抗雷線(xiàn)圈在變電所饋線(xiàn)防雷中的作用研究

鄧云川,林宗良,易志興,曹曉斌

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都　610031； 2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,成都　610031)

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抗雷線(xiàn)圈在變電所饋線(xiàn)防雷中的作用研究

鄧云川1,林宗良1,易志興2,曹曉斌2

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都610031； 2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,成都610031)

摘要：雷電波侵入是牽引變電所主要的雷害方式,牽引變電所饋線(xiàn)側(cè)抗雷線(xiàn)圈與避雷器的組合方式不同,對(duì)饋線(xiàn)側(cè)設(shè)備雷電過(guò)電壓的影響不同。擬通過(guò)仿真分析,探明抗雷線(xiàn)圈安裝方式及參數(shù)對(duì)變電所饋線(xiàn)側(cè)雷電過(guò)電壓的影響規(guī)律,明確抗雷線(xiàn)圈的防護(hù)效果,對(duì)設(shè)計(jì)提出建議。首先,通過(guò)電磁暫態(tài)仿真軟件建立變電所饋線(xiàn)側(cè)模型,分饋線(xiàn)側(cè)架設(shè)抗雷線(xiàn)圈和不架設(shè)抗雷線(xiàn)圈兩種情況進(jìn)行研究；仿真得到雷電侵入變電所時(shí),兩種情況下變電所設(shè)備的過(guò)電壓波形；通過(guò)比較分析過(guò)電壓波形的差異,得到不同情況下抗雷線(xiàn)圈的防雷效果。

關(guān)鍵詞：鐵路；牽引變電所；饋線(xiàn)；抗雷線(xiàn)圈

1概述

牽引變電所一旦發(fā)生雷害事故，將造成接觸網(wǎng)停電，中斷行車(chē)。雷電侵入波過(guò)電壓是牽引變電所發(fā)生事故的主要原因，現(xiàn)有的研究主要針對(duì)輸電線(xiàn)路，鐵路的防雷研究大部分也是針對(duì)接觸網(wǎng)，牽引變電所防雷研究相對(duì)較少。

牽引變電所進(jìn)線(xiàn)側(cè)為110 kV或220 kV輸電線(xiàn)路，架設(shè)有避雷線(xiàn)和避雷器，而且絕緣等級(jí)高，對(duì)雷電侵入波的耐受能力強(qiáng)，不易損壞。而牽引變電所饋線(xiàn)側(cè)只有27.5 kV，電壓等級(jí)低，而且饋線(xiàn)側(cè)均無(wú)避雷線(xiàn)保護(hù)，容易受到雷擊，雷擊發(fā)生后，雷電流沿饋線(xiàn)或負(fù)饋線(xiàn)傳播，侵入牽引變電所內(nèi)部，對(duì)高壓設(shè)備造成危害。

牽引變電所饋線(xiàn)側(cè)防雷設(shè)備主要有避雷器和抗雷線(xiàn)圈，文獻(xiàn)[1]分析了牽引變電所饋線(xiàn)避雷器的安裝地點(diǎn)與方式，文獻(xiàn)[2]提出避雷器和抗雷線(xiàn)圈的組合方式對(duì)牽引變電所內(nèi)設(shè)備過(guò)電壓有較大的影響。文獻(xiàn)[3]討論了GIS牽引變電所饋線(xiàn)絕緣子閃絡(luò)情況、電纜長(zhǎng)度及避雷器對(duì)雷電入侵波的影響。本文將在上述研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析抗雷線(xiàn)圈在饋線(xiàn)防雷中所起的作用，以及其參數(shù)對(duì)饋線(xiàn)側(cè)過(guò)電壓的影響。

2計(jì)算模型

2.1雷電流分布模型

圖1　牽引變電所雷電入侵仿真模型

當(dāng)高速鐵路牽引變電所饋線(xiàn)側(cè)設(shè)備及臨近變電所的接觸網(wǎng)遭受雷擊時(shí)，雷電流通過(guò)饋線(xiàn)及回流線(xiàn)侵入牽引變電所，對(duì)所內(nèi)設(shè)備造成危害。為了研究饋線(xiàn)側(cè)雷電波侵入時(shí)變電設(shè)備上過(guò)電壓的幅值，本文搭建了如圖1所示的仿真模型。圖1中，雷電流采用2.6/50 μs的標(biāo)準(zhǔn)波形，雷電通道的波阻抗取300 Ω，充分考慮到線(xiàn)路的分流作用，在雷擊點(diǎn)兩端均采用LCC線(xiàn)路模型，支柱處絕緣子采用壓控開(kāi)關(guān)模型，絕緣子的沖擊閃絡(luò)電壓U50%取275 kV。當(dāng)輸電線(xiàn)路發(fā)生雷擊故障時(shí)，如果線(xiàn)路電壓超過(guò)了絕緣子閃絡(luò)電壓，雷電流將擊穿線(xiàn)路絕緣子，一部分電流通過(guò)桿塔流入大地，另一部分沿線(xiàn)路侵入變電所，對(duì)變電所內(nèi)高壓設(shè)備造成危害。

考慮各種設(shè)備運(yùn)行老化等因素，計(jì)算中對(duì)各設(shè)備的絕緣保證強(qiáng)度的判據(jù)取設(shè)備額定沖擊耐受電壓(BIL)除以相應(yīng)的安全系數(shù)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB311.1—1997的規(guī)定，對(duì)內(nèi)絕緣的安全配合因數(shù)(Kc)取為1.15。

因此，當(dāng)設(shè)備上承受的雷電過(guò)電壓幅值高于表1中的絕緣保證強(qiáng)度時(shí)，即有可能對(duì)所內(nèi)設(shè)備造成損壞。

表1　27.5 kV側(cè)設(shè)備雷電沖擊耐受水平

2.2抗雷線(xiàn)圈的安裝方式

基于初步仿真條件，對(duì)抗雷線(xiàn)圈和避雷器的安裝分為以下5種方式進(jìn)行對(duì)比研究(避雷器伏安特性與前述相同，抗雷線(xiàn)圈電感值取0.5 mH)。

(1)饋線(xiàn)側(cè)無(wú)避雷器保護(hù)，無(wú)抗雷線(xiàn)圈；

(2)饋線(xiàn)側(cè)有避雷器保護(hù)，無(wú)抗雷線(xiàn)圈；

(3)饋線(xiàn)側(cè)無(wú)避雷器保護(hù)，有抗雷線(xiàn)圈；

(4)饋線(xiàn)側(cè)有避雷器和抗雷線(xiàn)圈，抗雷線(xiàn)圈位于避雷器與所內(nèi)電氣設(shè)備之間；

(5)有避雷器和抗雷線(xiàn)圈，抗雷線(xiàn)圈位于避雷器與所內(nèi)電氣設(shè)備外側(cè)。

3牽引變電所雷電過(guò)電壓分析

3.1抗雷線(xiàn)圈安裝方式對(duì)過(guò)電壓的影響

由于雷電過(guò)電壓從饋線(xiàn)側(cè)侵入牽引變電所時(shí)，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的折反射，末端牽引變壓器上的過(guò)電壓應(yīng)最高，其運(yùn)行安全受威脅程度最大，因此，本小節(jié)主要考慮加入抗雷線(xiàn)圈后牽引變壓器上的過(guò)電壓幅值和波前陡度，5種方式下的牽引變壓器上過(guò)電壓幅值和波前陡度如表2所示。

表2　牽引變壓器上過(guò)電壓幅值和波前陡度

比較第1組和第2組可得，使用避雷器后，過(guò)電壓幅值降低了61.02%，效果非常明顯，但波前陡度卻基本不發(fā)生變化，如圖2所示。驗(yàn)證了避雷器只能限制侵入波幅值，但對(duì)侵入波的波前陡度基本起不到降低的作用。

比較第1組和第3組可得，在不加入避雷器保護(hù)時(shí)使用抗雷線(xiàn)圈，波前陡度大幅度降低，達(dá)到34.38%；而幅值卻降低很少，只有4.42%，如圖3所示。說(shuō)明抗雷線(xiàn)圈能很好地降低侵入波陡度，而限制侵入波幅值的作用卻十分有限。

圖2　第1組安裝和第2組安裝方案過(guò)電壓波形比較

圖3　第1組安裝和第3組安裝方案過(guò)電壓波形比較

比較第2組和第4組可得，在避雷器和牽引變電所設(shè)備之間加入抗雷線(xiàn)圈時(shí)，雖然可明顯限制波前陡度(下降了51.12%)，但過(guò)電壓幅值卻有所上升(上升了22.33%)，如圖4所示。說(shuō)明抗雷線(xiàn)圈安裝于避雷器和牽引變電所設(shè)備之間，雖然可明顯降低波前陡度，但同時(shí)也削弱了避雷器對(duì)牽引變電所內(nèi)設(shè)備的保護(hù)作用，使?fàn)恳儔浩魃线^(guò)電壓相對(duì)于只有避雷器保護(hù)時(shí)有所升高。

比較第2組和第5組可得，在避雷器和牽引變電所設(shè)備之前安裝抗雷線(xiàn)圈，不僅有助于限制波前陡度(下降了50.33%)，同時(shí)對(duì)降低過(guò)電壓幅值也有作用(下降了13.69%)；此外，比較第4組和第5組可得，抗雷線(xiàn)圈安裝方式的不同對(duì)限制波前陡度的作用相差無(wú)幾，但在避雷器和牽引變電所設(shè)備之前安裝抗雷線(xiàn)圈，可降低侵入波過(guò)電壓幅值，如圖4所示。

圖4　第2組安裝、第4組安裝和第五組安裝方案過(guò)電壓波形比較

3.2抗雷線(xiàn)圈的電感值對(duì)侵入波的影響

在確定了抗雷線(xiàn)圈的安裝方式后，選取電感值不同的抗雷線(xiàn)圈，觀察牽引變壓器上過(guò)電壓幅值和波前陡度，如表3所示。

將牽引變壓器上的過(guò)電壓幅值和其波前陡度隨抗雷線(xiàn)圈電感值變化的趨勢(shì)在EXCEL中繪制如圖5、圖6所示。

表3　不同抗雷線(xiàn)圈電感值的仿真計(jì)算結(jié)果

圖5　過(guò)電壓幅值隨抗雷線(xiàn)圈電感變化趨勢(shì)

圖6　電壓波前陡度隨抗雷線(xiàn)圈電感變化趨勢(shì)

從表3和圖3、圖6中可以得到，隨著抗雷線(xiàn)圈電感值的增加，牽引變壓器上過(guò)電壓幅值和波前陡度均減小，說(shuō)明電感越大，對(duì)侵入波的限制作用越強(qiáng)。1 mH的抗雷線(xiàn)圈便可以將初步仿真條件下(30 kA，雷擊點(diǎn)距牽引變電所400 m)在末端牽引變壓器上的過(guò)電壓幅值限制在設(shè)備耐受值之下，并且將波前陡度也限制到了對(duì)防雷而言十分可觀的范圍內(nèi)。

但同時(shí)也應(yīng)注意到，抗雷線(xiàn)圈電感值越大，其生產(chǎn)成本也就越高，因此，在考慮防雷效果和經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上選擇合適的電感。電感值更大的抗雷線(xiàn)圈雖然防雷效果更加顯著，但成本過(guò)高使其經(jīng)濟(jì)性降低，有悖于牽引供電系統(tǒng)設(shè)備選擇的基本準(zhǔn)則。

4結(jié)論

本文通過(guò)仿真研究了抗雷線(xiàn)圈在牽引變電所饋線(xiàn)側(cè)防雷中的作用，通過(guò)仿真分析得出如下結(jié)論。

(1)由于抗雷線(xiàn)圈不具有能量釋放作用，只能延長(zhǎng)雷電能量釋放時(shí)間，降低波前陡波，因此抗雷線(xiàn)圈單獨(dú)作用對(duì)降低變壓器上的雷電過(guò)電壓效果非常有限，必需與避雷器共同使用才能有較好的效果。

(2)抗雷線(xiàn)圈架設(shè)的位置對(duì)防雷效果的影響非常大，當(dāng)抗雷線(xiàn)圈架設(shè)在牽引變電所的入口時(shí)，能有效延長(zhǎng)雷電波作用在避雷器上的時(shí)間，放置在避雷器之后時(shí)，可以提高避雷器上作用電壓的幅值，相對(duì)而言，放置在避雷器之前的防雷效果最好。

(3)抗雷線(xiàn)圈的電感越大，對(duì)雷電侵入波的限制能力越強(qiáng)，但隨電感的增大，如電感值大于0.5 mH后，其效果快速下降，因此建議抗雷線(xiàn)圈取值在0.5～1.0 mH。

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Effect of Lightning-proof Reactor in Protection of Substation FeederDENG Yun-chuan1, LIN Zong-liang1, YI Zhi-xing2, CAO Xiao-bin2

(1.China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Chengdu 610031, China;

2.School of Electrical Engineering Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract：The invasion of lightning is the main lightning damage to the traction substation. Different combinations of lightning-proof reactor and arrester may pose different effects on lightning over-voltage of feeder side equipment. This paper tries to find out the effects of the installation methods and parameters of lightning-proof reactor on lightning over-voltage of feeder side equipment, to define the protection effects of lightning-proof reactor, and to put forward recommendations on the design. First, circuit models for substation feeder side are established with electro-magnetic transient simulation software to analyze the differences with lightning-proof reactor and without on feeder side. Then, over-voltage waveforms on equipment are obtained with simulation for the two circumstances. At last, lightning protection effects of lightning-proof reactor in different cases are obtained through analysis of the difference in over-voltage waveforms.

Key words：Railway; Traction substation; Feeder; Lightning-proof reactor

中圖分類(lèi)號(hào)：U224； TM216

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.034

文章編號(hào)：1004-2954(2015)05-0150-03

作者簡(jiǎn)介：鄧云川(1974—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，1997年畢業(yè)于西南交通大學(xué)電氣工程系，工學(xué)學(xué)士；2003年畢業(yè)于西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，工程碩士。

收稿日期：2014-08-26； 修回日期：2014-09-01