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1、,地铁防雷及运营安全防护,目 录,一、高架及地面接触网防雷1、研究背景2、研究方法3、防护措施及效果分析 二、供电系统运营安全保障系统,高架及地面接触网防雷1、研究背景中铁电化院中国电科院天津津滨轻轨山东讯实电气有限公司,自2004年起，中铁电化院与中国电科院及华北电力大学合作，针对天津津滨轻轨发生的大量的雷害事故开展了供电系统雷害防治课题研究，先后经过实验室模拟仿真、防护方案评审、挂网试运行、产品鉴定、课题结题评审等阶段，历时8年通过实际线路现场运行总结出了一套针对地面及高架桥架空接触网的雷害防护设计方法及设计导则，供行业内专业人士参考。,津滨轻轨工程雷害情况,1、研究背景,津滨轻轨工程雷害
2、情况,1、研究背景,津滨轻轨工程雷害情况,1、研究背景,国内其它工程情况,防雷改造后广州地铁一号线现场照片,1、研究背景,国内其它工程情况,南京地铁一号线雷击后绝缘子照片,1、研究背景,津滨轻轨工程雷害情况,1、研究背景,接触网绝缘子毁坏：行车中断，旅客滞留，抢修设备 接触网按区段布置，导线上需要很大的张力，当绝缘子断裂时，可能致使一个区段的接触网垮塌。修复的费用高、抢修耗费的时间长。变电所设备故障或毁坏：维修或更换设备 变电所设备数量多，单价高，生产周期长。修复的费用高，维修的时间长。设备故障期间，供电可靠性降低。,产生的后果,1、研究背景,雷害原因初步分析：绝缘水平低绝缘子雷电冲击耐受电压
3、仅为125kV，且受工程特性限制，不可能大幅度提高。接触网绝缘子保护不到位无避雷线（架空地线），避雷器与带电侧相连直接接地，无法保护反击。接地不畅杂散电流防护要求支柱不能接地，雷击支柱时无法快速泄入大地。,1、研究背景,国内外标准情况,（GB50157-2003，IEC60913）要求都较简单，总结起来有以下几条：隧道两端，地面接触网上网隔离开关处加无间隙避雷器。空旷地面段及高架桥段每隔500米设无间隙避雷器。地面、高架桥区段架空地线应每隔200m设火花间隙。避雷器及火花间隙的工频接地电阻应不大于10。,1、研究背景,研究必要性：,缺少系统、完整、成熟的城市轻轨防雷经验、措施；国内和国外相关规
4、范中没有系统的规定；设备抵抗雷击过电压能力低；为防止杂散电流危害，杆塔与大地绝缘，防雷接地困难。、津滨线初始设计采取的防雷方案与国内类似工程相近，但雷害情况相对严重。,1、研究背景,2、研究方法,2、研究方法,（1）地闪密度Ng：地闪密度，次/年.Km2，Td：雷暴日数，天，a=.023，b=1.3（2）雷电流的幅值服从对数正态分布 式中为雷电流幅值，单位kA；为幅值大于的雷电流出现的概率。,2、研究方法,2.接触网参数（1）接触网几何尺寸包括：架空地线、承力索、在空间的坐标hb：避雷线高度hd：承力索高度（2）绝缘子雷电冲击绝缘水平，U50(kV)、U50(kV)，直接由试验获取。对于250
5、 mm爬距绝缘子，标准：U50125kV根据实际绝缘子试验值：U50 150 kV U50(136kV（3）绝缘子耐雷水平，可由EMTP仿真获取。Ijmin：雷电直击接触网导线时线路发生闪络的最小雷电流幅值。IGmin：雷电击中接触网支柱或架空地线、避雷线时，由于接触网支柱电位升高而导致绝缘子反向击穿的最小雷电流幅值。,2、研究方法,2、研究方法,电气几何模型中导线的暴露宽度D（定义为暴露段在水平面上的投影）与雷电流的幅值相关，而雷电流的幅值分布服从统计特性。因此引起线路闪络的总的暴露宽度可由雷电流幅值概率分布函数加权后累加得到：,2、研究方法,Ui雷电感应过电压（kV）I雷电流（kA）h导线
6、高度（m）,高架桥时指与地面高度S落雷点与导线的垂直距离（m）,3、防护措施及效果分析,3、防护措施及效果分析,通过接触网防护效果的比较可以看出。避雷线放在支柱上方和通过接触网支柱上部弯曲内倾时的效果基本相同。只设避雷线方案可有效地降低接触网遭受直击雷的次数并有效降低牵引所的跳闸次数（地面15%，高架30%），但当雷暴日数增大时，牵引所跳闸次数较高，且由于存在电位反击后接触网绝缘子还存在大量烧损的可能性，事故还会依然大量存在。,高架桥接触网无任何防护措施情况下的闪络次数,避雷线在支柱垂直上方高架桥接触网闪络次数,避雷线在支柱上方内倾斜高架桥接触网闪络次数,3、防护措施及效果分析,通过计算表明当
7、避雷线高度比承力索高度稍增加时，防护效果要增加。当高度继续增加时，引雷效果增加，防护效果反而要降低。因此，当避雷线在支柱垂直上方时，有一个最佳高度问题：当接触网在地面时，避雷线高度高于承力索为0.4米时效果最好（未考虑避雷线最高温时的驰度）。当接触网在高架桥时，避雷线高度高于承力索0.9m时效果最好。但总的看来避雷线高度变化对防护效果的影响并不大，实际工程设计中避雷线高度在0.4至1米范围内均可接受。,3、防护措施及效果分析,避雷器防护效果：避雷器参数：额定电压：13kV标称放电电流：5kA金属氧化物电阻片型号：D35（直径35mm）65kA，4/10us大电流冲击：2次150A，2ms方波电
8、流冲击：20次串联间隙距离：700mm标称放电电流下残压：36kV,3、防护措施及效果分析,当每个接触网支柱均安装带间隙避雷器时，通过模拟仿真研究，在直击雷作用下，最严苛情况，当雷电流100kA时，流过避雷器本体冲击电流为71kA，因此，对于100kA以上的直击雷，当无避雷线屏蔽承力索时，接触网遭受直击雷时流过避雷器的电流可能导致避雷器损坏。金属氧化物避雷器的安装方案也直接决定其所能起到的防护效果。在电力系统供电线路上所采用的金属氧化物避雷器与绝缘子并联安装，其优势在于直接限制作用在绝缘子上的过电压从而达到对绝缘子的可靠保护。而当前在城市轨道交通架空接触网所采用的1.5kV直流金属氧化物避雷器
9、并没有与绝缘子并联安装，其一端与架空接触网带电导线相连，另一端通过电缆直接与大地相连，实际上并不能限制住绝缘子两端的电压。因此，架空接触网绝缘子并联安装串联间隙金属氧化物避雷器是一种比较可靠的雷电过电压防护措施。,3、防护措施及效果分析,已设避雷线情况下，每间隔一个支柱绝缘子安装一个避雷器情况，对防雷效果进行计算分析。,3、防护措施及效果分析,全线在设有避雷线但无避雷器和有避雷线间隔一个支柱安装避雷器，在各种雷暴日情况下的防雷效果不明显，接触网跳闸次数只减少了16%左右，避雷器每个支柱均安装和间隔支柱安装的防护效益差距巨大，因此雷暴日较大情况下，还应以每个支柱绝缘子并联一个带间隙避雷器效果为好
10、。,高架避雷线垂直支柱，避雷器间隔支柱安装防护效果,高架桥避雷线内倾，避雷器间隔支柱安装防护效果,3、防护措施及效果分析,纯间隙情况,3、防护措施及效果分析,幅值足够高的雷电过电压引起绝缘子沿面闪络放电后，系统通过雷电放电短路通道对大地释放能量，形成短路续流电弧。电弧的弧根固定在绝缘子两端金属件上，弧腹则靠近绝缘子伞群表面。电弧的温度高达几千至上万摄氏度，能量高度集中，很容易使绝缘子伞群局部受热不均匀而炸裂破损，或者烧蚀绝缘子端部金属件、伞群表面釉层，引发系统永久性接地故障。可见，雷击闪络是绝缘子损坏的诱因，短路电流电弧才是导致绝缘子永久性损坏的根本原因。绝缘子并联保护间隙是在绝缘子端部金属件
11、上安装的一对金属电极，金属电极能够疏导续流电弧运动轨迹并耐受电弧烧灼，使雷电放电和工频续流电弧均发生、作用在金属电极上，这样电弧弧根和弧腹远离绝缘子端部金属件和伞群表面，绝缘子就不会发生损坏。尽管绝缘子并联保护间隙能够有效保护绝缘子免于雷击损坏，提高线路重合闸成功的概率，并且结构简单、造价便宜，但是其自身缺点也较为突出。保护间隙自身不具备灭弧能力，需要牵引供电所重合闸装置配合，才能使雷击引起的架空接触网短路故障快速清除，不影响架空接触网的正常供电。,3、防护措施及效果分析,综合防护效果推荐方案通过上面各种表格及图形对比，无任何防护措施、只设避雷线方案、只设避雷器方案的防护效果可以看出：只设避雷
12、线方案可有效地降低接触网遭受直击雷的次数并有效降低牵引所的跳闸次数（地面15%，高架30%），但当雷暴日数增大时，牵引所跳闸次数较高，且由于存在电位反击后接触网绝缘子还存在大量烧损的可能性，事故还会依然大量存在。若不考虑架空地线抬高后的避雷效果，在雷暴日较大时地面及高架接触网考虑全部采用安装接触网绝缘子带间隙避雷器，可避免接触网跳闸。但由于受成本和重量限制，避雷器的通流容量不宜做的太大，因此在90至100kA以上雷电直击接触网时，有可能造成避雷器因通流容量不够而爆炸损坏。因此，应考虑综合防护措施。避雷线+带间隙避雷器方案将架空地线抬高至最佳高度，且在雷暴日达到一定级别时考虑在接触网绝缘子上并联
13、间隙避雷器，这种情况下，由于避雷线已将上下行接触网全屏蔽，接触网不可能再遭受直击雷，带间隙避雷器只承受避雷线遭受雷击后的反击雷电流，这部分雷电流只有总电流大小的20%左右，即使按最大雷电流300kA考虑，避雷器的通流容量也足够。至于感应雷，通过计算表明，避雷器通流电流小于2kA，因此避雷器容量不成问题。,2023/2/27,牵引供电运营安全保障系统,项目背景,32,轨道交通的安全运行离不开安全、规范、可靠的供电系统；,OCC电调作为控制中心，目前侧重于现场设备的监视和控制，未解决现场作业的安全监管和作业流程信息化方面的问题。,接地线缺乏技术手段进行规范存取及安全作业管理，挂接地线前没有强制验电
14、保障，挂接地线必须依赖专业人员，作业时间长、效率低，严重挤压了轨道、接触网（轨）等的检修作业时间。,虽然运营单位目前制定了详细、完善的各种规章制度与管理措施来保障轨道交通供电系统的安全运行，但现行的规章制度完全依靠人来保障执行，需要投入大量的人力资源，效率低下，缺乏有效的技术保障，误操作事故时有发生。,工作票、操作票靠人工手写开票，未实现开票的电子化、流转的网络化以及管理的信息化，实际工作内容与工作票、操作票也缺乏技术关联，导致作业准备时间长，效率低下，且未从源头上保证作业内容的安全性。,总体思路,33,中铁电气化勘测设计研究院有限公司广州市地下铁道总公司珠海优特电力科技股份有限公司,研制一套
15、牵引供电运营安全保障系统，从全线考虑，整体性解决供电运行管理中的作业安全监管及作业流程信息化方面的问题。希望通过该系统有效提升运营单位对作业人员及设备安全的保障能力，同时缩短作业时间，提高工作质量和效率。,系统组成,34,地线管理,可视化防误,车辆段检修作业管理,两票管理,设备巡检,牵引供电运营安全保障系统由可视化防误、地线管理、两票管理、设备巡检、车辆段检修作业管理5大子系统组成：,系统结构,35,OCC电调：配置系统服务器、工作站、打印机等设备。实现统一的数据管理、两票管理、远程监视等功能。变电值班所、接触网检修班组、DCC检调：配置工作站、电脑钥匙、巡检仪、打印机等设备。实现两票管理、防
16、误模拟、传票、远程监视、巡检管理等功能。变电所、接触网、车辆段库区：配置地线管理装置、防误装置、各种闭锁锁具、巡检点标签、摄像头等设备。实现现场设备操作闭锁、设备及作业状态采集、信息传输等工作。,解决的主要问题,1.使流程管理从“人工”向“电子、网络化”转换。实现工作票、操作票的电子化开票和网络化流转功能，相对于人工手写开票来说，开票及票的签发、审核、许可流转时间大大缩短，提高了工作效率。另外，从开票到现场作业各环节形成了技术关联，实现了全过程闭环控制，确保了作业安全。,2.使作业过程从“人控”向“技术控制”转换。不管是两票内容还是实际的设备操作过程，不仅仅依赖管理措施保障，而是采取有效的技术
17、措施，对操作逻辑进行防误判断。设备操作时只需要按照开出的电子票顺序，根据语音提示直接操作设备就可以了，不允许的操作系统会自动禁止，无法执行该操作，从技术上保证不会发生误操作事故。,解决的主要问题,3.使安全保障从“设备本体”向“系统整体”转换。现有电气设备的防误措施往往仅关注局部，一般只考虑了设备本体不同部件的操作联锁，而对于跨间隔、站间联络线设备的操作缺乏联锁关系，容易发生走错间隔、对侧接地状态下误合隔离开关等误操作事故。该系统把全线所有的操作点、值班点融入到一个系统整体进行管理，以实现跨设备、跨地点的防误操作联锁。,解决的主要问题,4.使作业监管从“就地”向“远程”转换。实现设备状态及作业
18、过程的远程视频管控，通过告警、操作、巡检等视频联动技术，可以远程实时监视现场作业情况和设备状态，对现场作业安全措施到位情况、作业过程、人员撤离、作业现场恢复等进行全过程的安全监管，大大的提升了设备、人员、作业的综合管控效率。,解决的主要问题,智能地线管理柜,后台系统,现场锁具,电脑钥匙,防误操作工作原理,接地线管理方式对比,41,地线管理子系统,改造前,改造后,结语,2.系统通过技术手段，保证了作业安全，同时通过远程监控，实现了设备、人员、作业的远程监管，让非专业人士在严密的安全管控和语音作业提示下也可以完成接触网接地线挂拆工作，很多专业人员则可从中解放出来，投入到其它更专业的岗位上去，大大地节约了企业的运营成本。,1.系统带来的开票、审票、安全措施准备等方面工作效率的提升，大大缩短了作业准备阶段的时间，使得各工种的实际有效检修时间得到了延长，检修作业人员有更充足的时间对运行设备进行检修和保养，进一步保障了设备运行性能。,系统在广州地铁的应用实景,OCC电调审票,接触网开作业分工单,变电所模拟预演,DCC开停电操作票,系统在广州地铁的应用实景,谢 谢！,
