一起雷击接触网可视化接地柜事件分析及其改进措施

0引言

接触网是城轨交通列车取得牵引电源的核心供电设备。接触网停电检修作业,一般采用人工挂地线作安全防护。近几年,随着供电系统、微机通信等技术发展,接触网可视化接地系统已能够在远方控制,实现对接触网的当地自动验电、接地等工作;可视化接地柜内接地刀闸的分合位置状态等,通过传输网络,在远方实现视频监视、SCADA等功能,因此消除了人工验电挂撤地线过程中的人身安全风险,同时降低了运营人力成本,因而在城轨交通中得到广泛应用,推动了供电系统自动化技术发展^[1—5]。

部分接触网设备须布置在露天区段,然而露天布置的可视化接地柜曾多次发生雷击导致故障事件。本文分析了雷击事件中接地柜雷电入侵路径及故障原因,在此基础上对露天区段可视化接地柜内外部防雷设计提出了针对性的优化整改措施,可供轨道交通行业内运维单位等作参考借鉴。

1 事件概况

2024年某日,广州市暴雨黄色预警,调度发现地铁某线路A1、A2、B1、B2区跳闸,约20s后重合闸成 功;雷击发生时,所有接地柜接地刀闸均处于断开状态;事后检查,车辆段南面岔区两座接触网钢支柱上的一根钢丝绳熔断垂落,雷击致该钢丝绳附近5台可视化接地柜不同程度受损故障。

2本次雷击事件相关设备结构原理

2.1 可视化接地柜

2.1.1接地柜结构

可视化接地柜主回路刀闸的一端通过电缆与接触网相连(正极),另一端通过电缆与钢轨连接(负极);在刀闸正极侧设置高内阻电压检测回路监测接触网电压;当需要对接触网停电挂地线作安全防护时,远方发出接地刀闸合闸指令, 自动经电压、联锁关系等判断逻辑正确后,合上接地刀闸,实现接触网维护接地;接地刀闸分合位置信号、视频信号同时上传到远方,可在远方通过位置信号、视频画面对接地刀闸位置进行双重确认。

2.1.2接地柜柜体接地

车辆段可视化接地柜未单独设置接地极。柜体以地脚螺栓锚固在基础水泥浇注体上,同时将柜体与柜内接地母排金属连接,再从接地母排引一根70 mm²电缆连接到附近的钢支柱(钢支柱与架空地线连接)上,实现接地。

2.1.3接地柜内部接地设备

2.1.3.1 PE母排

接地柜内设置统一的PE母排,与柜体金属连接安装;一次设备外壳、二次设备金属外壳、二次线缆铠装层、屏蔽层、电源PE线、SPD接地端、外部接地电缆均连接在此母排上。

2.1.3.2 二次设备接地线

1)采用金属铠装的二次电力电缆、控制电缆、信号电缆、光缆、屏蔽双绞线,铠装层双端接地,屏蔽层单端接地;其接地线截面采用4 mm²。

2)交流电源PE线的连接:交流盘侧在PE端子上连接,可视化接地柜侧在接地母排上连接。

3)操作终端、摄像机通信箱、摄像机等金属外壳通过接地线与接地铜排可靠连接。

2.1.4 防浪涌设备

可视化接地柜为防止电源侧过电压,分别在交流电源、直流电源的进线端以T1接线模式装设浪涌保护器。

按GB50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》确定雷电防护等级时,室外可视化接地柜二次回路电源处应视为LPZ1与LPZ2边界,其浪涌保护器的冲击电流和标称放电电流参数需满足第二级 SPD标准规范^[6]。可视化接地柜电源进线浪涌保护器型号为ABDM—80,最大放电电流为80 KA,标称放电电流为40 KA,符合规范要求。

2.2接触网防雷接地设备

2.2.1防直击雷过电压设备

车辆段主要采用H型钢柱,架空地线为肩架安装,高于接触网带电部分;除H型钢柱外,段场内还有带避雷针的混凝土柱等其他类型的支柱,这些支柱及避雷针高度均高出接触网3~5 m,构成对接触网的防雷保护。可视化接地柜设置在股道附近,柜体高度2m;接触网钢柱、混凝土支柱带避雷针高度在13~15 m不等,架空线高度6 m;接触网钢柱、架空线对可视化接地柜等形成了避雷针及避雷线,保护可视化接地柜免遭直击雷侵入的风险;其相关计算参考GB/T50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》“5.2 避雷针和避雷线的保护范围”进行核验;经核算,接地线柜均在接触网支柱及架空线形成防护网的保护范围内。

2.2.2防感应雷过电压设备

车辆段接触网按GB50157—2013《地铁设计规范》中间距不应大于200 m的要求^[7],共设置氧化锌避雷器22台、双角隙避雷器9台、放电间隙9台、避雷针65台,以此防止附近感应雷电入侵接触网。

车辆段可视化接地柜雷电感应过电压防护主要依靠既有接触网上设置的避雷器,对外部条件依赖性较强;在接触网上网点位置设置的接地柜在正极引线附近设有避雷器,而非上网点位置的接地柜与避雷器距离相对较远,满足规范中间距要求,但实际防雷效果有所减弱。

3 雷电入侵路径及故障原因分析

3.1 可视化接地柜雷电入侵路径

3.1.1雷电入侵接地柜的常见路径

根据可视化接地柜电气结构原理及其内外部防雷接地措施,结合前期其他雷击可视化接地柜故障事件,得出雷电入侵接地柜的常见路径大致分为四类:

1)从接触网引下雷击过电压,通过正极母排对柜体放电,高压电弧通过一次仓内二次设备窜入二次回路。

2)从接触网引下雷击过电压,击穿检测回路绝缘,高压窜入二次回路。

3)雷电直击接触网支柱或架空地线,经支柱与柜体的连接电缆或直接通过大地,使接地柜柜体及柜内接地母排地电位大幅抬升,进而对二次回路形成反击。

4)接地柜本身所属二次线缆因感应雷导致二次回路故障,但可视化接地柜二次线缆均沿电缆廊道或隔音墙低处敷设,故此种概率极低。

3.1.2本次事件雷电入侵接地柜的路径分析

可视化接地柜柜内摄像头有持续摄像记录功能。本次雷击事件中,在第一次雷击时,所有接地柜均拍到附近有极强的闪光出现,推断直击雷击中钢丝绳致其瞬间断裂;因钢支柱没有设置避雷器及单独接地极,接地电阻较高,导致雷击于钢支柱或架空地线(含钢丝绳)上时,雷电流泄流不畅,雷电压在支柱及附近地面形成极高的地电位梯度。该电位通过接地柜与支柱的连接电缆(或大地)传导到最近的F南2D—D1、F南2D—A1接地柜柜体,进而对两柜二次回路(含二次回路接地线)形成反击,造成两柜严重故障;支柱上的雷电波沿正线架空地线、与2112D柜体 相连的支柱传导到2112D柜,导致该柜地排二次线故障;根据视频记录,F南1D—D1和F西1D—A1的柜内放电时间分别晚于前述雷击时间4 s和8 s,且两柜距离雷击点相对较远,视频显示在这两个时间点有多次闪光出现,因此推断这两个接地柜最终故障由其他雷击导致。综上,各接地柜雷电侵入路径均判断为地电位对二次回路反击所致,雷电入侵的典型路径如图1所示。

3.2 故障源头设备致损原因分析

3.2.1交流浪涌保护器故障原因分析

交流浪涌保护器为压敏电阻模块和气体放电管模块组合。如图2所示,雷电波经支柱或支柱附近地面→可视化柜体→柜内接地母排→中性线侧浪涌保护器接地端→浪涌保护器→交流电源中性线→下一个接地柜中性线及浪涌保护器或经中性线到达变电所接地网进入大地。

由于本次雷击电流大,泄流时间长,远超出中性线与地之间的气体放电管模块的允许放电容量,导致该浪涌保护器烧毁,电弧溢出,损及柜体及附近二次回路线缆。

3.2.2接地母排上接地线故障原因分析

5台故障柜中,除F西1D—A1外,其他各柜接地母排上的接地线均出现对柜体放电、烧损的现象。接地母排与柜体等电位,接于其上的交流电源接地线也应当与柜体等电位,不应出现击穿接地线绝缘并对柜体放电的现象。经现场排查发现,绝缘击穿放电的交流电源电缆中的PE线,因预留线缆较长,因此在其接入柜内接地母排前存在绕圈存放现象。雷击瞬间可视化柜体及接地母排相对远方变电所的“地”存在极高电位,因此通过交流电源PE线向远方变电所的“地”泄流,由于前述绕圈处存在感抗,电位差位于绕圈部分两端,因此线圈靠电缆侧与柜体间存在极大电位差,此电位差击穿PE线绝缘,对柜体放电,导致线缆烧损故障。

4 可视化接地系统的防雷优化措施

由上述分析可见,可视化接地系统作为城轨交通接触网专业的一种新型设备,其防雷接地措施基本符合相关规范要求,但在露天环境的使用中出现了一些问题,因此在防雷设计上提出以下优化提高措施。

4.1 可视化接地柜差异化设计

目前在不同安装环境的接地柜,均采用统一化设计。考虑到户内(变电所设备房、隧道轨行区)与户外露天区段安装环境,在防雷要求方面区别较大,因此建议对接地柜进行差异化防雷设计。

4.1.1户内安装 

4.1.1.1 设备房

柜体采用绝缘安装,设框架保护;不设置SPD;柜内不需设置避雷器;柜内二次接地母排与柜体采用电缆连接。

4.1.1.2 隧道轨行区

柜体采用非绝缘安装,柜体通过电缆连接于接触网地线或电缆支架扁钢;不设置SPD;柜内不需设置避雷器;柜内二次接地母排与柜体采用电缆连接。

4.1.2露天环境安装

柜体采用非绝缘安装,柜体通过电缆连接于单设接地极;设置SPD,SPD接地端与二次接地母排相连;柜内设置避雷器,避雷器经电缆引至单独设置的接地极;二次接地母排与柜体作绝缘安装。

4.2露天环境可视化接地柜防雷接地设计优化

户外安装接地柜,在上述柜内优化的基础上,对柜内外防雷接地另作如下优化,如图3所示。

1)设置单独的接地极;

2)接地柜外壳通过70 mm² 电缆引至接地极;

3)柜内SPD接地端通过16 mm²电缆引至二次接地母排;

4)接触网架空地线兼做避雷线时,抬高高度达到对应标准;

5)架空地线与接触网各接地部件之间使用电缆作可靠连接。

5 结束语

接触网可视化接地系统因其能大幅提升作业效率、降低安全风险、减少运营成本,应用效果突出,在城轨交通行业得到快速普及。

本文通过对一起典型的雷击致可视化柜故障事件的深入分析,阐述了雷电波从正极入侵、雷电电流泄流不畅、从地电位反击二次回路、二次接地线绕圈对接地柜体短路放电等过程及作用机理,针对性地提出了在不同安装环境下接地柜内外部防雷的差异化设计及优化措施,对接触网可视化接地系统的生产、设计、运维等部门单位均有重要借鉴意义。

[参考文献]

[1]周丹,何治新,靳守杰,等.市域轨道交通交流接触网可视化接地管理系统研究[J].城市轨道交通研究,2023,26(7):260—264.

[2]胡渊.地铁接触网可视化验电接地系统设计方案研究[J].科学技术创新,2019(19):100—101.

[3]张家涛,邓德波.可视化接地系统在郑州地铁的应用[J].电工技术,2023(6):216—218.

[4]何霖,庞开阳.城市轨道交通供电运行安全生产管理系统[J].都市快轨交通,2014,27(4):101—104.

[5] 陈煜璩.轨道交通接触轨/网“一键停送电”技术分析[J].地下工程与隧道,2016(1):40—43.

[6] 建筑物电子信息系统防雷技术规范:GB 50343—2012 [S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[7]地铁设计规范:GB 50157—2013[S].北京:中国建筑工业出版社,2014.

2025年第1期第18篇