xiàn)對鄰近支柱絕緣很好的保護(hù),只能保護(hù)本基支柱絕緣不發(fā)生閃絡(luò)。而對于檔距接近的軌道交通接觸網(wǎng)系統(tǒng),避雷器安裝是否與配電線路一致,需要對接觸網(wǎng)用避雷器的配置方式進(jìn)行分析。本文從逐基支柱安裝和隔基支柱安裝2個方面分析避雷器對絕緣子的保護(hù)效果。

圖3 避雷器安裝示意圖

2.1 逐基支柱安裝

接觸網(wǎng)采用逐基支柱安裝避雷器,即每級接觸網(wǎng)支柱上的線路絕緣子都并聯(lián)安裝帶串聯(lián)間隙避雷器。通過仿真計算可以發(fā)現(xiàn)，逐基支柱安裝避雷器能夠?qū)崿F(xiàn)絕緣子的有效防護(hù),雷擊故障時絕緣子兩端承受的電壓不超過絕緣子50%雷電沖擊耐受電壓,導(dǎo)致絕緣子不會發(fā)生擊穿閃絡(luò)事故,因此逐基支柱安裝避雷器能夠有效保護(hù)接觸網(wǎng)線路絕緣子。

2.2 隔基支柱安裝

隔基支柱安裝避雷器也就是每隔1級支柱安裝1個接觸網(wǎng)線路絕緣子用避雷器。絕緣子用避雷器的架設(shè)方式是并聯(lián)在絕緣子兩端,雷電流依然通過接觸網(wǎng)支柱與高架鋼梁結(jié)構(gòu)流入大地,在接觸網(wǎng)上依然會產(chǎn)生沖擊電壓,這個沖擊電壓可能會造成沒有安裝避雷器的接觸網(wǎng)支柱線路絕緣子發(fā)生絕緣閃絡(luò)，需要建立電磁瞬態(tài)模型分析其防護(hù)效果。

仿真計算時考慮到雷擊導(dǎo)線或避雷線不同位置時的避雷器防護(hù)效果,本文選取接觸網(wǎng)檔距為30 m,分為3段,每段檔距為10 m。檔距分段方式與避雷器安裝方式如圖4所示。

圖4 檔距分段示意圖

橋墩高度在30、40 m情況下雷電直擊閃絡(luò)率較高,本文以這2種情況為例分析隔基支柱安裝避雷器防護(hù)效果。通過仿真分析相鄰未裝設(shè)避雷器絕緣子的繞擊耐雷水平和反擊耐雷水平。在雷擊點距離0、10、20、30 m 4種情況下,相鄰未裝設(shè)避雷器絕緣子的直擊耐雷水平見表3所列。在雷擊點距離0、10、20、30 m 4種情況下,相鄰未裝設(shè)避雷器絕緣子的反擊耐受水平見表4所列。

由表3、表4的計算結(jié)果可知,隔基支柱安裝避雷器對相鄰未裝防護(hù)措施絕緣子的保護(hù)作用十分有限,當(dāng)雷擊點位置距離安裝避雷器絕緣子距離超過10 m時,相鄰未裝設(shè)避雷器絕緣子的雷電繞擊與反擊耐雷水平與全線不架設(shè)避雷器時的情況基本相當(dāng),因此不建議隔基支柱安裝避雷器。對于絕緣子受間接雷擊產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓,明顯避雷器只能防護(hù)其同基的絕緣子,而無避雷器保護(hù)的線路絕緣子依然會受到感應(yīng)雷的影響。

表3 相鄰未裝設(shè)避雷器的絕緣子繞擊耐雷水平 kA

表4 相鄰未裝設(shè)避雷器的絕緣子反擊耐雷水平 kA

通過對避雷器逐基支柱安裝和隔基支柱安裝2種避雷器配置方式的分析可知，對于架設(shè)高度大的大勝關(guān)長江大橋軌道交通接觸網(wǎng),避雷器的配置方式應(yīng)該選擇逐基支柱安裝。

3 結(jié) 論

本文以大勝關(guān)長江大橋軌道交通接觸網(wǎng)為研究對象,并輔以計算機(jī)仿真分析接觸網(wǎng)用避雷器的選型和配置方式,得出如下結(jié)論:

(1) 從避雷器結(jié)構(gòu)型式、電阻片參數(shù)、串聯(lián)間隙距離和本體參數(shù)4個方面分析,推薦大勝關(guān)長江大橋軌道交通接觸網(wǎng)用避雷器參數(shù)。

(2) 在避雷器的配置方式方面,因為避雷器的保護(hù)范圍較小,在雷電沖擊電流的作用下有效保護(hù)范圍不超過10 m,所以對于架設(shè)高度大的大勝關(guān)長江大橋軌道交通接觸網(wǎng),避雷器的配置方式應(yīng)該選擇逐基支柱安裝。