地铁高压供电系统的防雷保护研究

1 地铁高压供电系统雷电危害分析

地铁高压供电系统通常采用 110kV 或 35kV 电压等级，通过主变电所、牵引变电所等设施为地铁列车提供电能。由于地铁系统部分设施位于地面或高架段，供电线路和电气设备容易遭受雷击。雷电危害主要表现为直击雷和感应雷两种形式。直击雷是指雷电直接击中供电线路或电气设备，产生极高的过电压和过电流。这种雷击危害最大，可能造成绝缘击穿、设备烧毁等严重后果。地铁地面段接触轨、变电所户外设备等都是直击雷的高风险部位。感应雷则是由雷电电磁脉冲感应产生，虽然能量较直击雷小，但发生频率高，可能引起控制设备误动作、信号系统紊乱等问题。地铁供电系统的二次设备、通信系统等对感应雷特别敏感。此外，雷电流通过接地系统泄放时产生的地电位升高也是重要的危害因素，可能导致设备间绝缘击穿。

2 地铁高压供电系统的防雷保护措施

2.1 直击雷防护技术体系

（1）接闪器选型与布置参数。主变电所与高架区段接触轨的直击雷防护需采用差异化设计。避雷网保护范围计算采用滚球法，110kV 主变电所属于第二类防雷建筑物（依据GB50057 第 3.0.2 条），滚球半径应采用 30 米，与原参数一致，适用于直击雷防护计算。1500V 接触轨及支柱是第三类防雷建筑物（依据DL/T5457 第4.2.1 条），滚球半径：由原 45 米修正为 60 米，以覆盖接触轨、支柱及周边带电设备。单支避雷针高度应满足被保护物最高点的保护角不大于 45^∘ ，多支避雷针布置时需保证相邻保护范围重叠距离不小于 3 米。接触轨区域宜采用避雷线与避雷针联合防护，避雷线架设高度应高于接触线 0.8 至 1.2 米，悬挂点间距 50 至 80 米，采用截面积不小于 50mm² 的钢芯铝绞线。馈线电缆终端杆处需设置独立避雷针，其与电缆终端的水平距离不小于 5 米，接地电阻不大于 10Ω_⨀ 。

（2）引下线与截流装置配置。引下线应优先利用建筑物或支柱的金属结构，若采用专用引下线，需选用截面积不小于 25mm² 的铜缆或40mm² 的镀锌圆钢，明敷时支持点间距不大于 1.5 米，转弯处曲率半径不小于 10 倍线径。引下线与接地体的连接需采用放热焊接，焊接接头长度不小于 100mm 。在 110kV 进线间隔处应安装氧化锌避雷器，其持续运行电压不低于系统最高工作电压的 1.1 倍，残压在 10kA 雷电流下不超过设备耐压值的 80% 。

2.2 感应雷与电磁脉冲防护

（1）电涌保护器配置层级。根据IEC62305-4 标准，供电系统需设置三级电涌保护。第一级（变电所进线端）采用开关型 SPD，标称放电电流 20kA（ 8/20μs ），最大通流容量 40kA，响应时间小于 100ns ；第二级（分配电柜）采用限压型 SPD，标称放电电流 10kA，电压保护水平不大于 2.5kV ；第三级（设备前端）采用复合型 SPD，标称放电电流 5kA，响应时间小于 25ns。各级 SPD 之间需设置能量配合措施，当线路长度小于 10 米时应串联退耦电感（ 100μH ），大于 30 米时可直接连接。SPD 的安装位置应靠近被保护设备，引线长度不超过0.5 米，采用凯文接线方式减少电感影响。

（2）屏蔽与等电位连接。高压电缆应穿金属管或敷设在封闭金属线槽内，金属屏蔽层需两端接地，接地电阻不大于 4Ω 。电缆沟内设置截面不小于 50mm×5mm 的铜带作为均压环，与接地网多点连接，间隔不超过 10 米。变电所内所有金属构件需实现等电位连接，采用截面积不小于 25mm² 的铜带形成环形接地母线，设备外壳与母线的连接导体截面积不小于 16mm² 。控制室内设置等电位接地端子板，采用截面积不小于 35mm² 的铜缆与主接地网连接，端子板材质纯度不低于 98% 。

2.3 接地系统设计与优化

（1）接地网拓扑结构。主变电所接地网采用水平敷设的铜带（ 60mm×6mm ）与垂直接地极（ Φ50mm 铜包钢，长度 2.5 米）组成网格状结构，网格间距 5×5 米，垂直接地极间距5 米，埋深0.8 至1.0 米。地下车站接地网与轨道结构相连，利用轨枕钢筋作为自然接地体，补充敷设 40mm×4mm 镀锌扁钢，形成闭合回路。接地网的冲击接地电阻需满足： 110kV 设备区域不大于 4Ω ，35kV 设备区域不大于 10Ω，测量采用三极法，电流极与电压极间距分别为接地网对角线的2 倍和 1.5 倍。在高土壤电阻率地区（ p>1000Ω⋅m ），需采用换土（掺入降阻剂）或深井接地（井深30 至50 米），使工频接地电阻降低至20Ω 以下。

（2）接地体材料与连接工艺。水平接地体优先选用 T2 紫铜带，厚度不小于 2mm ，腐蚀速率要求低于 0.05mm/ 年；垂直接地极采用铜包钢材质，铜层厚度不小于 0.25mm ，抗拉强度不低于 600MPa 。所有焊接接头需进行防腐处理，涂覆两层沥青漆或环氧树脂，涂层厚度不小于 1mm 。不同金属接地体连接时需采用过渡接头，铜与钢连接应选用铜铝过渡端子，接触电阻不大于 0.03Ω 。接地网测试点设置在变电所出入口处，采用铜质接地端子，具备防水密封功能，测试孔直径不小于16mm。

2.4 安装金属氧化物避雷器对接触轨耐雷水平的影响

基于ATP-EMTP 建立接触轨模型并安装金属氧化物避雷器（MOA）后，仿真分析表明 MOA 显著提升了接触轨的耐雷水平。MOA 通过其非线性特性，在雷击过电压时迅速动作，将接触轨上的过电压峰值限制在安全范围内，避免了绝缘击穿和设备损坏。仿真结果显示，未安装MOA 时，接触轨在雷击下可能产生极高的过电压，威胁系统安全；而安装 MOA 后，过电压幅值大幅降低，且雷电波的陡度得到有效抑制。此外，MOA 的能量吸收能力确保了其在多次雷击下的可靠性。通过对比安装前后的电压波形和能量分布，验证了MOA 对接触轨防雷效果的显著提升，为接触轨系统的防雷设计提供了重要依据。

2.5 标准体系衔接

项目实施过程严格遵循三层标准体系：基础层执行 GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》和 GB50157-2013《地铁设计规范》；专业层符合 TB/T3574-2020 的防雷装置验收要求；操作层参照《无锡市防雷减灾管理办法》的检测流程。这种标准化实施确保了防护体系的合规性与可复制性。在 35kVGIS 设备防雷设计中，特别注意与设备绝缘水平的匹配：避雷器残压峰值 ≤825kV （对应 10kA 雷电流），满足设备1850kV 的雷电冲击耐受电压要求。所有防雷装置均通过型式试验，其中氧化锌避雷器的参考电压、泄漏电流等参数符合 DL/T864-2015 的规定。

结语

综上所述，地铁高压供电系统的防雷保护需构建多层次协同防护体系，直击雷防护依赖接闪器的合理布置与避雷器的快速响应，感应雷防护关键在于 SPD 的分级配置与屏蔽措施，而可靠的接地系统是所有防护措施的基础。智能监测技术的应用实现了从被动防护到主动预警的转变，显著提升了系统安全性。当前亟需解决标准碎片化与设备兼容性问题，通过制定专用规范、研发新型材料与智能装备，推动防雷技术向精准化、自适应方向发展。未来随着超导限流器、激光引雷等技术的成熟，地铁供电系统防雷保护将实现更高水平的安全冗余，为轨道交通可靠运行提供坚实保障。

参考文献

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