淺析牽引變電所電涌保護(hù)

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司電化通號設(shè)計處，北京 102600)

1 引言

近年來，隨著鐵路建設(shè)事業(yè)的跨越式發(fā)展，電氣化鐵路在國家鐵路建設(shè)中的作用已越來越重要。雖然牽引變電所會在所內(nèi)裝設(shè)避雷針以防止直擊雷的傷害，同時在進(jìn)、出線裝設(shè)氧化鋅避雷器以防止雷電侵入波的感應(yīng)雷過電壓，然而各類雷擊事件仍時有發(fā)生，不但造成大量一次設(shè)備燒毀，也造成了部分二次設(shè)備損壞，甚至可能引起綜合自動化系統(tǒng)退出等事故，這對于牽引變電所的安全運行及供電的可靠性構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。因此，有必要深化研究雷電的入侵途徑，提出防雷加強保護(hù)措施，減少雷擊事故的發(fā)生。

2 雷電的分類及防雷的必要性

雷電是帶有電荷的雷云之間或雷云對大地(或物體)之間產(chǎn)生急劇放電的一種自然現(xiàn)象，雷電導(dǎo)致鐵路系統(tǒng)設(shè)備損壞的主要形式有直擊雷和感應(yīng)雷。直擊雷是雷云直接對建筑物或其他物體放電，其過電壓可引起強大的雷電流，雷電流流經(jīng)電氣設(shè)備產(chǎn)生極高的熱量，可燒斷變電所內(nèi)導(dǎo)線，燒毀設(shè)備，甚至引起火災(zāi)或爆炸事故。感應(yīng)雷可分為靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)。靜電感應(yīng)是雷云接近地面時，在比較突出的建筑物頂端會被感應(yīng)出大量的異性電荷，一旦雷云與其他異性雷云放電，建筑物頂端的感應(yīng)電荷就失去束縛，以雷電波的形式高速傳播。電磁感應(yīng)是發(fā)生雷擊后，雷電流在周圍空間產(chǎn)生迅速變化的磁場，在附近的金屬導(dǎo)體上就會感應(yīng)出很高的電壓。實際運營中，感應(yīng)雷發(fā)生的機率常比直擊雷高，其主要危害對象是變電所綜自系統(tǒng)弱電設(shè)備。

目前，對于現(xiàn)代電氣化鐵路雷電防護(hù)，已逐步向綜合防雷系統(tǒng)發(fā)展。綜合防雷系統(tǒng)可對控制室內(nèi)綜自、視頻以及通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的浪涌侵入進(jìn)行全方位防護(hù)，有效防止雷電過電壓給鐵路牽引變電所二次系統(tǒng)造成的危害，保障人身和設(shè)備安全。綜合防雷系統(tǒng)有內(nèi)部防雷措施和外部防雷措施，在內(nèi)部防雷措施中可采用安裝電涌保護(hù)器的方法，同時對電涌保護(hù)器進(jìn)行實時監(jiān)視，以達(dá)到對雷電的有效防護(hù)，本文重點研究安裝電涌保護(hù)器的防雷措施。

3 電涌保護(hù)器的原理及配置

3.1 電涌保護(hù)器的基本原理

電涌保護(hù)器(SPD)又稱浪涌保護(hù)器，可用于保護(hù)耐壓水平低的電子器件免遭雷擊、雷擊電磁脈沖或操作過電壓損害的防護(hù)器件。在感應(yīng)雷的防護(hù)中，電涌保護(hù)器(SPD)是不可缺少的裝置，它能根據(jù)各種線路中出現(xiàn)的過電壓過電流及時做出反應(yīng)，把因雷擊而產(chǎn)生的的大量脈沖能量泄放到大地，從而達(dá)到保護(hù)電氣設(shè)備的目的。

圖1 電涌保護(hù)器工作原理圖

3.2 電涌保護(hù)器的分類

電涌保護(hù)器可分為電壓開關(guān)型、限壓型及組合型。電壓開關(guān)型SPD：核心保護(hù)元件是各種開關(guān)型器件，在沒有瞬時過電壓時呈現(xiàn)高阻抗，一旦流過雷電瞬時過電壓，其阻抗就突變?yōu)榈妥杩梗试S雷電流通過，從而有效保護(hù)了設(shè)備。限壓型SPD：核心保護(hù)元件為各種非線性電阻性元件，當(dāng)沒有瞬時過電壓時為高阻抗，但隨電涌電流和電壓的增加，其阻抗會不斷減小，其電流電壓特性為強烈非線性。組合型SPD：組合型SPD是前兩者組合而成，兩者既可并聯(lián)也可串聯(lián)，SPD可顯示為兩者兼有的特性或某一單獨特性。

3.3 電涌保護(hù)器的配置

根據(jù)規(guī)定，對于牽引變電所二次系統(tǒng)電源回路電涌保護(hù)器建議按照如下要求進(jìn)行配置：

(1) 在牽引變電所交流配電屏進(jìn)線入口處安裝具有相對地、中對地保護(hù)模式的第一級(開關(guān)型或限壓型)電涌保護(hù)器；

(2) 在室外照明回路配電箱及接觸網(wǎng)隔離開關(guān)交流出線處裝設(shè)相對地、中對地保護(hù)模式的第一級電涌保護(hù)器；

(3) 在充電模塊電源入口、綜合自動化系統(tǒng)交流電源入口、安全監(jiān)控屏交流電源入口、接觸網(wǎng)隔離開關(guān)控制屏交流電源入口安裝一組具有相對地、中對地保護(hù)模式的第二級電涌保護(hù)器；

(4) 在直流屏的直流母線(合母、控母)安裝一組具有正負(fù)極間、正負(fù)極對地保護(hù)模式的第一級直流電涌保護(hù)器，正負(fù)極對地保護(hù)應(yīng)采用壓敏電阻串聯(lián)氣體放電管模式；

(5) 在綜合自動化系統(tǒng)直流電源入口安裝一組具有正負(fù)極間、正負(fù)極對地保護(hù)模式的第二級直流電涌保護(hù)器。

各級電涌保護(hù)器(SPD)配置見表1。

表1 牽引變電所電源回路各級SPD配置要求

3.4 電涌保護(hù)器的安裝

(1) 電涌保護(hù)器的連接導(dǎo)線應(yīng)短直，其長度不宜超過0.5m，并固定牢靠，電涌保護(hù)器的接地端應(yīng)以最短距離與所處防雷區(qū)的等電位接地端子板連接。

(2) 電涌保護(hù)器的連接導(dǎo)線最小截面一般應(yīng)符合表2。

表2

(3)目前鑒于現(xiàn)場分散安裝SPD的數(shù)量較多，且受空間和布局影響，不便于對所有SPD的運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，也可設(shè)置一面綜合防雷屏，將SPD采用集中布置方式，進(jìn)行集中監(jiān)控。

4 工程實例

例1：某一牽引變電所控制室內(nèi)安裝了感溫感煙探測器、碎窗探測器、溫濕探測器、水浸探測器等各類監(jiān)控設(shè)備，監(jiān)控設(shè)備均由控制室內(nèi)的安全監(jiān)控屏進(jìn)行集中監(jiān)控，為保障所內(nèi)安全監(jiān)控系統(tǒng)免受雷電過電壓的危害，在安全監(jiān)控屏與室外監(jiān)控線間就需加裝電涌保護(hù)器。

例2：某牽引變電所交流一次系統(tǒng)中，所用變低壓側(cè)至交流屏的三根相線，在交流配電屏進(jìn)線入口處安裝具有相對地、中對地保護(hù)模式的第一級(開關(guān)型或限壓型)電涌保護(hù)器。

圖2

圖3

5 結(jié)束語

由于雷電會對電氣化鐵路的安全可靠運行造成極為不利的影響，因此我們必須要重視對雷電的有效監(jiān)控與防護(hù)。對于現(xiàn)代電氣化鐵路進(jìn)行雷電防護(hù)僅依靠裝設(shè)避雷針、避雷器已不能達(dá)到對雷電的良好防護(hù)作用，還要充分考慮對浪涌電壓的防護(hù)，從而更有效的保護(hù)牽引變電所二次系統(tǒng)免受雷擊。并且可結(jié)合工程實際，考慮設(shè)置綜合防雷屏，將電涌保護(hù)器采用集中布置方式，進(jìn)行集中監(jiān)控。