牽引供電系統預防雷擊侵害研究

呂乃全

摘 要：針對牽引供電系統供電線防雷、接觸網隔離開關接地方案和所內綜自系統的電源回路分析，提出接觸網架設避雷線、完善隔離開關接地、綜自系統電源回路改進等提高牽引供電系統防雷可靠性的技術措施。

關鍵詞：牽引供電系統；雷擊；接地；電源；防護

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

1 前言

牽引供電系統線路大多露天架設，極易受到雷電侵害。我國牽引供電系統在防雷、接地保護方面，按照《高速鐵路設計規范》、《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范》、《交流電氣裝置的接地設計規范》等進行了完善的過電壓和接地系統設計。本文在設計規范的基礎上，對牽引供電系統防雷措施做進一步探討。

1.1 變電所防雷

雷電對變電所侵害，一是雷電直擊電力設備，二是以雷電波的方式破壞系統。變電所的防雷，一次方面，主要是在場坪內設置獨立避雷針作為室外設備的直擊雷防護。在電源進線側、牽引變壓器二次側、饋線側設置避雷器作為雷電侵入波防護。二次方面，通過在二次回路裝設防涌流保護單元，提高二次設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合接地體形式，接地網埋深不小于0.8m，水平接地體根據鐵路等級不同選用銅絞線或扁鋼，架構、設備、端子箱外殼、接地回流箱外殼采用接地引下線與接地網相連。高速鐵路所內接地網采用2根截面70 mm?或35mm?的銅芯電纜與綜合地網連接[1]。獨立避雷針的接地裝置與所內接地網地中距離不小于3m，接地電阻不大于10Ω。

2 對二次設備影響的主要因素

近幾年來，鐵路發生了多起雷擊造成變電所設備大面積燒損事故，限制了鐵路運輸能力，對鐵路運輸影響極大。

導致設備燒損的直接原因，一是雷電擊穿電氣絕緣產生的工頻續流，二是雷電入侵后，摧毀綜自系統導致保護失效，從而不能及時切斷工頻續流。

雷電影響變電所設備的原因主要有以下幾種：（1）直擊雷落在變電所內導線或架構，導致一次設備如絕緣子炸裂、避雷器爆炸，地電位抬升，影響二次設備安全運行。由于獨立避雷針的設置，直擊雷落在所內的概率較小。（2）雷擊所外供電線，強大的電流損壞饋線出口避雷器，失去對雷電侵入波的防護。（3）雷擊所外架空回流線，雷電流通過回流電纜進入所內集中接地箱或端子箱，引起地電位的抬升，導致二次設備故障。（4）接觸網隔離開關遭雷擊，造成機構箱電位抬升，燒損設備；并通過電纜引入所內，進而影響所內二次設備。（5）雷擊附近區域，由于電磁耦合作用，產生感應電壓，影響二次設備的安全運行。（6）綜自系統二次回路電源失壓，導致保護失效，引發次生災害。通過分析，（2）（4）（6）項危害較大。

3 解決措施

一是降低雷電波從一、二次侵入變電所的概率，將雷電產生的能量泄放在線路上；二是提高變電所二次系統抗雷電入侵能力，縮小二次保護的損壞范圍；三是增加電源應急保護，當變電所保護整體失效時，電源回路斷電，整體退出運行，切斷可能產生的工頻續流，保證一次設備不被燒損。

3.1 近所亭端架空供電線或接觸網加設避雷線

若雷擊發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，當雷電流經避雷器動作后，產生的負電壓波折回到雷擊點，又在該點產生負反射波到達避雷器時，避雷器的雷電流已經過了峰值。

即變電所饋出線至少在750米的范圍內應架設避雷線。如此，直擊雷只能落在該范圍之外的接觸網導線上。當發生雷擊時，會因為進線段導線的波阻抗，使流進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 接觸網隔離開關接地和電源加強措施

（1）接觸網隔離開關的接地引入變電所地網。不同的地網，將使在隔離開關處的地電位抬升加于兩側控制裝置，解決問題的最好方法是將兩側接地進行連接，當隔離開關發生閃絡或短路接地時，使得短路電流有一個很好的回流通路，從而降低地電位的抬升，避免燒損二次設備。隔離開關的接地裝置與變電所主接地網在地中連接線宜采用裸導線，埋在地中的長度不應小于15m。

（2）接觸網隔離開關交流電源回路設置防雷隔離措施。交流電源饋出側設置隔離變壓器。由隔離變壓器的初級線圈饋出電源至接觸網隔離開關，浪涌過電壓由初級線圈侵入時實現隔離，隔離變壓器兩側均不接地。

3.3 提高綜自系統直流電源供電可靠性

（1）輻射狀供電。綜自系統各測控單元分別采用輻射供電方式，如圖1。任一測控屏發生失電故障，不會影響到其他供電回路。對于各保護測控盤，雖然只有一路電源，由于直流屏和測控屏都布置在控制室內，電源發生故障的概率較低，能夠保證供電可靠性。（2）分組環狀供電。結合環狀供電和輻射狀供電兩種方案的優點，對綜自系統各測控單元分別采用分組環狀供電方式，如圖2。分兩個區域：主變保護測控和所內監控部分、饋線保護測控部分。（3）方案比較。分組環狀供電方式，對綜自系統供電可靠性的提高作用明顯，且直流屏饋線回路數增加不多，實施容易，適合既有變電所的改造，只需利用直流屏兩個預留回路；輻射狀供電在電力110kV及以上變電站應用廣泛，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 增設電源進線應急保護

在變電所內增設電源回路應急保護系統，單獨設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關采集信號，當控制母線失電或饋出開關全部跳閘時，控制模塊直接驅動電源進線斷路器跳閘，整所退出運行。

4 結論

牽引供電系統仿強雷入侵是一門綜合性的學科，需從接地、屏蔽、均壓、限幅、隔離等多個方面采取措施，重點是做好變電所與接觸網的結合部設計。變電所附近架設避雷線可防止或降低雷電從一次回路引入變電所的概率。接觸網隔離開關操作機構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不會整體失效，進線電源應急保護措施可保證綜自系統失效時變電所退出運行。這些措施將大大提高變電所防強電侵入的綜合能力。

參考文獻：

[1]鐵集成[2010]258號 關于印發《客運專線鐵路牽引供電及電力供電系統集成若干問題的指導意見》的通知.

[2]GB/T 50065-2011 交流電氣裝置的接地設計規范.

[3]胡正偉.雷電波波頭、波尾時間數值分布的統計分析[J].高電壓技術，1997（12）：71-72.

[4]GB/T 50064-2014 交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范.