牽引變電所抗電磁干擾的措施

張國蓬

1 概述

鐵路牽引供電具有以下特點:1)牽引負荷大,牽引變電所的地回流電流也隨之增大。地回流增大給牽引變電所接地系統帶來地網電位不平衡,變電所內控制、測量、信號回路中安裝在不同地點的同一系統設備地電位不相等,從而有可能引起保護裝置的誤動或拒動,對安全供電造成嚴重威脅;2)牽引負荷電流變化大,造成變電所內母線電流變化很大,從而產生大量的電磁信號,這種電磁信號對變電所內的二次設備將造成干擾。尤其是在高速和重載電氣化鐵路中,這兩個問題更為突出,隨著牽引變電所集中控制和綜合自動化程度的提高和無人值班、有人值守的推廣,對二次設備安全可靠運行和抗電磁干擾提出了更高的要求,因此,對牽引變電所進行深入電磁干擾分析,研究抗電磁干擾措施對高速鐵路安全供電有著重要的意義。

2 電磁干擾

2.1 電磁干擾的來源

變電所內的電磁干擾主要來自高壓設備操作、低壓交直流回路內電氣設備的操作、雷電引起的浪涌電壓、電氣設備周圍的靜電場、電磁波輻射和輸電線路或設備短路故障所引起的瞬變過程等。這些電磁干擾進入變電站的綜合自動化系統,就可能引起自動化系統工作不正常,甚至損壞某些部件或元器件。

2.2 電磁干擾的傳輸途徑

變電所的電磁干擾途徑按介質分為傳導性干擾和輻射性干擾兩大類。傳導性干擾是指通過電源線路、接地線和信號線傳播的干擾;輻射性干擾是指通過空間傳播的干擾。按性質又可分為電容耦合、電感耦合[1]。電磁干擾以電磁場的形式存在,主要通過電場、磁場、電磁場等途徑對信號傳輸線及設備信號產生影響。

3 控制電纜屏蔽層接地對電磁干擾分析

3.1 電場干擾

在變電所中,由于電氣設備間存在著分布電容,變電站高壓母線及設備上的電壓通過分布電容在控制電纜系統中產生干擾電壓。假設一根理想的屏蔽電纜,置在干擾電場中。不考慮干擾源導線對電纜芯的耦合,設干擾源電壓為U1,干擾源對地電容為C1,U1耦合在屏蔽層電容C12,通過C12耦合在電纜芯線上的電容 C23,電纜芯線對地電阻為 R,屏蔽層對地電容為C2,等效電路圖如圖1所示,電纜芯線上耦合電壓為:

如果屏蔽層接地,C2被短接,C2為∞,則 U2=0,即 U1通過C23被屏蔽層短路接地,切斷了耦合到芯線上的路徑,從而起到了電場屏蔽的作用(見圖2)[2]。

由此可見,不接地的屏蔽層對電場干擾沒有屏蔽作用,而一端接地和兩端接地的屏蔽層對電場的屏蔽效果是一樣的。如果屏蔽層接地良好,則電場終止于屏蔽體直接耦合到地。屏蔽電纜的金屬屏蔽層具有靜電屏蔽作用,使一次線高壓電源的強電力線終止于金屬屏蔽,內部的電場強度為零,從而使處于屏蔽層內的芯線免受外部強電場的干擾影響。從靜電屏蔽的角度出發,為了使屏蔽層表面是一個固定的等電位面,應將屏蔽層一端接地。

3.2 磁場干擾

屏蔽層在不接地時,外部磁場對電纜芯線干擾等效電路見圖3。I1在電纜芯線上產生感應電勢為:I1在屏蔽層上產生感應電勢為:

屏蔽層一端接地時在屏蔽層上有感應電壓,但未構成回路,屏蔽層上沒有電流流過,不改變空間磁場分布。I1在電纜芯線上產生感應電勢仍為:E21=jwM12I1。

屏蔽層兩端接地時,外部磁場對電纜芯線干擾等效電路見圖4。

屏蔽層流過的感應電流為:Im在二次電纜芯線上產生的感應電勢為:

二次電纜芯線上產生的感應電勢:

屏蔽層中流過的感應電流是由外界電磁場感應產生的,其實際作用是抵消外界電磁場的干擾。因此電纜屏蔽層兩端接地,可以有效地抑制電磁感應。

相關的試驗證明屏蔽層單端接地及兩端接地時的感應電壓分別為兩端不接地時的10%及1%。

由上述分析可知屏蔽層兩端接地可有效抑制外部電場和電磁干擾對電纜芯線的干擾,由于牽引供電回路是由牽引變壓器—饋電線—接觸網—電力機車—鋼軌回路—回流線—接地網—牽引變壓器等組成的閉合回路。其中很大一部分通過接地系統回流到變壓器,由于地回流的存在,使變電所內地網電位不平衡,尤其當屏蔽層兩點電位不同時,使屏蔽層內流過電流,通過屏蔽層與纜芯的轉移阻抗回路耦合到電纜芯上,形成附加干擾。在接地網出現短路電流或雷電流時更為嚴重,甚至可能燒毀屏蔽層。

4 牽引變電所抗電磁干擾的措施

1)改進接地方式。在牽引變電所接地網施工時盡量降低接地網的電阻,這可減少所內的瞬變電壓幅值,特別是減少電網中的瞬變電位差,從而降低瞬變電位升高;將軌、地電流集中在匯流排后回流到變壓器,匯流排應遠離二次電纜;在避雷針、避雷器與主接地網的地下連接點至電纜屏蔽層接地點的地下連接點的距離大于15 m,并采用兩根以上的接地線和加密接地網絡;在屏蔽層集中接地的端子箱與綜自屏間并行敷設大截面銅導體,降低電位差,同時也可防止大電流通過通流容量小的屏蔽層而燒毀屏蔽層。2)加強隔離措施。二次回路布線時,應考慮隔離,減少互感耦合,避免干擾由互感耦合侵入。控制電纜盡可能離開高壓母線,并盡可能減少平行布設長度。避雷器和避雷針的接地點、電容式電壓互感器等都是高頻暫態電流的入地點,控制電纜也應盡可能離開它們,以便減少感應耦合。3)改善電纜屏蔽。位于110 kV以上配電裝置的弱電控制電纜,宜選用總屏蔽或雙層式總屏蔽。雙重屏蔽或復合式總屏蔽,宜對內、外屏蔽分別采用一點、兩點接地[3]。這種電纜在芯線外有兩個互相絕緣的屏蔽層,內屏蔽層一點接地作信號回流線,外屏蔽層兩端接地,流過地環路電流,不會影響信號回路。

5 結語

在變電所設計和施工過程中,通過把控制電纜屏蔽層接地、加強隔離及改善電纜屏蔽等多種措施有效的結合,使變電所一、二次設備電磁兼容得到明顯提高,從而提高牽引供電系統的可靠性,確保高速鐵路運行的質量。

[1] 林福昌,姚宗干,蔣政龍.變電所強電設備與弱電線路的電磁兼容問題[J].中國電力,1996(7):32-33.

[2] 曾 健.淺議高壓變電所屏蔽電纜接地[J].繼電器,2004(13):15-16.

[3] GB 50217-2007,電力工程電纜設計規范[S].

[4] 杜樹春.雷電對微波通信站的電磁干擾及其防護[Z].北京:全國調通局防雷工作會議,1989.

[5] 江輯光.電路原理[M].北京:清華大學出版社,2001.

[6] 李景祿,胡 毅,劉春生.實用電力接地技術[M].北京:中國電力出版社,2002.