侯啟方

0 引言

隨著國(guó)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(guò)壓及過(guò)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(guò)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(kāi)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(guó)是雷電活動(dòng)十分頻繁的國(guó)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(lái)，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(wú)論是直擊雷還是感應(yīng)雷都會(huì)引起浪涌過(guò)電壓，浪涌過(guò)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(guò)電壓

雷擊牽引變電所內(nèi)外供電線路，雖然經(jīng)過(guò)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(guò)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(lái)說(shuō)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(guò)電壓的可能性也很大。雷電波通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)說(shuō)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(guò)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(guò)電壓都可能通過(guò)通信電纜傳導(dǎo)至綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，或者通過(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)電壓，過(guò)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(guò)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(guò)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(lèi)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(pán)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)電壓可能導(dǎo)致該類(lèi)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(guò)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(guò)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(lái)說(shuō)，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(méi)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(kāi)關(guān)量采集回路主要是在隔離開(kāi)關(guān)和斷路器的輔助接點(diǎn)處，而隔離開(kāi)關(guān)和斷路器均處在強(qiáng)電回路中，可能會(huì)受到操作過(guò)電壓或者雷電過(guò)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(yǔ)

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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