现代有轨电车供电系统接触网防雷技术研究

严 兰

现代有轨电车供电系统接触网防雷技术研究

严 兰

（上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，200125，上海∥教授级高级工程师）

根据苏州市当地的环境、气象、地质等条件和雷电活动规律，分析了几种雷击发生闪烁事故的风险，对苏州高新区现代有轨电车1号线工程项目的供电系统接触网结构特性进行了深入分析和研究，通过和国家电网供电部门的技术人员一起对本项目进行了研究和论证，认为可以取消正线和车辆基地供电系统在接触网上的防雷架空地线，寻找采用其他方法代替避雷线的防雷作用。此举既保障了车辆的安全运营，又节省了投资费用，也提高了线路沿线的景观美感。

现代有轨电车；供电系统；接触网；防雷技术

1 苏州高新区现代有轨电车网络规划

苏州高新区现代有轨电车网络规划包括6条线路，线路总长为80 km，其中14 km共线。现代有轨电车是高新区内部公交次骨干系统，是城市轨道交通的延伸、过渡和补充。苏州高新区现代有轨电车网络规划的6条线路示意图如图1所示。

图1 苏州高新区现代有轨电车网络规划的6条线路示意图

苏州高新区现代有轨电车1号线工程是现代有轨电车线网规划中的第1条线路。该工程起点为龙安路站，终点为苏州乐园站。线路走向为龙安路—太湖大道—建林路—华山路—湘江路—何山路—珠江路—金山路—苏州乐园，全线长约18.19 km。途经主要区域有西部生态城、科技城、浒墅关经济开发区、枫桥街道、狮山街道等。线路主要以地面敷设方式为主，局部采用高架形式；全线采用架空接触网供电，触网设备的使用寿命为15年；配属列车48列，2014年10月26日已正式投入运营。

2 苏州现代有轨电车供电系统

2.1 供电系统

目前，现代有轨交通系统的牵引网形式主要有架空接触网、无触网和第三轨供电这3种类型。

1号线全线供电网方案采用10 kV分散供电设计方案,根据本工程车辆选用情况及远期3 min行车间隔的运营要求，正线设置10座牵引降压混合变电所，在车辆段设置2座牵引降压混合变电所。

采用了全接触网供电系统的供电方案，由10 kV变电所、牵引网（包括直流馈线、接触网、导轨和回流电缆）、动力照明供电系统、电力计算机监控系统及杂散电流防护系统等组成。全线设电力计算机监控系统，对供电系统设备运行状态进行远距离监控。

2.2 架空接触网

架空接触网是给车辆受电弓提供持续电能的特殊供电设备，是无备用而直接影响行车运行的设备。接触网供电研究和设计的原则体现“满足电车行车速度、提高技术经济性能、实现运行安全可靠”的要求。

架空接触网制式有DC 1 500 V和DC 750 V两种。苏州高新区现代有轨电车选用直流750 V供电，采用架空接触网悬挂式（如图2所示的中间支柱两侧悬挂形式和图3所示的单边支柱悬挂形式），全线接触线导线采用铜合金电缆线。供电系统接触网架空地线采用硬铜绞线。

图2 中间支柱两侧悬挂形式

图3 单边支柱悬挂形式

在电气方面，考虑到持续电力电流、远期高峰牵引负荷、牵引回流电缆的设置及电流截面要求，苏州高新区现代有轨电车架空接触网在设计中采取了可靠的防雷措施，以保证系统安全运行。

在机械方面，除了考虑技术先进、可靠、耐腐蚀、寿命长、安全等因素，以及沿线正线、停车场、库内等各种环境条件外，优先选用满足各项技术指标要求的国产设备。

在安全方面，全线接触网具有完善的接地措施，每座牵引变电所设一个接地网，接地电阻一般不大于0.5 Ω，以确保人身安全。

2.3 继电保护装置

继电保护是供电系统的重要组成部分，对保证供电系统的安全运行，防止事故扩大起着重要作用。继电保护装置的配置在设计中力求简单可靠，重要设备应配置主保护及后备保护，继电保护装置采用微机型产品，各级保护应相互协调配合。

2.4 直流750 V馈线保护

直流750 V馈线保护包括：大电流脱扣保护（直流断路器内），大电流速断保护（继保），过电流保护，电流上升率、电流增量保护，电车线热过负荷保护，重合闸及双边联跳保护，低阻抗框架泄露保护，线路故障测试保护等。

2.5 系统防雷、过电压保护

牵引变电所防雷保护与限制过电压措施包括：变电所10 kV母线设避雷器，限制雷电波的入侵，保护变电所内的供电设备；牵引变电所馈线出口设避雷器，限制雷电波的入侵，保护变电所内的供电设备；牵引变电所整流器侧正负极间设避雷器，用作内部过电压保护。

接触网防雷保护与限制过电压措施包括：正线上架空地线每隔250 m通过放电间隙接地，接地电阻不大于10 Ω；正线上接触网每隔500 m设置避雷器；变电所馈线上网隔离开关处设置避雷器，限制雷电波侵入变电所；全线接触网所有不带电金属部分均与架空地线连接，运行架空地线与变电所接地网相连，构成接触网接地保护回路。

3 苏州现代有轨电车供电系统接触网防雷

苏州高新区城市电网的供电条件较好。本工程的一般车站与城市轨道交通传统意义上的车站完全不同，类似于普通道路公交候车站，车站无需专门设置降压变电所。牵引变电所的设置可根据供电计算及线路的沿线地形条件设置，无需考虑车站的设置。由若干个牵引变电所直接从电力公司取得电源，向全线的牵引接触网及动力用能供电。

根据苏州市防雷中心提供的48年雷暴日统计数据显示，只有1963年记载为54 d。随着苏州城市日新月异的发展和扩大,随后年代的雷暴日基本都在30 d左右。根据《建筑物防雷设计规范》，该地区不属于高雷区。

图4和图5分别为苏州和天津有轨电车在接触网杆顶上架设防雷接地线实景图。

图4 接触网杆顶上架设的防雷地线（苏州）

图5 接触网杆顶上架设的防雷地线（天津）

预防防雷电波侵入设计包括以下几方面内容：变电所、位于地面的变电所房屋（如车辆段）按建筑物防雷规定设置避雷带或避雷针；变压器高、低压侧各相装设避雷器；变压器高、低压侧各相分别装设适配的电涌保护器（SPD）；在动力变压器0.4 kV侧或向重要设备（环境与设备监控系统、火灾报警系统、自动售检票、通信信号等）供电的末端配电箱的各相母线上，装设SPD；在信息系统机房配电箱处（第三级）装设不小于 20 kA（8/20 μs）（限压型）的 SPD；对于采用直流供电的设备，应根据线路的长度和工作电压，选用标称放电电流不小于10 kA适配的SPD；电缆、金属线槽和管道接地设计中的冲击接地电阻不大于10 Ω。

针对苏州城市现代有轨电车站台的特色、站点现状及站点遭受雷击可能导致的损失，设计方案参照了《建筑物防雷设计规范》和《建筑物电子信息系统防雷技术规范》的技术要求，防雷类别防护设计符合第三类防雷建筑物的要求。车站接地网设计具体包括：

（1）对于站台来说，雨棚为金属材料，可作为防雷接闪器；站点候车亭雨棚支架等为金属材料，可利用作为“引下线”，采用穿聚氯乙烯（PVC）管等方式绝缘，避免与人员接触产生触电危险。

（2）接地网对站台防雷接地，新增环形人工接地网（见图 6）。

图6 现代有轨电车车站站台接地网

（3）等电位连接将金属雨棚、站台指示牌与接地网可靠连接，站牌广告灯箱、电源线屏蔽钢管、设备机箱、金属路灯杆等可通过等电位连接排与接地网可靠连接。

（4）管线屏蔽将站台广告牌灯箱、信息屏、显示系统等的电源线进行屏蔽，采用Φ20 mm钢管进行屏蔽并做好两端接地处理。屏蔽体埋地长度应不小于15 m。

（5）电涌保护器安装将根据供配电线路导体长距离传输的特点、防雷器件的特性、来自线路雷电流的强度，以及配电系统各部分的耐电水平，采用多级分级防雷保护。

4 国外有轨电车供电系统防雷设计

20世纪初，有轨电车在欧洲、美洲、大洋洲和亚洲的一些国外城市风行一时。目前，在瑞士、德国、波兰、奥地利、意大利、比利时、荷兰、日本及东欧等国的有轨电车实现了现代化网络运营。有轨电车采用接触网供电的线路约占95%，没有在牵引接触网的架空馈线上架设防雷地线（如图7和图8所示）。

欧洲有轨电车供电接触网只有两根提供受电弓受电的馈线线路，非常简洁。其防雷做法是根据当地的气象条件分析，采取了以下9项技术措施：

（1）根据蒙特卡罗算法，对采集的数据进行分类查询，比较所有随机收集的不同数据概率密度的变量函数，进行建模，以分析雷电闪络率，确定杆塔上的绝缘子和电阻值选取错误的数值，仿真模拟后，调整正确的闪络率数值大小的参数。

图7 牵引接触网无架空防雷接地线图（德国柏林）

图8 牵引接触网无架空防雷接地线图（法国巴黎）

（2）在馈线杆塔接触网上装设受到雷击发生闪络的绝缘子，在杆塔上装设计算器，进行实时数据采集，对增加的雷击数据进行计数，通过数据的汇集和计算，对不断更新的地面闪络率进行计数后，再通过通信的传输发送到供电系统自动化控制系统中，实时处理并及时对接触网防雷系统进行预警。

（3）去当地气象中心收集新建有轨电车线路地区的气象资料。

（4）在电气方面，考虑持续电力电流及远期高峰小时牵引负荷、牵引回流电缆的设置及电流截面要求。

（5）全线接触网具有完善的接地装置，每座牵引变电所设一个接地网，接地电阻一般为0.5～1.0 Ω。

（6）在变电所安装继电保护及自动装置。

（7）直流750 V馈线安装保护装置。

（8）供电系统装设防雷、过电压保护设备。

（9）接触网防雷保护采用限制过电压措施。

5 结论

通过对苏州现代有轨电车与国外有轨电车的供电系统接触网防雷技术研究后，与苏州供电局供电高压线路部门的技术人员共同对“苏州有轨电车1号线路供电系统接触网关于防雷系统技术问题”进行了讨论和分析研究，认为应该按照中华人民共和国电力系统技术规范《66 kV及以下的架空电力线路设计规范》、《交流电气装置的接地设计规范》进行分析设计。

（1）苏州现代有轨电车1号线供电接触网上方加装避雷地线应经过严格的建模及仿真试验，获取确切的数据后，进行理论和实践分析得出结论，再决定是否加装接触网避雷地线。而不是看到高铁、地铁、轻轨在供电接触网上加装了避雷地线，就理所当然地认为现代有轨电车供电接触网上方也必须加装避雷地线。

（2）地铁、轻轨供电接触网采用的是直流和交流（1 500 V或27.5 V）的供电电压等级，平均运营速度为80～120 km/h；而苏州现代有轨电车采用的供电接触网是直流750 V电压等级，这充分说明，有轨电车从用电量上就和地铁、高铁不是一个档次。根据江苏电力设计院提供的“苏州高新区有轨电车1号线工程牵引站一次接入系统设计报告”中最大负荷计算量，笔者认为现代有轨电车的电气容量不一定要按照国内地铁、轻轨供电系统电压等级的要求设计接触网，这样既不科学，也没有科学依据。

（3）苏州现代有轨电车直流供电系统为750 V的电压等级，和国外采用的供电电压一致，车辆运营的平均速度为35～45 km/h，变电所和欧洲供电系统变电所采用的引出馈线接触网防雷系统的措施基本相同。如果按照铁路、地铁、轻轨的1 500 V供电接触网电压等级架设防雷接地线，不但妨碍沿线的景观，而且加大了投资，不经济。

［1］ 国家电力公司东北电力设计院.电力工程高压送电线路设计手册［M］.北京：中国电力出版社，2003.

［2］ 水利电力西北电力设计院.电力工程电气设计手册：电气一次部分［M］.北京：中国电力出版社，1989.

［3］ 水利电力西北电力设计院.电力工程高压送电线路设计手册：电气二次部分［M］.北京：中国电力出版社，1991.

［4］ 中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册［M］.北京：中国电力出版社，2016.

［5］ 中华人民共和国建设部.民用建筑电气设计规范：JGJ 16—2008［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

［6］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.供配电系统设计规范：GB 50052—2012［S］.北京：中国计划出版社，2012.

［7］ 中华人民共和国建设部.电力工程电缆设计规范：GB 50217—2007［S］.北京：中国计划出版社，2007.

［8］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.20 kV及以下变电所设计规范：GB 50053—2013［S］.北京：中国计划出版社，2013.

［9］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑物防雷设计规范：GB 50057—2010［S］.北京：中国计划出版社，2010.

［10］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.35 kV～110 kV变电站设计规范：GB 50059—2011［S］.北京：中国计划出版社，2011.

［11］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.城市电力规划规范：GB/T 50293—2014［S］.北京：中国建筑工业出版社，2014.

［12］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.交流电气装置的接地设计规范：GB/T 50065—2011［D］.北京：中国计划出版社，2011.

［13］ 中华人民共和国国家发展和改革委员会.电力工程直流系统设计技术规程：DL/T 5044—2004［S］.北京：中国电力出版社，2004.

［14］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.66 kV及以下架空电力线路设计规范：GB 50061—2010［S］.北京：中国计划出版社，2010.

［15］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.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.

On Lightning-proof Technique for the Power Supply System Catenary of Modern Tram

YAN Lan

According to the local environmental，meteorological and geological conditions,as well as the law of lightning activity in Suzhou City，the risk of flicker accidents occurred in lightning storms is analyzed.The characteristics of catenary structure in the power supply system of the modern tram Line 1 project that runs in Suzhou High-tech Zone are analyzed in depth.Through working with the technical staff of power supply system department in National Grid,the overhead lightning-proof ground wire installed in power supply system of the main lines and depot is considered as redundant，it should be replaced by other methods.This initiative can protect the safe operation of vehicles，save investment costs and strengthen landscape beauty along the tram line at the same time.

modern tram；power supply system；catenary；lightning-proof technique

TM922.5：U482.1；

10.16037/j.1007-869x.2017.11.030

Author′s address Shanghai Urban Construction and Design Research Institute（Group）Co.，Ltd.，200125，Shanghai，China

2016-03-09）