牽引供電系統(tǒng)防雷與接地研究

中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司青島供電段 劉志強(qiáng)

近些年來(lái)我國(guó)電氣化鐵路運(yùn)營(yíng)里程增加迅速，以及高鐵、客專、重載線的快速發(fā)展，對(duì)牽引供電系統(tǒng)，尤其是二次系統(tǒng)要求越來(lái)越高，各種保護(hù)測(cè)控、傳輸、新網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和新技術(shù)的使用，集成度和運(yùn)行速度都越來(lái)越高，這些二次設(shè)備采用了大量的半導(dǎo)體元器件，更容易受到各種新式雷電過(guò)電壓或工頻過(guò)電壓等強(qiáng)電侵入而造成損壞。因此，如何提高牽引變電所二次系統(tǒng)的防強(qiáng)電入侵，對(duì)保障電氣化鐵路運(yùn)輸秩序十分重要。

但是，目前各牽引變電所二次系統(tǒng)沒(méi)有專門、針對(duì)性的過(guò)電壓保護(hù)，廠家通常結(jié)合自家設(shè)備的耐受性，只是在部分設(shè)備的部分端口安裝過(guò)電壓保護(hù)設(shè)備，而設(shè)備與室外設(shè)備的接線并未設(shè)置，如接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)控制屏與接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)等，使得室外的強(qiáng)電有路徑可以侵入，存在造成牽引變電所二次設(shè)備雷擊的風(fēng)險(xiǎn)，給鐵路運(yùn)輸造成影響。

1 強(qiáng)電危害源

在沿線各個(gè)牽引變電所，存在很多種電磁干擾源，這些干擾源通過(guò)回路直接影響或間接影響到電氣電子設(shè)備的正常運(yùn)行，其中以雷電干擾、工頻過(guò)電壓干擾、以及其他電磁干擾最具代表性。

1.1 雷電干擾

（1）直擊雷

牽引變電所通常建在周邊無(wú)其他較高建筑物及其他較高物體的地方，地勢(shì)比較平坦，因此所內(nèi)避雷針是主要的落雷點(diǎn)，遭受直擊雷的概率很高。直擊雷電流在通過(guò)避雷針、塔體入地時(shí)如果接地網(wǎng)的接地電阻偏大或接地網(wǎng)的均壓效果不好時(shí)，在雷電流的入地路徑上通過(guò)阻性耦合將形成瞬態(tài)高電位，必將會(huì)對(duì)與其有直接聯(lián)系各個(gè)設(shè)備產(chǎn)生高電位反擊，很容易造成電子設(shè)備的損壞。

（2）感應(yīng)雷

感應(yīng)雷，顧名思義，它是感應(yīng)產(chǎn)生的，是由牽引變電所附近落雷時(shí)產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)在變化中所引起的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)。電磁感應(yīng)危害原理與直擊雷相似。而靜電感應(yīng)則屬于容性耦合，雷云釋放電荷時(shí)，在金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷也在瞬間釋放，從而導(dǎo)致金屬導(dǎo)體與地面之間形成很高的電位差。

（3）線路來(lái)波

牽引變電所稍遠(yuǎn)處其他與變電所有關(guān)聯(lián)的設(shè)備，如接觸網(wǎng)設(shè)備、10KV設(shè)備落雷后，雷電流會(huì)沿著各自路線，如27.5kV饋電線路、10kV所用變線路等侵入到牽引變電所二次系統(tǒng)。

（4）球雷

球雷最明顯的特性是能在地面滾動(dòng)或在空氣中飄動(dòng)，通過(guò)縫隙進(jìn)入建筑物內(nèi)部，會(huì)自己消失或產(chǎn)生劇烈爆炸，引起嚴(yán)重的后果，目前在技術(shù)上沒(méi)有有效的方法對(duì)球雷進(jìn)行防護(hù)。

1.2 工頻轉(zhuǎn)移過(guò)電壓

當(dāng)網(wǎng)開(kāi)關(guān)處的接觸網(wǎng)線路發(fā)生接地故障或產(chǎn)生絕緣子閃絡(luò)時(shí)，短路電流在流向大地時(shí)由于地阻或?qū)w本身的電阻會(huì)使網(wǎng)開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)附近的地電位、支柱、機(jī)構(gòu)箱外殼等產(chǎn)生較高的電位，接近工頻而高于系統(tǒng)最高工作電壓。較高的工頻過(guò)電壓會(huì)對(duì)二次回路絕緣造成損害，直至擊穿回路絕緣，比較輕的現(xiàn)象是引起電源回路空開(kāi)跳閘，嚴(yán)重的就有可能直接對(duì)設(shè)備造成傷害。另外線路上的設(shè)備與線路下的設(shè)備在通信聯(lián)系上采用的是光纜，其技術(shù)要求和制作工藝決定了內(nèi)部要采用金屬設(shè)備，比如加強(qiáng)芯和鋼鎧，因此也會(huì)使光纜內(nèi)的金屬組成部分與設(shè)備的金屬部分之間產(chǎn)生放電，對(duì)光纜及臨近設(shè)備產(chǎn)生較大的威脅。

1.3 其它電磁干擾

其它干擾包括地方供電公司高壓輸變電工程的電磁干擾，其線路在運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)生的電暈可以對(duì)數(shù)公里外的地方產(chǎn)生影響。還有，如在10KV系統(tǒng)短路故障、一次系統(tǒng)隔離開(kāi)關(guān)分合中會(huì)產(chǎn)生電弧，電弧是一種高頻的電流源，敏感的電子線路對(duì)此種干擾比較脆弱。

2 防強(qiáng)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 系統(tǒng)組成

參考鐵路專業(yè)現(xiàn)有防雷規(guī)范的相關(guān)要求，系統(tǒng)性的牽引變電所二次系統(tǒng)防強(qiáng)電綜合措施主要包括接閃優(yōu)化、接地補(bǔ)強(qiáng)、二次系統(tǒng)綜合防雷、等電位、接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)強(qiáng)電隔離和智能維護(hù)。在實(shí)際實(shí)施時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行綜合考慮、采用。

2.2 主要思路

為被保護(hù)設(shè)備構(gòu)建一個(gè)均壓等電位系統(tǒng)，逐級(jí)把雷電電流瀉放入地。不管雷電從何種徑路侵入到二次設(shè)備，都必須在瞬間就將被保護(hù)線路及設(shè)備與等電位系統(tǒng)相連，從而保證各個(gè)端口等電位。

結(jié)合牽引變電所設(shè)備特點(diǎn)，對(duì)所內(nèi)二次回路安裝符合要求規(guī)格的浪涌保護(hù)器，通過(guò)對(duì)保護(hù)范圍內(nèi)的電流泄放和對(duì)電壓的制約，將其制到被保護(hù)設(shè)備耐受性以下，從而保證所內(nèi)二次設(shè)備的運(yùn)行安全。

2.3 牽引變電所綜合防雷屏的防雷設(shè)置

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中需要在一次設(shè)備與二次系統(tǒng)連接處的端口設(shè)置浪涌保護(hù)器。根據(jù)牽引變電所構(gòu)造和運(yùn)行情況及設(shè)備布置情況，從高壓室各端子箱、室外進(jìn)線及饋出設(shè)備的端子箱的電纜最終都會(huì)進(jìn)入到控制室內(nèi)的保護(hù)測(cè)控屏，但就目前在保護(hù)測(cè)控屏內(nèi)端子排、空開(kāi)及保護(hù)測(cè)控裝置的影響，實(shí)際上空間有限，必定存在保護(hù)不全的現(xiàn)象，也無(wú)法解決防雷組合動(dòng)作時(shí)對(duì)保護(hù)測(cè)控設(shè)備的電磁干擾問(wèn)題。為了解決全面、有效防護(hù)問(wèn)題，并考慮到電磁兼容性，可在控制室設(shè)置一臺(tái)獨(dú)立綜合防雷屏。

2.3.1 防雷屏主要配置要求

裝置柜體配置：

（1）每所配置獨(dú)立防雷屏一臺(tái)，用于各所二次系統(tǒng)防雷電電磁脈沖及過(guò)電壓的防護(hù)。

（2）二次防雷屏采用集中式安裝SPD的方式裝配成獨(dú)立的屏柜，與控制室屏柜組屏安裝，整體安裝時(shí)占用一個(gè)屏位。

（3）防雷柜分為前、后SPD布置區(qū)，側(cè)面端子排、等電位匯集線布置區(qū)，底部反擊抑制裝置區(qū)，頂部滅火、照明、開(kāi)關(guān)電源區(qū)，正面襯板設(shè)檢測(cè)單元、柜門設(shè)人機(jī)交互屏。弱電信號(hào)保護(hù)和電源類保護(hù)分區(qū)，區(qū)域之間用隔板隔離。

（4）二次防雷屏接線應(yīng)分為箱內(nèi)元器件布置接線和箱外端子排接線。屏內(nèi)各個(gè)端子排的布局應(yīng)考慮運(yùn)檢修的工作量，需采用避免松動(dòng)、免維護(hù)的端子，端子必須使用阻燃材料，且應(yīng)有明顯的標(biāo)識(shí)。各類防雷模塊數(shù)量可按需求匹配，防雷模塊可在線插拔操作，方便后期維護(hù)及更換。

（5）防雷屏內(nèi)設(shè)線纜屏蔽層接地區(qū)，安裝電纜屏蔽層環(huán)流接地保護(hù)器，防止電纜屏蔽層絕緣擊穿，對(duì)于外部光纖加強(qiáng)筋或鎧裝進(jìn)行統(tǒng)一接地，防止電涌沿屏蔽層及加強(qiáng)筋侵入。

（6）屏體所采用的鋼板和骨架鋼性要符合規(guī)定，必須具備一定耐熱能力，其厚度不得小于2.5mm，整體的面板及屏架應(yīng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。

（7）防雷屏底部裝設(shè)接地排并與柜體相連，其分離或活動(dòng)金屬構(gòu)件與屏體之間應(yīng)用符合規(guī)定線徑的接地線可靠連接。

接線要求：

（1）綜合防雷屏所有接線均采用凱文接線方式。

（2）被保護(hù)設(shè)備電源線路的前端均需安裝浪涌保護(hù)器（SPD），根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況應(yīng)應(yīng)分級(jí)、分別安裝，浪涌保護(hù)器的接線端與被保護(hù)設(shè)備電源線路的相線相連。浪涌保護(hù)器的接地端與保護(hù)接地排相連，接地排應(yīng)與所內(nèi)大地網(wǎng)相連。為防止雷電流泄放引起感抗的變化而導(dǎo)致設(shè)備故障，因此浪涌保護(hù)器的連接導(dǎo)線應(yīng)盡量短和直，其長(zhǎng)度不大于0.5m，并固定牢靠。

（3）帶有接線端子的浪涌保護(hù)器應(yīng)采用壓接的方式進(jìn)行連接；帶有接線柱的浪涌保護(hù)器其連接線需采用壓線鼻與接線柱相連。

（4）所有電源SPD都應(yīng)內(nèi)置短路保護(hù)裝置。

（5）第一級(jí)防護(hù)用浪涌保護(hù)器安裝連接進(jìn)線截面積為16mm2，接地線為25mm2；第二級(jí)防護(hù)用浪涌保護(hù)器安裝連接進(jìn)線截面積為10mm2，接地線為16mm2。

（6）工頻耐壓值。防雷設(shè)備接線端子與殼體之間絕緣：3kV/min。

（7）沖擊耐壓值防雷設(shè)備接線端子與殼體之間絕緣：6kV，1.2/50μs，正負(fù)各5次。

（8）所有電纜鋼帶進(jìn)入綜合防雷屏必須可靠接地，接地線截面積不小于2.5mm2，綜合防雷屏接地線截面積不小于25mm2。2.3.2 防雷屏要具備的主要功能

防雷設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)：對(duì)防雷系統(tǒng)中所使用的防雷設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并提供防雷設(shè)備的壽命狀態(tài)，在防雷設(shè)備接近損壞時(shí)，給出更換防雷設(shè)備的預(yù)警信息。

雷電信息監(jiān)測(cè)：記錄雷擊發(fā)生的時(shí)間、幅值、波形等信息。

環(huán)境信息：監(jiān)測(cè)機(jī)房、接線箱等的環(huán)境參數(shù)，比如供電質(zhì)量、環(huán)境溫濕度等，可實(shí)時(shí)了解系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境是否滿足要求。

現(xiàn)場(chǎng)查詢與遠(yuǎn)程終端查詢：設(shè)置智能屏用來(lái)顯示監(jiān)測(cè)、報(bào)警、上傳等所有信息方便維護(hù)人員查看?，F(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)信息可以上傳到牽引變電所現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控終端工控機(jī)上，也可以通過(guò)現(xiàn)有傳輸網(wǎng)絡(luò)，在監(jiān)測(cè)中心設(shè)置后臺(tái)終端，進(jìn)行實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

預(yù)留外部新增模塊端口：預(yù)留AI/DI端口，可外接其它監(jiān)測(cè)模塊，擴(kuò)展系統(tǒng)監(jiān)測(cè)功能。

3 其他建議措施

由于牽引變電所運(yùn)行的原理特性和大地網(wǎng)的構(gòu)造，在本所供電臂范圍內(nèi)其電流最終流入變電所，因此防雷系統(tǒng)的等電位接線和接地需要對(duì)線路回流在大地網(wǎng)不同點(diǎn)之間的產(chǎn)生的電位差，所以所內(nèi)的防雷系統(tǒng)等電位點(diǎn)與大地網(wǎng)的連接采用單點(diǎn)連接，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在所內(nèi)需要增家接地排的連接點(diǎn)以滿足新增加防雷設(shè)備的等電位連接需求，并在不得改變既有設(shè)備等電位連接狀態(tài)的前提下進(jìn)行。

總結(jié)：防各種干擾侵入到牽引變電所二次系統(tǒng)是一個(gè)系統(tǒng)工程，各個(gè)方面需進(jìn)行綜合考慮，比如地電位升高、高頻電流源、等電位點(diǎn)等方面，通過(guò)各種手段和綜合治理來(lái)解決可能侵入到二次系統(tǒng)的電流和電壓，并且具有針對(duì)性防止雷電過(guò)電壓的入侵，從而保護(hù)二次設(shè)備的正常運(yùn)行。