牽引變電站二次防雷設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案的探討

曹肇非

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

隨著鐵路電力系統(tǒng)電氣化、自動(dòng)化、信息化的高速發(fā)展，高集成度和微電子化的設(shè)備被廣泛使用，由于微電子設(shè)備耐過電壓和過電流的能力很低，導(dǎo)致系統(tǒng)遭受外界干擾或沖擊時(shí)變得脆弱，鐵路牽引變電站也不例外。雷電流可能通過各種導(dǎo)體(包括鐵軌、導(dǎo)線、電纜等)侵入變電站，使鐵路系統(tǒng)設(shè)備損壞或失效，影響列車運(yùn)行的正常秩序，帶來較大的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失。為保證鐵路系統(tǒng)的供電安全，牽引變電站的二次防雷起著非常重要的作用。而二次防雷的關(guān)鍵設(shè)備防雷保安器的持續(xù)、可靠運(yùn)行則是防雷成敗的重中之重。

1 雷電感應(yīng)及其危害

雷電會(huì)導(dǎo)致鐵路系統(tǒng)多種不同形式的危害，其主要的雷電形式及雷害情況大致有以下幾種。

(1)直擊雷:是指雷電直接擊在建筑物構(gòu)架、動(dòng)植物上，因電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)等造成建筑物等損壞以及人員的傷亡。

(2)感應(yīng)雷:是指雷電在雷云之間或雷云對(duì)地放電時(shí)，強(qiáng)大電磁場(chǎng)在附近鐵路弱電系統(tǒng)導(dǎo)線或系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生的電磁感應(yīng)脈沖，并侵入設(shè)備，使串聯(lián)在線路中間或終端的電子設(shè)備遭到損害。雷電感應(yīng)發(fā)生概率較大，一般雷電直擊點(diǎn)周圍半徑1 km左右都會(huì)產(chǎn)生雷電電磁脈沖。雷電感應(yīng)是鐵路弱電設(shè)備防護(hù)的重點(diǎn)。

(3)雷電浪涌:是指由于雷擊發(fā)生時(shí)在電源和弱電線路中感應(yīng)的電流浪涌引起的。主要形式是電源浪涌。

由于電子設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的原因造成設(shè)備耐過電壓、耐過電流的水平下降和來源路徑增多，對(duì)電磁干擾敏感，系統(tǒng)更容易遭受雷電波侵入。一旦有雷電波侵入，設(shè)備損壞一般是巨大的，有的甚至使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，造成無可挽回的損失。

2 鐵路牽引變電站的二次防雷

鐵道線路跨越范圍廣大，很容易遭受雷擊或雷電的危害。當(dāng)鐵道設(shè)施遭到直接雷擊或設(shè)施附近產(chǎn)生雷擊時(shí)，雷電暫態(tài)過電壓、過電流和雷電電磁脈沖會(huì)通過供電線路、控制保護(hù)線路、鋼軌和金屬管道等途徑侵入電子信息設(shè)備。如果防護(hù)不當(dāng)，輕則會(huì)出現(xiàn)電子信息設(shè)備工作失靈或工作誤動(dòng)，重則會(huì)導(dǎo)致電子信息設(shè)備的永久性損壞。

在鐵道系統(tǒng)中，通常是采用避雷網(wǎng)和避雷帶來防止鐵路站、段建筑物和戶外設(shè)施免受直接雷擊，采用各種電涌保護(hù)器來抑制雷電暫態(tài)過電壓，保護(hù)電子信息設(shè)備。

鐵道部鐵運(yùn)［2006］26號(hào)文件“關(guān)于印發(fā)《鐵路信號(hào)設(shè)備雷電及電磁兼容綜合防護(hù)實(shí)施指導(dǎo)意見》的通知”，對(duì)鐵路系統(tǒng)二次防雷的技術(shù)指標(biāo)、生產(chǎn)、施工等起到指導(dǎo)性作用。防雷保安器是重要的防雷元件，鐵道部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T2311—2008《鐵路電子設(shè)備用防雷保安器》中要求“分區(qū)分級(jí)設(shè)置防雷保安器”。從電磁兼容的觀點(diǎn)來看，防雷保護(hù)由外到內(nèi)應(yīng)劃分為多級(jí)保護(hù)區(qū)。從0級(jí)保護(hù)區(qū)到最內(nèi)層保護(hù)區(qū)，必須實(shí)行分層多級(jí)保護(hù)，根據(jù)電氣、微電子設(shè)備的不同功能及不同受保護(hù)程序和所屬保護(hù)層確定保護(hù)要點(diǎn)，進(jìn)行分類保護(hù);根據(jù)雷電和操作瞬間過電壓危害的可能通道，從電源線到控制保護(hù)線路都應(yīng)做多級(jí)層保護(hù)，從而將過電壓降到設(shè)備能承受的水平。

防雷保安器是電子設(shè)備雷電防護(hù)中不可缺少的一種裝置，在接地網(wǎng)符合規(guī)程要求的前提下，二次防雷的關(guān)鍵在于使雷電流在侵入變電站的設(shè)備前被順利泄放到接地網(wǎng)，而完成此項(xiàng)任務(wù)的正是防雷保安器。防雷保安器的作用是把竄入電力線、控制保護(hù)傳輸線的瞬時(shí)過電壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，或?qū)?qiáng)大的雷電流泄流入地，保護(hù)被保護(hù)的設(shè)備或系統(tǒng)不受沖擊而損壞。

在指導(dǎo)意見中要求“防雷保安器并聯(lián)應(yīng)用時(shí)，在正常工作情況下不得成為短路狀態(tài);串聯(lián)應(yīng)用時(shí)，在正常工作情況下不得成為開路狀態(tài)。防雷保安器對(duì)地有連接的，除了放電狀態(tài)，其他時(shí)間不得構(gòu)成導(dǎo)通狀態(tài);否則必須輔以接地檢測(cè)報(bào)警裝置。”防雷保安器作為重要的防雷設(shè)備，定期檢測(cè)、試驗(yàn)并確保其工作可靠性就成為日常維護(hù)工作的重點(diǎn)。規(guī)程規(guī)定，每年在雷雨季節(jié)到來之前，應(yīng)對(duì)防雷保安器進(jìn)行一次全面檢測(cè)，并且在雷擊之后，亦需檢測(cè)防雷保安器的狀態(tài)，以保證下一次雷擊到來時(shí)防雷保安器能有效動(dòng)作。要正確檢測(cè)防雷保安器的狀態(tài)，必須對(duì)其原理與性能有深入了解。

3 防雷保安器原理與性能

一般來說，防雷保安器的基本元器件有:放電間隙、氣體放電管、壓敏電阻、抑制二極管和扼流線圈等。其關(guān)鍵部件是氣體放電管和壓敏電阻。氣體放電管是將相互分離的一對(duì)冷陰板封裝在充有一定惰性氣體的管內(nèi)。外施電壓低于放電電壓時(shí)，氣體放電管兩端相當(dāng)于開路;外施電壓高于放電電壓時(shí)，會(huì)出現(xiàn)氣體放電現(xiàn)象，相當(dāng)于短路，故氣體放電管為開關(guān)型元件。壓敏電阻是以氧化鋅為主要成分的金屬氧化物半導(dǎo)體非線性電阻，它對(duì)電壓十分敏感。當(dāng)外施電壓低于閾值電壓時(shí)，電阻值極大;當(dāng)外施電壓高于閾值電壓時(shí)，電阻值隨電壓的增高而急速下降，從而形成低阻通道，故壓敏電阻為限壓型元件。

氣體放電管的主要缺點(diǎn)是有續(xù)流，切不斷;壓敏電阻的主要缺點(diǎn)是有漏流，易劣化。兩者串聯(lián)可以較好的彌補(bǔ)各自的缺點(diǎn)。在鐵路系統(tǒng)中，一般要求這兩種元器件串聯(lián)使用(如圖1)。故鐵路系統(tǒng)變電站二次防雷使用的防雷保安器的性能，既取決于氣體放電管的性能，又取決于壓敏電阻的性能。

圖1 防雷保安器原理

4 防雷保安器的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

當(dāng)防雷保安器中的氣體放電管或壓敏電阻存在老化或內(nèi)部受潮等缺陷時(shí)，一般通過停電試驗(yàn)可以檢查出來。但是，防雷保安器為非線性設(shè)備，在電網(wǎng)絡(luò)或環(huán)境等因素長(zhǎng)期作用下產(chǎn)生劣化，以至于有時(shí)在停電試驗(yàn)時(shí)未能發(fā)現(xiàn)任何問題，而在正常運(yùn)行時(shí)突然導(dǎo)通或爆炸，導(dǎo)致嚴(yán)重的事故。這充分說明對(duì)防雷保安器性能的判斷僅僅依賴停電試驗(yàn)是不夠的。這一方面是因?yàn)橥ｋ娫囼?yàn)所加電壓、環(huán)境因素與防雷保安器正常工作時(shí)所承受的電壓、所處的環(huán)境是不同的，這時(shí)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)就不能準(zhǔn)確而有效地反映防雷保安器的工作狀況;另一方面是停電試驗(yàn)的間隔周期可能較長(zhǎng)，而防雷保安器的性能是逐漸變化的，這個(gè)變化達(dá)到一定程度后其劣化速度會(huì)加快，可能在下次檢測(cè)前即故障;再一方面是若頻繁拆裝或拆裝不當(dāng)也可能引發(fā)防雷保安器新的故障，在雷電活動(dòng)頻發(fā)期尤其如此。因此，在不停電的情況下對(duì)防雷保安器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，可以隨時(shí)、真實(shí)地了解其運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象和事故隱患，對(duì)于牽引變電站的安全運(yùn)行有著重大的意義。

從整體上看，對(duì)防雷保安器的性能測(cè)試適用直流法和沖擊法。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試防雷保安器的第一步是目測(cè)，及時(shí)處理有故障指示、接觸不良、發(fā)熱、積塵等情況。

規(guī)程規(guī)定，對(duì)防雷保安器應(yīng)進(jìn)行 U1mA及0.75U1mA下泄漏電流等直流檢測(cè)方法。如果直流1 mA電壓U1 mA為0，則防雷保安器已損壞(短路);如果0.75U1mA下泄漏電流0，則防雷保安器已損壞(開路)。但在遭受過雷擊或有壓敏電阻均勻性不好等缺陷時(shí)，使用直流法就無法確定防雷保安器的狀態(tài)，這時(shí)，需要進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

為保證供電的連續(xù)性以及測(cè)試的準(zhǔn)確性與便捷性，需采用一種防雷保安器的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備，既能滿足現(xiàn)場(chǎng)直流試驗(yàn)的要求，又能滿足現(xiàn)場(chǎng)沖擊試驗(yàn)的要求。

該測(cè)試設(shè)備應(yīng)可以輸出0～1.2 kV的直流電壓，用于測(cè)量防雷保安器的直流1 mA電壓和0.75U1mA下泄漏電流，又可以輸出最大幅值為6 kV的1.2/50μs沖擊電壓波、最大幅值為3 kA的8/20μs沖擊電流波的組合波，用于測(cè)量防雷保安器遭受沖擊后的殘壓。其測(cè)試原理如圖2所示。

圖2 防雷保安器測(cè)試原理

工頻電源電壓經(jīng)過開關(guān)電源整流濾波后，變成直流電壓，經(jīng)過單端反激變換升壓給高壓儲(chǔ)能電容充電。電容上的電阻分壓電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電容的充電電壓，并與單片機(jī)預(yù)置的充電電壓進(jìn)行反饋比較，根據(jù)比較結(jié)果控制充電電路的終止時(shí)刻，達(dá)到穩(wěn)定的充電幅值，產(chǎn)生直流高壓。增大加在試品上的直流電流達(dá)到1 mA，測(cè)量此時(shí)試品上的電壓，即為直流1 mA電壓。查看存儲(chǔ)器，調(diào)整電壓為0.75倍的直流1 mA電壓，測(cè)量此時(shí)試品上的電流值，即為泄漏電流。完成此次防雷保安器的直流測(cè)量。

高壓電容充好電后合上高壓開關(guān)。電壓波的寬度主要由波形形成電阻決定。阻抗匹配電阻則決定發(fā)生器的開路電壓峰值與短路電流峰值的比例，也被稱為輸出阻抗。電流波的上升與持續(xù)時(shí)間主要由波形形成電感決定。這些元件的參數(shù)可有多種方式確定。最終產(chǎn)生1.2/50μs的電壓浪涌(開路狀態(tài))和8/20μs的電流浪涌(短路狀態(tài))。沖擊電壓的測(cè)量采用兩級(jí)電容分壓器的方式，將高壓沖擊電壓信號(hào)線性分壓到單片機(jī)可以處理的電壓范圍，分壓電路實(shí)測(cè)效果優(yōu)良，頻帶特性好，輸入輸出波形一致性好。沖擊電流的測(cè)量采用羅戈夫斯基線圈的方式，利用被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在線圈內(nèi)感應(yīng)的電壓來測(cè)量電流。其一次側(cè)為單根載流導(dǎo)線，二次側(cè)為羅戈夫斯基線圈，因?yàn)樗鶞y(cè)電流的等效頻率很高，所以采用空心互感器，這樣可以避免鐵心飽和所帶來的損耗及非線性影響。斷開充電回路對(duì)試品放電。若試品阻抗很高，則為沖擊電壓試驗(yàn);若試品阻抗很低，則為沖擊電流試驗(yàn)。測(cè)量試品上的殘壓，完成此次防雷保安器的沖擊測(cè)量。

測(cè)量設(shè)備應(yīng)具有自檢判別功能，可在測(cè)量過程中對(duì)超量程測(cè)試發(fā)出聲響提示;具有高壓短路保護(hù)、過流保護(hù)、高壓預(yù)置、量程調(diào)節(jié)等功能;具有記憶、運(yùn)算、保持、控制、連續(xù)測(cè)試功能;實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集和顯示，整合接線、讀數(shù)、計(jì)算等步驟。測(cè)量結(jié)果通過液晶屏顯示出來。

防雷保安器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的接線方法如圖3所示。相鄰兩次沖擊測(cè)試的時(shí)間間隔應(yīng)足以使防雷保安器冷卻到室溫。

沖擊試驗(yàn)時(shí)，記錄試驗(yàn)過程中不同沖擊電流下防雷保安器兩端的殘壓，可對(duì)防雷保安器進(jìn)行伏安特性分析。圖4為某次沖擊電流3 kA試驗(yàn)時(shí)記錄的防雷保安器兩端的電壓波形。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試接線示意

圖4 某次沖擊試驗(yàn)電壓波形

5 結(jié)束語

本文所論及的防雷保安器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案能滿足鐵路牽引變電站二次防雷現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的要求，能正確判斷防雷保安器的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，保持防雷保安器的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)正常是設(shè)備防雷工作的關(guān)鍵，是鐵路安全運(yùn)營(yíng)的重要保證。

總的來說，防雷問題是一個(gè)綜合性的工作，尤其是加強(qiáng)弱電系統(tǒng)的雷電浪涌防護(hù)，免其而引起設(shè)備的損壞，所以在完善弱電系統(tǒng)外部防護(hù)的同時(shí)，要加強(qiáng)弱電系統(tǒng)的內(nèi)部防護(hù):

(1)首先要完善弱電外部雷電防護(hù)，將絕大部分雷電流直接引入地下泄散。

(2)其次要阻塞沿電源線或數(shù)據(jù)、信號(hào)線引入的過電壓波。

(3)第三限制鉗位被保護(hù)設(shè)備上浪涌過壓過流幅值在設(shè)備可承受的范圍。

(4)確保防雷保安器的性能良好，將防雷保安器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試這一環(huán)節(jié)制度化、常規(guī)化。

［1］鐵道部鐵運(yùn)［2006］26號(hào) 關(guān)于印發(fā)《鐵路信號(hào)設(shè)備雷電及電磁兼容綜合防護(hù)實(shí)施指導(dǎo)意見》的通知［S］

［2］IEC 61643 －12(2002):Low-voltage surge protective devices—Part 12:Surge Protective devices connected to low-voltage power distribution systems_Selection and application principles，Annex I，Sub clause I．1.2“Sharing of surge current．”

［3］袁龍海．淺析防雷技術(shù)在鐵路上的應(yīng)用［J］．機(jī)電信息，2011，21

［4］葉蜚譽(yù)．電涌保護(hù)技術(shù)講座:第二講 電涌保護(hù)器的原理［J］．低壓電器，2004(3):54-56

［5］GB/T18802.12—2006 低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器(SPD)第12部分:選擇和使用導(dǎo)則［S］

［6］邵濤，周文俊，等．金屬氧化物避雷器檢測(cè)方法的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］．高電壓技術(shù)，2002，28(6):34-37

［7］楊大晟，張小青．低壓供電系統(tǒng)中SPD的失效模式及失效原因［J］．電瓷避雷器，2007(4):43-46

［8］姚學(xué)玲，陳景亮，孫偉．浪涌保護(hù)器帶電試驗(yàn)用組合波發(fā)生器的設(shè)計(jì)［J］．高電壓技術(shù)，2004，30(5):42-45

［9］劉洋，周文俊，等．智能沖擊電流試驗(yàn)系統(tǒng)［J］．電力自動(dòng)化設(shè)備，2008，28(5)

［10］張仁豫，陳昌漁，王昌長(zhǎng)．高電壓試驗(yàn)技術(shù):第2版［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2002