石文婷

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司四電設(shè)計院，北京 102600)

1 引言

隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電氣化鐵路也取得了飛速發(fā)展。電力牽引供電系統(tǒng)是由牽引變電所、牽引網(wǎng)以及其他輔助供電設(shè)施組成的供電系統(tǒng)。牽引變電所將電力系統(tǒng)的三相高壓電轉(zhuǎn)換成兩個單相電，通過饋線分別供給兩側(cè)的接觸網(wǎng)，起到了降壓和分相的作用。牽引供電系統(tǒng)屬于一級負(fù)荷，如果發(fā)生雷擊事故，則會導(dǎo)致鐵路運(yùn)輸?shù)闹袛啵斐芍卮蠼?jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會影響。因此要求變電所的防雷措施必須十分可靠。

2 過電壓的類型及分類

過電壓是由于系統(tǒng)中的電磁場能量發(fā)生變化而引起的，電力系統(tǒng)的過電壓可分為內(nèi)部過電壓和外部過電壓。內(nèi)部過電壓可分為暫時過電壓和操作過電壓，是由于電力系統(tǒng)中的電場慣性元件和磁場慣性元件進(jìn)行開關(guān)操作時，電力系統(tǒng)從一種穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一種穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)發(fā)生變化導(dǎo)致電磁能量振蕩和積累所引起的。而外部過電壓也稱為雷電(大氣)過電壓，是由于大氣環(huán)境中雷電放電所引起的過電壓，其可分為直擊雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓。

3 雷電的電氣參數(shù)

3.1 雷電的形成

雷電是大自然中的一種氣體放電現(xiàn)象，雷電放電是由于雷云引起的放電現(xiàn)象。地面上的水分在太陽的照射下不斷的蒸發(fā)形成上升的熱氣流，隨著熱氣流的上升，空氣溫度不斷下降，熱氣流在低溫下逐步凝結(jié)成水滴或冰晶。水滴和冰晶中復(fù)雜的電荷分離過程及強(qiáng)烈的氣流作用便會形成帶電的雷云。一般而言，在5～10km的高空中主要為正電荷云層，在1～5km的高度中主要為負(fù)電荷云層，但在云層底部也有少量的正電荷聚集，如圖1所示。

2.2 雷電流的等值電路

雷電的極性主要是指雷云下行到大地的電荷極性，因此絕大多數(shù)的雷擊都是負(fù)極性的。由于雷云及先導(dǎo)電場的作用，大地被感應(yīng)出與雷云極性相反的電荷。當(dāng)先導(dǎo)發(fā)展到離大地一定距離時，先導(dǎo)頭部與大地之間的空氣間隙會被擊穿。因此，可以認(rèn)為雷云放電就是一種超長間隙的火花，并且主放電自雷擊點(diǎn)沿通道向上發(fā)展。雷擊大地時的主放電過程可見圖2所示。

圖1 雷云中的電荷分布

圖2 雷擊大地時的主放電過程

為先導(dǎo)中的電荷線密度，vL為主放電速度，則雷擊土壤電阻率為零的大地時，流入大地的電流為·vL。并且，雷電通道具有分布參數(shù)的特征，其波阻抗為Z0。若雷擊于避雷針、線路桿塔、地線或?qū)Ь€時，則流經(jīng)物體的電流波iz可用下式計算:iz=·vL，zj為被擊物體的波阻抗。等值電路如圖3所示。

圖3 雷電流的等值電路

4 變電所的防雷保護(hù)措施

4.1 避雷針

牽引變電所圍墻內(nèi)一般設(shè)置四支獨(dú)立避雷針以防止直擊雷對變電所內(nèi)設(shè)備的侵害，開閉所或分區(qū)所內(nèi)可設(shè)置一支獨(dú)立避雷針進(jìn)行防護(hù)，避雷針將雷電吸引到避雷針上并安全地將雷電流引入大地從而保護(hù)了設(shè)備。但要求避雷針必須要有良好的接地，并且要求被保護(hù)物體必須處于避雷針的保護(hù)范圍內(nèi)。避雷針的保護(hù)范圍簡要分析如下:

4.1.1 單支避雷針的保護(hù)范圍

(1)當(dāng)hx≥時 rx=(h－h(huán)x)p=hap

式中，rx為避雷針在 hx水平面上的保護(hù)半徑(m);h為避雷針的高度(m);hx為被保護(hù)物的高度(m);ha為避雷針的有效高度(m);p為高度影響系數(shù)(h≤30m，p=1;30m ＜h≤120m，p=;h＞120m，p=0.5)

(2)當(dāng)hx＜時 rx=(1.5h－2hx)p

4.1.2 雙支等高避雷針的保護(hù)范圍

(1)兩針外側(cè)的保護(hù)范圍應(yīng)按單支避雷針的計算方法確定。

(2)兩針間的保護(hù)范圍按下式計算

h0=h－

式中，h0為兩針間保護(hù)范圍上部邊緣最低點(diǎn)高度(m);D為兩避雷針間的距離(m)

兩針間hx水平面上保護(hù)范圍的一側(cè)最小寬度bx按下式計算:bx=1.5(h0－h(huán)x)

當(dāng)D=7hap時，bx=0

4.1.3 多支等高避雷針的保護(hù)范圍

(1)三支等高避雷針?biāo)纬傻娜切蔚耐鈧?cè)保護(hù)范圍分別按兩支等高避雷針的方法確定。如在三針內(nèi)側(cè)各相鄰避雷針間保護(hù)范圍的一側(cè)最小寬度bx≥0時，則全部面積均可受到保護(hù)。

(2)四支及以上等高避雷針?biāo)纬傻乃慕切位蚨嘟切?，分別按三支等高避雷針的方法計算。如各邊的保護(hù)范圍一側(cè)最小寬度bx≥0時，則全部面積均可受到保護(hù)。

4.1.4 工程實例

(1)牽引變電所

巴準(zhǔn)線四道柳牽引變電所總平面設(shè)計長70m，寬58m，變電所內(nèi)110kV側(cè)桿塔及架構(gòu)最高為10m，因此hx為10m，本所設(shè)計采用四支等高25m獨(dú)立避雷針來保護(hù)全所架構(gòu)、牽引變壓器以及附屬生產(chǎn)房屋，避雷針保護(hù)范圍計算如表1所示。

該牽引變電所的防雷保護(hù)范圍設(shè)計圖如圖4所示。

(2)開閉所

某煤炭鐵路專用線設(shè)計采用箱式開閉所供電，箱式開閉所總平面設(shè)計長16m，寬16m，被保護(hù)物的高度為7.3m，設(shè)計采用單支20m高獨(dú)立避雷針進(jìn)行防雷保護(hù)。由Rx=(1.5H－2Hx)P計算得出，本箱式開閉所避雷針的保護(hù)半徑為15.4m。因此該箱式開閉所的防雷保護(hù)范圍設(shè)計圖如圖5所示。

表1 避雷針保護(hù)范圍計算表(單位:米)

圖4

圖5

4.2 避雷器

4.2.1 氧化鋅避雷器

雖然牽引變電所內(nèi)裝設(shè)避雷針可有效防止直擊雷的損害，但是變電所內(nèi)電氣設(shè)備仍有被雷擊的可能性。由于雷電的繞擊和反擊，當(dāng)雷擊線路和線路附近的大地時，在牽引網(wǎng)上就會產(chǎn)生過電壓，它們將以流動波的形式沿線路傳到牽引變電所內(nèi)，危機(jī)變電所內(nèi)牽引變壓器等電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。因此在牽引變電所內(nèi)27.5kV側(cè)還需裝設(shè)相應(yīng)電壓等級的氧化鋅避雷器以限制雷電波的幅值，從而保證牽引變電所的安全運(yùn)行。

近年來使用的避雷器主要有四種類型:①保護(hù)間隙;②排氣式避雷器;③閥式避雷器;④氧化鋅避雷器。目前電氣化鐵路牽引變電所內(nèi)一般使用氧化鋅避雷器作為所內(nèi)設(shè)備的保護(hù)裝置。氧化鋅避雷器是一種全新的避雷器，其具有極其優(yōu)異的非線性特性，在正常工作電壓下，其阻值很大，通過的漏電流很小;而在過電壓的作用下，阻值會急劇變小。

4.2.2 氧化鋅避雷器的優(yōu)點(diǎn)

(1)ZnO避雷器可以省去串聯(lián)的火花間隙，是一種無間隙避雷器，可以有效提高對變電所內(nèi)設(shè)備保護(hù)的可靠性。

(2)ZnO避雷器無續(xù)流，在雷電的作用下，只吸收過電壓能量，不吸收續(xù)流能量，因此具有耐受多重雷擊的能力。

(3)ZnO閥片的流通能力大，提高了避雷器的動作負(fù)載能力，可以有效限制內(nèi)部過電壓。

(4)ZnO避雷器結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕，造價低，可有效減少牽引變電所的占地面積，節(jié)省工程投資。

5 結(jié)束語

牽引變電所的防雷保護(hù)與電氣化鐵路的安全運(yùn)行息息相關(guān)，因此，我們要對牽引變電所的設(shè)備進(jìn)行全面、可靠的防雷保護(hù)，以保證牽引變電所供電的穩(wěn)定性、安全性、可靠性，為電氣化鐵路的安全運(yùn)行提供可靠的保障。

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