牽引供電系統(tǒng)預(yù)防雷擊侵害研究

呂乃全

摘 要：針對(duì)牽引供電系統(tǒng)供電線防雷、接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)接地方案和所內(nèi)綜自系統(tǒng)的電源回路分析，提出接觸網(wǎng)架設(shè)避雷線、完善隔離開(kāi)關(guān)接地、綜自系統(tǒng)電源回路改進(jìn)等提高牽引供電系統(tǒng)防雷可靠性的技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞：牽引供電系統(tǒng)；雷擊；接地；電源；防護(hù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.133

1 前言

牽引供電系統(tǒng)線路大多露天架設(shè)，極易受到雷電侵害。我國(guó)牽引供電系統(tǒng)在防雷、接地保護(hù)方面，按照《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》、《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》、《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》等進(jìn)行了完善的過(guò)電壓和接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文在設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上，對(duì)牽引供電系統(tǒng)防雷措施做進(jìn)一步探討。

1.1 變電所防雷

雷電對(duì)變電所侵害，一是雷電直擊電力設(shè)備，二是以雷電波的方式破壞系統(tǒng)。變電所的防雷，一次方面，主要是在場(chǎng)坪內(nèi)設(shè)置獨(dú)立避雷針作為室外設(shè)備的直擊雷防護(hù)。在電源進(jìn)線側(cè)、牽引變壓器二次側(cè)、饋線側(cè)設(shè)置避雷器作為雷電侵入波防護(hù)。二次方面，通過(guò)在二次回路裝設(shè)防涌流保護(hù)單元，提高二次設(shè)備防雷擊引入和抗干擾能力，限制地電位的升高。

1.2 變電所接地

變電所接地采用以水平接地體為主的復(fù)合接地體形式，接地網(wǎng)埋深不小于0.8m，水平接地體根據(jù)鐵路等級(jí)不同選用銅絞線或扁鋼，架構(gòu)、設(shè)備、端子箱外殼、接地回流箱外殼采用接地引下線與接地網(wǎng)相連。高速鐵路所內(nèi)接地網(wǎng)采用2根截面70 mm?或35mm?的銅芯電纜與綜合地網(wǎng)連接[1]。獨(dú)立避雷針的接地裝置與所內(nèi)接地網(wǎng)地中距離不小于3m，接地電阻不大于10Ω。

2 對(duì)二次設(shè)備影響的主要因素

近幾年來(lái)，鐵路發(fā)生了多起雷擊造成變電所設(shè)備大面積燒損事故，限制了鐵路運(yùn)輸能力，對(duì)鐵路運(yùn)輸影響極大。

導(dǎo)致設(shè)備燒損的直接原因，一是雷電擊穿電氣絕緣產(chǎn)生的工頻續(xù)流，二是雷電入侵后，摧毀綜自系統(tǒng)導(dǎo)致保護(hù)失效，從而不能及時(shí)切斷工頻續(xù)流。

雷電影響變電所設(shè)備的原因主要有以下幾種：（1）直擊雷落在變電所內(nèi)導(dǎo)線或架構(gòu)，導(dǎo)致一次設(shè)備如絕緣子炸裂、避雷器爆炸，地電位抬升，影響二次設(shè)備安全運(yùn)行。由于獨(dú)立避雷針的設(shè)置，直擊雷落在所內(nèi)的概率較小。（2）雷擊所外供電線，強(qiáng)大的電流損壞饋線出口避雷器，失去對(duì)雷電侵入波的防護(hù)。（3）雷擊所外架空回流線，雷電流通過(guò)回流電纜進(jìn)入所內(nèi)集中接地箱或端子箱，引起地電位的抬升，導(dǎo)致二次設(shè)備故障。（4）接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)遭雷擊，造成機(jī)構(gòu)箱電位抬升，燒損設(shè)備；并通過(guò)電纜引入所內(nèi)，進(jìn)而影響所內(nèi)二次設(shè)備。（5）雷擊附近區(qū)域，由于電磁耦合作用，產(chǎn)生感應(yīng)電壓，影響二次設(shè)備的安全運(yùn)行。（6）綜自系統(tǒng)二次回路電源失壓，導(dǎo)致保護(hù)失效，引發(fā)次生災(zāi)害。通過(guò)分析，（2）（4）（6）項(xiàng)危害較大。

3 解決措施

一是降低雷電波從一、二次侵入變電所的概率，將雷電產(chǎn)生的能量泄放在線路上；二是提高變電所二次系統(tǒng)抗雷電入侵能力，縮小二次保護(hù)的損壞范圍；三是增加電源應(yīng)急保護(hù)，當(dāng)變電所保護(hù)整體失效時(shí)，電源回路斷電，整體退出運(yùn)行，切斷可能產(chǎn)生的工頻續(xù)流，保證一次設(shè)備不被燒損。

3.1 近所亭端架空供電線或接觸網(wǎng)加設(shè)避雷線

若雷擊發(fā)生在變電所近端線路上，雷電侵入波極易損壞變電所出口避雷器。我們嘗試在變電所附近加裝一段避雷線，如此，當(dāng)雷電流經(jīng)避雷器動(dòng)作后，產(chǎn)生的負(fù)電壓波折回到雷擊點(diǎn)，又在該點(diǎn)產(chǎn)生負(fù)反射波到達(dá)避雷器時(shí)，避雷器的雷電流已經(jīng)過(guò)了峰值。

即變電所饋出線至少在750米的范圍內(nèi)應(yīng)架設(shè)避雷線。如此，直擊雷只能落在該范圍之外的接觸網(wǎng)導(dǎo)線上。當(dāng)發(fā)生雷擊時(shí)，會(huì)因?yàn)檫M(jìn)線段導(dǎo)線的波阻抗，使流進(jìn)避雷器的雷電流幅值受到限制，且由于沖擊電暈的影響將使入侵波陡度和幅值下降。

3.2 接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)接地和電源加強(qiáng)措施

（1）接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)的接地引入變電所地網(wǎng)。不同的地網(wǎng)，將使在隔離開(kāi)關(guān)處的地電位抬升加于兩側(cè)控制裝置，解決問(wèn)題的最好方法是將兩側(cè)接地進(jìn)行連接，當(dāng)隔離開(kāi)關(guān)發(fā)生閃絡(luò)或短路接地時(shí)，使得短路電流有一個(gè)很好的回流通路，從而降低地電位的抬升，避免燒損二次設(shè)備。隔離開(kāi)關(guān)的接地裝置與變電所主接地網(wǎng)在地中連接線宜采用裸導(dǎo)線，埋在地中的長(zhǎng)度不應(yīng)小于15m。

（2）接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)交流電源回路設(shè)置防雷隔離措施。交流電源饋出側(cè)設(shè)置隔離變壓器。由隔離變壓器的初級(jí)線圈饋出電源至接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)，浪涌過(guò)電壓由初級(jí)線圈侵入時(shí)實(shí)現(xiàn)隔離，隔離變壓器兩側(cè)均不接地。

3.3 提高綜自系統(tǒng)直流電源供電可靠性

（1）輻射狀供電。綜自系統(tǒng)各測(cè)控單元分別采用輻射供電方式，如圖1。任一測(cè)控屏發(fā)生失電故障，不會(huì)影響到其他供電回路。對(duì)于各保護(hù)測(cè)控盤(pán)，雖然只有一路電源，由于直流屏和測(cè)控屏都布置在控制室內(nèi)，電源發(fā)生故障的概率較低，能夠保證供電可靠性。（2）分組環(huán)狀供電。結(jié)合環(huán)狀供電和輻射狀供電兩種方案的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)綜自系統(tǒng)各測(cè)控單元分別采用分組環(huán)狀供電方式，如圖2。分兩個(gè)區(qū)域：主變保護(hù)測(cè)控和所內(nèi)監(jiān)控部分、饋線保護(hù)測(cè)控部分。（3）方案比較。分組環(huán)狀供電方式，對(duì)綜自系統(tǒng)供電可靠性的提高作用明顯，且直流屏饋線回路數(shù)增加不多，實(shí)施容易，適合既有變電所的改造，只需利用直流屏兩個(gè)預(yù)留回路；輻射狀供電在電力110kV及以上變電站應(yīng)用廣泛，可靠性高，但增加直流屏饋線回路較多，適用于新建變電所。

3.4 增設(shè)電源進(jìn)線應(yīng)急保護(hù)

在變電所內(nèi)增設(shè)電源回路應(yīng)急保護(hù)系統(tǒng)，單獨(dú)設(shè)置直流電源屏和控制模塊，從變電所直流控制母線和饋出開(kāi)關(guān)采集信號(hào)，當(dāng)控制母線失電或饋出開(kāi)關(guān)全部跳閘時(shí)，控制模塊直接驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)線斷路器跳閘，整所退出運(yùn)行。

4 結(jié)論

牽引供電系統(tǒng)仿強(qiáng)雷入侵是一門(mén)綜合性的學(xué)科，需從接地、屏蔽、均壓、限幅、隔離等多個(gè)方面采取措施，重點(diǎn)是做好變電所與接觸網(wǎng)的結(jié)合部設(shè)計(jì)。變電所附近架設(shè)避雷線可防止或降低雷電從一次回路引入變電所的概率。接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)箱接地整治和操作電源加裝隔離變壓器，可防止或降低雷電從二次回路引入變電所的概率，直流電源控制母線采用放射供電或分組供電，可保證變電所二次保護(hù)不會(huì)整體失效，進(jìn)線電源應(yīng)急保護(hù)措施可保證綜自系統(tǒng)失效時(shí)變電所退出運(yùn)行。這些措施將大大提高變電所防強(qiáng)電侵入的綜合能力。

參考文獻(xiàn)：

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