牽引變電所二次系統(tǒng)防雷措施研究

侯啟方

0 引言

隨著國內(nèi)電子技術(shù)水平及電氣化鐵路牽引變電所自動(dòng)化程度的不斷提高，牽引變電所二次系統(tǒng)中的控制、保護(hù)、信號(hào)、通信、監(jiān)控、交直流等裝置大量采用電子元器件。這些微電子裝置工作電壓低，耐過壓及過電流的水平低，抗雷電電磁脈沖的能力差，易遭受雷電的危害及干擾而不能正常工作[1，2]。目前牽引變電所高壓設(shè)備的防雷措施已比較完善，設(shè)置有獨(dú)立避雷針以防止直擊雷對(duì)所內(nèi)設(shè)施的侵害，在牽引變電所進(jìn)線或跨條兩側(cè)、牽引變壓器低壓側(cè)、27.5 kV 饋線側(cè)均設(shè)有相應(yīng)等級(jí)的氧化鋅避雷器，以防止雷電波的危害。但是二次系統(tǒng)的過電壓防護(hù)能力還比較弱，防雷保護(hù)措施還不夠完善，影響了牽引供電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。因此開展?fàn)恳冸娝蜗到y(tǒng)防雷措施的研究有較強(qiáng)的實(shí)際意義。

1 雷電侵入牽引變電所二次系統(tǒng)的途徑

我國是雷電活動(dòng)十分頻繁的國家，而牽引變電所又有很多位于山區(qū)，遭受雷擊的概率較大。近年來，牽引變電所內(nèi)二次系統(tǒng)設(shè)備因雷擊而損害的情況時(shí)有發(fā)生。無論是直擊雷還是感應(yīng)雷都會(huì)引起浪涌過電壓，浪涌過電壓是導(dǎo)致二次系統(tǒng)設(shè)備損害的最重要原因[2，3]。結(jié)合牽引變電所內(nèi)設(shè)備配置情況、布置形式及電力系統(tǒng)變電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[4～7]，分析得出雷電侵入牽引變電所二次系統(tǒng)主要有以下幾種途徑。

1.1 交直流電源系統(tǒng)引入雷電過電壓

雷擊牽引變電所內(nèi)外供電線路，雖然經(jīng)過所內(nèi)多級(jí)避雷器削峰，電壓幅值大為下降，但由于雷電波的電壓、能量極高，仍有可能以幅值很高的尖峰脈沖形式通過所用變壓器傳遞至交直流系統(tǒng)。該尖峰電壓對(duì)高壓設(shè)備不會(huì)造成危害，但是對(duì)于耐壓值很低的二次設(shè)備來說還是很高，輕則加速設(shè)備老化，重則會(huì)導(dǎo)致各功能模塊損壞，二次系統(tǒng)不能正常工作。另外，牽引變電所控制室至室外高壓設(shè)備間有大量的控制電纜，遭受感應(yīng)雷過電壓的可能性也很大。雷電波通過所用變壓器侵入電源系統(tǒng)的示意如圖1 所示。

圖1 雷電波侵入交流電源系統(tǒng)示意圖

1.2 電壓電流互感器引入雷電過電壓

牽引變電所內(nèi)的電壓互感器及電流互感器一次側(cè)均接于高壓部分，有可能將高壓線路上的雷電過電壓由一次側(cè)耦合至二次側(cè)，由互感器二次電纜直接傳至綜合自動(dòng)化設(shè)備，可能損害保護(hù)測(cè)控裝置、自投裝置及計(jì)量裝置等。

1.3 接地系統(tǒng)引入雷電過電壓

由于目前在牽引變電所接地網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)常常把接地電阻作為主要的考核指標(biāo)，而不太關(guān)注接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)，導(dǎo)致很多地網(wǎng)均壓效果不好。當(dāng)牽引變電所遭受雷擊時(shí)，雷電流通過避雷針、避雷器等的引下線流入變電所接地網(wǎng)并向大地散流。如果接地網(wǎng)的均壓效果不好，強(qiáng)大的雷電流將會(huì)使變電所接地網(wǎng)局部電位升高，導(dǎo)致地網(wǎng)電位分布不均，設(shè)備接地線可能處于高電位，與設(shè)備外接的電源、通信線路間產(chǎn)生電位差，電位差都加在設(shè)備上，從而導(dǎo)致低壓設(shè)備損壞。

1.4 通信線路引入雷電過電壓

目前牽引變電所與外部系統(tǒng)的通信大都采用光纖通信，因此，對(duì)于牽引變電所來說主要是GPS天線可能將雷電壓引入綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。另外，牽引變電所內(nèi)遠(yuǎn)動(dòng)通信設(shè)備、交直流系統(tǒng)、油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、接觸網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)等很多設(shè)備都通過通信線纜與綜合自動(dòng)化系統(tǒng)接口，這些子系統(tǒng)中的過電壓都可能通過通信電纜傳導(dǎo)至綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，或者通過綜合自動(dòng)化系統(tǒng)傳導(dǎo)至各子系統(tǒng)，并直接導(dǎo)致接口損壞。

1.5 雷電電磁場(chǎng)引起過電壓

變電所的電磁環(huán)境分為工頻電磁環(huán)境和瞬態(tài)電磁環(huán)境，而瞬態(tài)電磁環(huán)境包括雷擊變電所及其附近時(shí)產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)及變電所開關(guān)操作時(shí)產(chǎn)生的瞬變電場(chǎng)和磁場(chǎng)[8]。雷擊牽引變電所或其附近時(shí)，高壓設(shè)備區(qū)的各種二次電纜都可能產(chǎn)生瞬變電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)使室內(nèi)的線路感應(yīng)到過電壓，過電壓直接傳到控制室內(nèi)的二次設(shè)備。

2 牽引變電所二次系統(tǒng)防雷措施

針對(duì)上述雷電侵入牽引變電所二次系統(tǒng)的幾種主要途徑，結(jié)合牽引變電所運(yùn)行及設(shè)備配置情況，得出要從限制過電壓幅度、接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)、屏蔽及隔離等幾方面采取措施，防止雷電過電壓對(duì)二次設(shè)備的損害。

2.1 加裝浪涌保護(hù)器

對(duì)電源系統(tǒng)及通信回路的防護(hù)，應(yīng)從控制室內(nèi)交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、重要的交直流饋電回路、各類通信接口等全面考慮。目前，較為有效的措施是在交直流電源系統(tǒng)、綜合自動(dòng)化系統(tǒng)及通信接口適當(dāng)?shù)奈恢眉友b浪涌保護(hù)器（SPD）。浪涌保護(hù)器的典型原理圖如圖2 所示。當(dāng)浪涌保護(hù)器上出現(xiàn)過電壓時(shí)，作為速度最快的元件瞬變電壓抑制二極管（TVS）首先動(dòng)作，并開始泄放電流，輸出電壓被鉗位在其截止電壓上，可以有效避免過電壓對(duì)設(shè)備的損害。隨著TVS 中的放電電流幅值不斷增大，加在充氣式放電器（GDT）兩端的電壓也將升高，當(dāng)滿足US+ΔU≥UC，即兩端電壓高于其點(diǎn)火電壓UC時(shí)，GDT 將動(dòng)作，并泄放電流；此時(shí)，處于低阻狀態(tài)的GDT 兩端只存在10～30 V 的電弧電壓，可防止長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)過電壓將TVS 燒毀。

圖2 浪涌保護(hù)器典型原理圖

結(jié)合牽引變電所二次系統(tǒng)配置情況，建議浪涌保護(hù)器的配置原則：在交流屏的2 路電源進(jìn)線、各段母線上分別安裝1 臺(tái)電源SPD，防止雷擊過電壓侵入交直流系統(tǒng)，可將大部分雷電流泄放到大地中，初步保護(hù)整個(gè)二次系統(tǒng)的安全。在交流盤至UPS 電源、通信室等重要的饋出回路上設(shè)置電源SPD，以保證UPS 電源及遠(yuǎn)動(dòng)通信設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。在直流屏進(jìn)線端設(shè)置電源SPD，確保直流電源系統(tǒng)的抗雷擊過電壓能力。在直流屏的控制母線和合閘母線上均設(shè)置電源SPD，防止合閘電源線纜進(jìn)出高壓設(shè)備區(qū)感應(yīng)的雷電過電壓，控制電纜在電纜溝中受雷電電磁場(chǎng)的影響或其他電纜的感應(yīng)產(chǎn)生的過電壓。

綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是牽引變電所二次系統(tǒng)的核心，為確保綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的安全，需在綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的以下位置設(shè)置電源SPD：接引交直流電源的端子排連接處；接引電壓電流互感器二次側(cè)的電纜連接處。開關(guān)量采集若是直接接入二次系統(tǒng)，應(yīng)在端子排電纜連接處考慮防浪涌措施。

由于牽引變電所的二次設(shè)備之間通信主要采用BNC、RJ45、RS232、RS485 等接口，感應(yīng)雷擊過電壓可能導(dǎo)致該類通信端口損壞，因此，需在這些通信接口處安裝信號(hào)SPD。GPS 時(shí)鐘的天線接口處也應(yīng)安裝信號(hào)SPD?？刂剖覂?nèi)，裝有從室外引入監(jiān)控線的視頻監(jiān)控屏，其上應(yīng)安裝信號(hào)SPD。

2.2 合理設(shè)計(jì)接地裝置

一個(gè)良好的接地系統(tǒng)對(duì)牽引變電所二次系統(tǒng)過電壓防護(hù)至關(guān)重要。在接地網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，不能只關(guān)注接地電阻值，更要驗(yàn)算接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)。設(shè)計(jì)地網(wǎng)時(shí)盡量采用均壓效果更好的方孔接地網(wǎng)；根據(jù)接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)的驗(yàn)算或仿真情況合理設(shè)置水平均壓帶，避免雷擊時(shí)地電位不均而損壞二次系統(tǒng)。在避雷器及避雷針處應(yīng)盡量多布置一些垂直接地體，利于雷電流的盡快散泄，防止雷電流過大引起局部電位升高。地網(wǎng)施工時(shí)應(yīng)確保設(shè)備接地線與主地網(wǎng)的可靠連接。

2.3 屏蔽

屏蔽就是阻斷雷電電磁場(chǎng)侵入二次系統(tǒng)的通道。對(duì)于牽引變電所來說，可以采取的屏蔽措施一是二次設(shè)備外殼采用屏蔽材料，使自身具有較強(qiáng)的抗干擾能力；二是二次電纜采用屏蔽電纜，由于不接地的屏蔽層對(duì)電場(chǎng)干擾沒有屏蔽作用，因此屏蔽層必須接地。為了進(jìn)一步降低雷電電磁場(chǎng)對(duì)二次電纜的電磁干擾，建議盡量以輻射狀敷設(shè)所內(nèi)的二次電纜；電纜屏蔽層的接地點(diǎn)應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離大雷電流入地點(diǎn)，如避雷針和避雷器的接地點(diǎn)。

2.4 隔離

牽引變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)接入的開關(guān)量采集回路主要是在隔離開關(guān)和斷路器的輔助接點(diǎn)處，而隔離開關(guān)和斷路器均處在強(qiáng)電回路中，可能會(huì)受到操作過電壓或者雷電過電壓的干擾，所以，這些回路在接入綜合自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)建議采取光耦隔離措施。另外，對(duì)于既有牽引變電所，在交直流系統(tǒng)內(nèi)增加浪涌保護(hù)器不方便實(shí)施時(shí)，可考慮加裝隔離變壓器。

3 結(jié)語

牽引變電所二次系統(tǒng)的防雷已逐漸引起人們的重視，同時(shí)，二次系統(tǒng)的防雷是一個(gè)系統(tǒng)工程，各項(xiàng)防雷措施需要綜合運(yùn)用才能確保牽引變電所二次系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。相對(duì)于一次設(shè)備已經(jīng)比較成熟的防雷保護(hù)方案，牽引變電所二次系統(tǒng)的防雷保護(hù)措施還不夠完善，仍需在實(shí)踐中不斷的補(bǔ)充和優(yōu)化。

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