鄧云川,林宗良,易志興,曹曉斌

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司,成都　610031； 2.西南交通大學電氣工程學院,成都　610031)

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抗雷線圈在變電所饋線防雷中的作用研究

鄧云川1,林宗良1,易志興2,曹曉斌2

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司,成都610031； 2.西南交通大學電氣工程學院,成都610031)

摘要：雷電波侵入是牽引變電所主要的雷害方式,牽引變電所饋線側抗雷線圈與避雷器的組合方式不同,對饋線側設備雷電過電壓的影響不同。擬通過仿真分析,探明抗雷線圈安裝方式及參數對變電所饋線側雷電過電壓的影響規(guī)律,明確抗雷線圈的防護效果,對設計提出建議。首先,通過電磁暫態(tài)仿真軟件建立變電所饋線側模型,分饋線側架設抗雷線圈和不架設抗雷線圈兩種情況進行研究；仿真得到雷電侵入變電所時,兩種情況下變電所設備的過電壓波形；通過比較分析過電壓波形的差異,得到不同情況下抗雷線圈的防雷效果。

關鍵詞：鐵路；牽引變電所；饋線；抗雷線圈

1概述

牽引變電所一旦發(fā)生雷害事故，將造成接觸網停電，中斷行車。雷電侵入波過電壓是牽引變電所發(fā)生事故的主要原因，現有的研究主要針對輸電線路，鐵路的防雷研究大部分也是針對接觸網，牽引變電所防雷研究相對較少。

牽引變電所進線側為110 kV或220 kV輸電線路，架設有避雷線和避雷器，而且絕緣等級高，對雷電侵入波的耐受能力強，不易損壞。而牽引變電所饋線側只有27.5 kV，電壓等級低，而且饋線側均無避雷線保護，容易受到雷擊，雷擊發(fā)生后，雷電流沿饋線或負饋線傳播，侵入牽引變電所內部，對高壓設備造成危害。

牽引變電所饋線側防雷設備主要有避雷器和抗雷線圈，文獻[1]分析了牽引變電所饋線避雷器的安裝地點與方式，文獻[2]提出避雷器和抗雷線圈的組合方式對牽引變電所內設備過電壓有較大的影響。文獻[3]討論了GIS牽引變電所饋線絕緣子閃絡情況、電纜長度及避雷器對雷電入侵波的影響。本文將在上述研究的基礎上，重點分析抗雷線圈在饋線防雷中所起的作用，以及其參數對饋線側過電壓的影響。

2計算模型

2.1雷電流分布模型

圖1　牽引變電所雷電入侵仿真模型

當高速鐵路牽引變電所饋線側設備及臨近變電所的接觸網遭受雷擊時，雷電流通過饋線及回流線侵入牽引變電所，對所內設備造成危害。為了研究饋線側雷電波侵入時變電設備上過電壓的幅值，本文搭建了如圖1所示的仿真模型。圖1中，雷電流采用2.6/50 μs的標準波形，雷電通道的波阻抗取300 Ω，充分考慮到線路的分流作用，在雷擊點兩端均采用LCC線路模型，支柱處絕緣子采用壓控開關模型，絕緣子的沖擊閃絡電壓U50%取275 kV。當輸電線路發(fā)生雷擊故障時，如果線路電壓超過了絕緣子閃絡電壓，雷電流將擊穿線路絕緣子，一部分電流通過桿塔流入大地，另一部分沿線路侵入變電所，對變電所內高壓設備造成危害。

考慮各種設備運行老化等因素，計算中對各設備的絕緣保證強度的判據取設備額定沖擊耐受電壓(BIL)除以相應的安全系數，根據標準GB311.1—1997的規(guī)定，對內絕緣的安全配合因數(Kc)取為1.15。

因此，當設備上承受的雷電過電壓幅值高于表1中的絕緣保證強度時，即有可能對所內設備造成損壞。

表1　27.5 kV側設備雷電沖擊耐受水平

2.2抗雷線圈的安裝方式

基于初步仿真條件，對抗雷線圈和避雷器的安裝分為以下5種方式進行對比研究(避雷器伏安特性與前述相同，抗雷線圈電感值取0.5 mH)。

(1)饋線側無避雷器保護，無抗雷線圈；

(2)饋線側有避雷器保護，無抗雷線圈；

(3)饋線側無避雷器保護，有抗雷線圈；

(4)饋線側有避雷器和抗雷線圈，抗雷線圈位于避雷器與所內電氣設備之間；

(5)有避雷器和抗雷線圈，抗雷線圈位于避雷器與所內電氣設備外側。

3牽引變電所雷電過電壓分析

3.1抗雷線圈安裝方式對過電壓的影響

由于雷電過電壓從饋線側侵入牽引變電所時，經過復雜的折反射，末端牽引變壓器上的過電壓應最高，其運行安全受威脅程度最大，因此，本小節(jié)主要考慮加入抗雷線圈后牽引變壓器上的過電壓幅值和波前陡度，5種方式下的牽引變壓器上過電壓幅值和波前陡度如表2所示。

表2　牽引變壓器上過電壓幅值和波前陡度

比較第1組和第2組可得，使用避雷器后，過電壓幅值降低了61.02%，效果非常明顯，但波前陡度卻基本不發(fā)生變化，如圖2所示。驗證了避雷器只能限制侵入波幅值，但對侵入波的波前陡度基本起不到降低的作用。

比較第1組和第3組可得，在不加入避雷器保護時使用抗雷線圈，波前陡度大幅度降低，達到34.38%；而幅值卻降低很少，只有4.42%，如圖3所示。說明抗雷線圈能很好地降低侵入波陡度，而限制侵入波幅值的作用卻十分有限。

圖2　第1組安裝和第2組安裝方案過電壓波形比較

圖3　第1組安裝和第3組安裝方案過電壓波形比較

比較第2組和第4組可得，在避雷器和牽引變電所設備之間加入抗雷線圈時，雖然可明顯限制波前陡度(下降了51.12%)，但過電壓幅值卻有所上升(上升了22.33%)，如圖4所示。說明抗雷線圈安裝于避雷器和牽引變電所設備之間，雖然可明顯降低波前陡度，但同時也削弱了避雷器對牽引變電所內設備的保護作用，使牽引變壓器上過電壓相對于只有避雷器保護時有所升高。

比較第2組和第5組可得，在避雷器和牽引變電所設備之前安裝抗雷線圈，不僅有助于限制波前陡度(下降了50.33%)，同時對降低過電壓幅值也有作用(下降了13.69%)；此外，比較第4組和第5組可得，抗雷線圈安裝方式的不同對限制波前陡度的作用相差無幾，但在避雷器和牽引變電所設備之前安裝抗雷線圈，可降低侵入波過電壓幅值，如圖4所示。

圖4　第2組安裝、第4組安裝和第五組安裝方案過電壓波形比較

3.2抗雷線圈的電感值對侵入波的影響

在確定了抗雷線圈的安裝方式后，選取電感值不同的抗雷線圈，觀察牽引變壓器上過電壓幅值和波前陡度，如表3所示。

將牽引變壓器上的過電壓幅值和其波前陡度隨抗雷線圈電感值變化的趨勢在EXCEL中繪制如圖5、圖6所示。

表3　不同抗雷線圈電感值的仿真計算結果

圖5　過電壓幅值隨抗雷線圈電感變化趨勢

圖6　電壓波前陡度隨抗雷線圈電感變化趨勢

從表3和圖3、圖6中可以得到，隨著抗雷線圈電感值的增加，牽引變壓器上過電壓幅值和波前陡度均減小，說明電感越大，對侵入波的限制作用越強。1 mH的抗雷線圈便可以將初步仿真條件下(30 kA，雷擊點距牽引變電所400 m)在末端牽引變壓器上的過電壓幅值限制在設備耐受值之下，并且將波前陡度也限制到了對防雷而言十分可觀的范圍內。

但同時也應注意到，抗雷線圈電感值越大，其生產成本也就越高，因此，在考慮防雷效果和經濟性的基礎上選擇合適的電感。電感值更大的抗雷線圈雖然防雷效果更加顯著，但成本過高使其經濟性降低，有悖于牽引供電系統(tǒng)設備選擇的基本準則。

4結論

本文通過仿真研究了抗雷線圈在牽引變電所饋線側防雷中的作用，通過仿真分析得出如下結論。

(1)由于抗雷線圈不具有能量釋放作用，只能延長雷電能量釋放時間，降低波前陡波，因此抗雷線圈單獨作用對降低變壓器上的雷電過電壓效果非常有限，必需與避雷器共同使用才能有較好的效果。

(2)抗雷線圈架設的位置對防雷效果的影響非常大，當抗雷線圈架設在牽引變電所的入口時，能有效延長雷電波作用在避雷器上的時間，放置在避雷器之后時，可以提高避雷器上作用電壓的幅值，相對而言，放置在避雷器之前的防雷效果最好。

(3)抗雷線圈的電感越大，對雷電侵入波的限制能力越強，但隨電感的增大，如電感值大于0.5 mH后，其效果快速下降，因此建議抗雷線圈取值在0.5～1.0 mH。

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Effect of Lightning-proof Reactor in Protection of Substation FeederDENG Yun-chuan1, LIN Zong-liang1, YI Zhi-xing2, CAO Xiao-bin2

(1.China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Chengdu 610031, China;

2.School of Electrical Engineering Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract：The invasion of lightning is the main lightning damage to the traction substation. Different combinations of lightning-proof reactor and arrester may pose different effects on lightning over-voltage of feeder side equipment. This paper tries to find out the effects of the installation methods and parameters of lightning-proof reactor on lightning over-voltage of feeder side equipment, to define the protection effects of lightning-proof reactor, and to put forward recommendations on the design. First, circuit models for substation feeder side are established with electro-magnetic transient simulation software to analyze the differences with lightning-proof reactor and without on feeder side. Then, over-voltage waveforms on equipment are obtained with simulation for the two circumstances. At last, lightning protection effects of lightning-proof reactor in different cases are obtained through analysis of the difference in over-voltage waveforms.

Key words：Railway; Traction substation; Feeder; Lightning-proof reactor

中圖分類號：U224； TM216

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.034

文章編號：1004-2954(2015)05-0150-03

作者簡介：鄧云川(1974—)，男，教授級高級工程師，1997年畢業(yè)于西南交通大學電氣工程系，工學學士；2003年畢業(yè)于西南交通大學電氣工程學院，工程碩士。

收稿日期：2014-08-26； 修回日期：2014-09-01