0引言

接觸網(wǎng)是城軌交通列車取得牽引電源的核心供電設(shè)備。接觸網(wǎng)停電檢修作業(yè),一般采用人工掛地線作安全防護(hù)。近幾年,隨著供電系統(tǒng)、微機(jī)通信等技術(shù)發(fā)展,接觸網(wǎng)可視化接地系統(tǒng)已能夠在遠(yuǎn)方控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)的當(dāng)?shù)刈詣?dòng)驗(yàn)電、接地等工作;可視化接地柜內(nèi)接地刀閘的分合位置狀態(tài)等,通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò),在遠(yuǎn)方實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)視、SCADA等功能,因此消除了人工驗(yàn)電掛撤地線過(guò)程中的人身安全風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)降低了運(yùn)營(yíng)人力成本,因而在城軌交通中得到廣泛應(yīng)用,推動(dòng)了供電系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展^[1—5]。

部分接觸網(wǎng)設(shè)備須布置在露天區(qū)段,然而露天布置的可視化接地柜曾多次發(fā)生雷擊導(dǎo)致故障事件。本文分析了雷擊事件中接地柜雷電入侵路徑及故障原因,在此基礎(chǔ)上對(duì)露天區(qū)段可視化接地柜內(nèi)外部防雷設(shè)計(jì)提出了針對(duì)性的優(yōu)化整改措施,可供軌道交通行業(yè)內(nèi)運(yùn)維單位等作參考借鑒。

1 事件概況

2024年某日,廣州市暴雨黃色預(yù)警,調(diào)度發(fā)現(xiàn)地鐵某線路A1、A2、B1、B2區(qū)跳閘,約20s后重合閘成 功;雷擊發(fā)生時(shí),所有接地柜接地刀閘均處于斷開(kāi)狀態(tài);事后檢查,車輛段南面岔區(qū)兩座接觸網(wǎng)鋼支柱上的一根鋼絲繩熔斷垂落,雷擊致該鋼絲繩附近5臺(tái)可視化接地柜不同程度受損故障。

2本次雷擊事件相關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)原理

2.1 可視化接地柜

2.1.1接地柜結(jié)構(gòu)

可視化接地柜主回路刀閘的一端通過(guò)電纜與接觸網(wǎng)相連(正極),另一端通過(guò)電纜與鋼軌連接(負(fù)極);在刀閘正極側(cè)設(shè)置高內(nèi)阻電壓檢測(cè)回路監(jiān)測(cè)接觸網(wǎng)電壓;當(dāng)需要對(duì)接觸網(wǎng)停電掛地線作安全防護(hù)時(shí),遠(yuǎn)方發(fā)出接地刀閘合閘指令, 自動(dòng)經(jīng)電壓、聯(lián)鎖關(guān)系等判斷邏輯正確后,合上接地刀閘,實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)維護(hù)接地;接地刀閘分合位置信號(hào)、視頻信號(hào)同時(shí)上傳到遠(yuǎn)方,可在遠(yuǎn)方通過(guò)位置信號(hào)、視頻畫面對(duì)接地刀閘位置進(jìn)行雙重確認(rèn)。

2.1.2接地柜柜體接地

車輛段可視化接地柜未單獨(dú)設(shè)置接地極。柜體以地腳螺栓錨固在基礎(chǔ)水泥澆注體上,同時(shí)將柜體與柜內(nèi)接地母排金屬連接,再?gòu)慕拥啬概乓桓?0 mm²電纜連接到附近的鋼支柱(鋼支柱與架空地線連接)上,實(shí)現(xiàn)接地。

2.1.3接地柜內(nèi)部接地設(shè)備

2.1.3.1 PE母排

接地柜內(nèi)設(shè)置統(tǒng)一的PE母排,與柜體金屬連接安裝;一次設(shè)備外殼、二次設(shè)備金屬外殼、二次線纜鎧裝層、屏蔽層、電源PE線、SPD接地端、外部接地電纜均連接在此母排上。

2.1.3.2 二次設(shè)備接地線

1)采用金屬鎧裝的二次電力電纜、控制電纜、信號(hào)電纜、光纜、屏蔽雙絞線,鎧裝層雙端接地,屏蔽層單端接地;其接地線截面采用4 mm²。

2)交流電源PE線的連接:交流盤側(cè)在PE端子上連接,可視化接地柜側(cè)在接地母排上連接。

3)操作終端、攝像機(jī)通信箱、攝像機(jī)等金屬外殼通過(guò)接地線與接地銅排可靠連接。

2.1.4 防浪涌設(shè)備

可視化接地柜為防止電源側(cè)過(guò)電壓,分別在交流電源、直流電源的進(jìn)線端以T1接線模式裝設(shè)浪涌保護(hù)器。

按GB50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》確定雷電防護(hù)等級(jí)時(shí),室外可視化接地柜二次回路電源處應(yīng)視為L(zhǎng)PZ1與LPZ2邊界,其浪涌保護(hù)器的沖擊電流和標(biāo)稱放電電流參數(shù)需滿足第二級(jí) SPD標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范^[6]?？梢暬拥毓耠娫催M(jìn)線浪涌保護(hù)器型號(hào)為ABDM—80,最大放電電流為80 KA,標(biāo)稱放電電流為40 KA,符合規(guī)范要求。

2.2接觸網(wǎng)防雷接地設(shè)備

2.2.1防直擊雷過(guò)電壓設(shè)備

車輛段主要采用H型鋼柱,架空地線為肩架安裝,高于接觸網(wǎng)帶電部分;除H型鋼柱外,段場(chǎng)內(nèi)還有帶避雷針的混凝土柱等其他類型的支柱,這些支柱及避雷針高度均高出接觸網(wǎng)3~5 m,構(gòu)成對(duì)接觸網(wǎng)的防雷保護(hù)?？梢暬拥毓裨O(shè)置在股道附近,柜體高度2m;接觸網(wǎng)鋼柱、混凝土支柱帶避雷針高度在13~15 m不等,架空線高度6 m;接觸網(wǎng)鋼柱、架空線對(duì)可視化接地柜等形成了避雷針及避雷線,保護(hù)可視化接地柜免遭直擊雷侵入的風(fēng)險(xiǎn);其相關(guān)計(jì)算參考GB/T50064—2014《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》“5.2 避雷針和避雷線的保護(hù)范圍”進(jìn)行核驗(yàn);經(jīng)核算,接地線柜均在接觸網(wǎng)支柱及架空線形成防護(hù)網(wǎng)的保護(hù)范圍內(nèi)。

2.2.2防感應(yīng)雷過(guò)電壓設(shè)備

車輛段接觸網(wǎng)按GB50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中間距不應(yīng)大于200 m的要求^[7],共設(shè)置氧化鋅避雷器22臺(tái)、雙角隙避雷器9臺(tái)、放電間隙9臺(tái)、避雷針65臺(tái),以此防止附近感應(yīng)雷電入侵接觸網(wǎng)。

車輛段可視化接地柜雷電感應(yīng)過(guò)電壓防護(hù)主要依靠既有接觸網(wǎng)上設(shè)置的避雷器,對(duì)外部條件依賴性較強(qiáng);在接觸網(wǎng)上網(wǎng)點(diǎn)位置設(shè)置的接地柜在正極引線附近設(shè)有避雷器,而非上網(wǎng)點(diǎn)位置的接地柜與避雷器距離相對(duì)較遠(yuǎn),滿足規(guī)范中間距要求,但實(shí)際防雷效果有所減弱。

3 雷電入侵路徑及故障原因分析

3.1 可視化接地柜雷電入侵路徑

3.1.1雷電入侵接地柜的常見(jiàn)路徑

根據(jù)可視化接地柜電氣結(jié)構(gòu)原理及其內(nèi)外部防雷接地措施,結(jié)合前期其他雷擊可視化接地柜故障事件,得出雷電入侵接地柜的常見(jiàn)路徑大致分為四類:

1)從接觸網(wǎng)引下雷擊過(guò)電壓,通過(guò)正極母排對(duì)柜體放電,高壓電弧通過(guò)一次倉(cāng)內(nèi)二次設(shè)備竄入二次回路。

2)從接觸網(wǎng)引下雷擊過(guò)電壓,擊穿檢測(cè)回路絕緣,高壓竄入二次回路。

3)雷電直擊接觸網(wǎng)支柱或架空地線,經(jīng)支柱與柜體的連接電纜或直接通過(guò)大地,使接地柜柜體及柜內(nèi)接地母排地電位大幅抬升,進(jìn)而對(duì)二次回路形成反擊。

4)接地柜本身所屬二次線纜因感應(yīng)雷導(dǎo)致二次回路故障,但可視化接地柜二次線纜均沿電纜廊道或隔音墻低處敷設(shè),故此種概率極低。

3.1.2本次事件雷電入侵接地柜的路徑分析

可視化接地柜柜內(nèi)攝像頭有持續(xù)攝像記錄功能。本次雷擊事件中,在第一次雷擊時(shí),所有接地柜均拍到附近有極強(qiáng)的閃光出現(xiàn),推斷直擊雷擊中鋼絲繩致其瞬間斷裂;因鋼支柱沒(méi)有設(shè)置避雷器及單獨(dú)接地極,接地電阻較高,導(dǎo)致雷擊于鋼支柱或架空地線(含鋼絲繩)上時(shí),雷電流泄流不暢,雷電壓在支柱及附近地面形成極高的地電位梯度。該電位通過(guò)接地柜與支柱的連接電纜(或大地)傳導(dǎo)到最近的F南2D—D1、F南2D—A1接地柜柜體,進(jìn)而對(duì)兩柜二次回路(含二次回路接地線)形成反擊,造成兩柜嚴(yán)重故障;支柱上的雷電波沿正線架空地線、與2112D柜體 相連的支柱傳導(dǎo)到2112D柜,導(dǎo)致該柜地排二次線故障;根據(jù)視頻記錄,F南1D—D1和F西1D—A1的柜內(nèi)放電時(shí)間分別晚于前述雷擊時(shí)間4 s和8 s,且兩柜距離雷擊點(diǎn)相對(duì)較遠(yuǎn),視頻顯示在這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)有多次閃光出現(xiàn),因此推斷這兩個(gè)接地柜最終故障由其他雷擊導(dǎo)致。綜上,各接地柜雷電侵入路徑均判斷為地電位對(duì)二次回路反擊所致,雷電入侵的典型路徑如圖1所示。

3.2 故障源頭設(shè)備致?lián)p原因分析

3.2.1交流浪涌保護(hù)器故障原因分析

交流浪涌保護(hù)器為壓敏電阻模塊和氣體放電管模塊組合。如圖2所示,雷電波經(jīng)支柱或支柱附近地面→可視化柜體→柜內(nèi)接地母排→中性線側(cè)浪涌保護(hù)器接地端→浪涌保護(hù)器→交流電源中性線→下一個(gè)接地柜中性線及浪涌保護(hù)器或經(jīng)中性線到達(dá)變電所接地網(wǎng)進(jìn)入大地。

由于本次雷擊電流大,泄流時(shí)間長(zhǎng),遠(yuǎn)超出中性線與地之間的氣體放電管模塊的允許放電容量,導(dǎo)致該浪涌保護(hù)器燒毀,電弧溢出,損及柜體及附近二次回路線纜。

3.2.2接地母排上接地線故障原因分析

5臺(tái)故障柜中,除F西1D—A1外,其他各柜接地母排上的接地線均出現(xiàn)對(duì)柜體放電、燒損的現(xiàn)象。接地母排與柜體等電位,接于其上的交流電源接地線也應(yīng)當(dāng)與柜體等電位,不應(yīng)出現(xiàn)擊穿接地線絕緣并對(duì)柜體放電的現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)排查發(fā)現(xiàn),絕緣擊穿放電的交流電源電纜中的PE線,因預(yù)留線纜較長(zhǎng),因此在其接入柜內(nèi)接地母排前存在繞圈存放現(xiàn)象。雷擊瞬間可視化柜體及接地母排相對(duì)遠(yuǎn)方變電所的“地”存在極高電位,因此通過(guò)交流電源PE線向遠(yuǎn)方變電所的“地”泄流,由于前述繞圈處存在感抗,電位差位于繞圈部分兩端,因此線圈靠電纜側(cè)與柜體間存在極大電位差,此電位差擊穿PE線絕緣,對(duì)柜體放電,導(dǎo)致線纜燒損故障。

4 可視化接地系統(tǒng)的防雷優(yōu)化措施

由上述分析可見(jiàn),可視化接地系統(tǒng)作為城軌交通接觸網(wǎng)專業(yè)的一種新型設(shè)備,其防雷接地措施基本符合相關(guān)規(guī)范要求,但在露天環(huán)境的使用中出現(xiàn)了一些問(wèn)題,因此在防雷設(shè)計(jì)上提出以下優(yōu)化提高措施。

4.1 可視化接地柜差異化設(shè)計(jì)

目前在不同安裝環(huán)境的接地柜,均采用統(tǒng)一化設(shè)計(jì)?？紤]到戶內(nèi)(變電所設(shè)備房、隧道軌行區(qū))與戶外露天區(qū)段安裝環(huán)境,在防雷要求方面區(qū)別較大,因此建議對(duì)接地柜進(jìn)行差異化防雷設(shè)計(jì)。

4.1.1戶內(nèi)安裝 

4.1.1.1 設(shè)備房

柜體采用絕緣安裝,設(shè)框架保護(hù);不設(shè)置SPD;柜內(nèi)不需設(shè)置避雷器;柜內(nèi)二次接地母排與柜體采用電纜連接。

4.1.1.2 隧道軌行區(qū)

柜體采用非絕緣安裝,柜體通過(guò)電纜連接于接觸網(wǎng)地線或電纜支架扁鋼;不設(shè)置SPD;柜內(nèi)不需設(shè)置避雷器;柜內(nèi)二次接地母排與柜體采用電纜連接。

4.1.2露天環(huán)境安裝

柜體采用非絕緣安裝,柜體通過(guò)電纜連接于單設(shè)接地極;設(shè)置SPD,SPD接地端與二次接地母排相連;柜內(nèi)設(shè)置避雷器,避雷器經(jīng)電纜引至單獨(dú)設(shè)置的接地極;二次接地母排與柜體作絕緣安裝。

4.2露天環(huán)境可視化接地柜防雷接地設(shè)計(jì)優(yōu)化

戶外安裝接地柜,在上述柜內(nèi)優(yōu)化的基礎(chǔ)上,對(duì)柜內(nèi)外防雷接地另作如下優(yōu)化,如圖3所示。

1)設(shè)置單獨(dú)的接地極;

2)接地柜外殼通過(guò)70 mm² 電纜引至接地極;

3)柜內(nèi)SPD接地端通過(guò)16 mm²電纜引至二次接地母排;

4)接觸網(wǎng)架空地線兼做避雷線時(shí),抬高高度達(dá)到對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn);

5)架空地線與接觸網(wǎng)各接地部件之間使用電纜作可靠連接。

5 結(jié)束語(yǔ)

接觸網(wǎng)可視化接地系統(tǒng)因其能大幅提升作業(yè)效率、降低安全風(fēng)險(xiǎn)、減少運(yùn)營(yíng)成本,應(yīng)用效果突出,在城軌交通行業(yè)得到快速普及。

本文通過(guò)對(duì)一起典型的雷擊致可視化柜故障事件的深入分析,闡述了雷電波從正極入侵、雷電電流泄流不暢、從地電位反擊二次回路、二次接地線繞圈對(duì)接地柜體短路放電等過(guò)程及作用機(jī)理,針對(duì)性地提出了在不同安裝環(huán)境下接地柜內(nèi)外部防雷的差異化設(shè)計(jì)及優(yōu)化措施,對(duì)接觸網(wǎng)可視化接地系統(tǒng)的生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、運(yùn)維等部門單位均有重要借鑒意義。

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2025年第1期第18篇