牵引变电所二次系统防雷措施研究

2014-03-13侯启方

电气化铁道 2014年3期

侯启方

0 引言

随着国内电子技术水平及电气化铁路牵引变电所自动化程度的不断提高，牵引变电所二次系统中的控制、保护、信号、通信、监控、交直流等装置大量采用电子元器件。这些微电子装置工作电压低，耐过压及过电流的水平低，抗雷电电磁脉冲的能力差，易遭受雷电的危害及干扰而不能正常工作[1，2]。目前牵引变电所高压设备的防雷措施已比较完善，设置有独立避雷针以防止直击雷对所内设施的侵害，在牵引变电所进线或跨条两侧、牵引变压器低压侧、27.5 kV 馈线侧均设有相应等级的氧化锌避雷器，以防止雷电波的危害。但是二次系统的过电压防护能力还比较弱，防雷保护措施还不够完善，影响了牵引供电系统的安全可靠运行。因此开展牵引变电所二次系统防雷措施的研究有较强的实际意义。

1 雷电侵入牵引变电所二次系统的途径

我国是雷电活动十分频繁的国家，而牵引变电所又有很多位于山区，遭受雷击的概率较大。近年来，牵引变电所内二次系统设备因雷击而损害的情况时有发生。无论是直击雷还是感应雷都会引起浪涌过电压，浪涌过电压是导致二次系统设备损害的最重要原因[2，3]。结合牵引变电所内设备配置情况、布置形式及电力系统变电站运行经验[4～7]，分析得出雷电侵入牵引变电所二次系统主要有以下几种途径。

1.1 交直流电源系统引入雷电过电压

雷击牵引变电所内外供电线路，虽然经过所内多级避雷器削峰，电压幅值大为下降，但由于雷电波的电压、能量极高，仍有可能以幅值很高的尖峰脉冲形式通过所用变压器传递至交直流系统。该尖峰电压对高压设备不会造成危害，但是对于耐压值很低的二次设备来说还是很高，轻则加速设备老化，重则会导致各功能模块损坏，二次系统不能正常工作。另外，牵引变电所控制室至室外高压设备间有大量的控制电缆，遭受感应雷过电压的可能性也很大。雷电波通过所用变压器侵入电源系统的示意如图1 所示。

图1 雷电波侵入交流电源系统示意图

1.2 电压电流互感器引入雷电过电压

牵引变电所内的电压互感器及电流互感器一次侧均接于高压部分，有可能将高压线路上的雷电过电压由一次侧耦合至二次侧，由互感器二次电缆直接传至综合自动化设备，可能损害保护测控装置、自投装置及计量装置等。

1.3 接地系统引入雷电过电压

由于目前在牵引变电所接地网设计时常常把接地电阻作为主要的考核指标，而不太关注接触电势和跨步电势，导致很多地网均压效果不好。当牵引变电所遭受雷击时，雷电流通过避雷针、避雷器等的引下线流入变电所接地网并向大地散流。如果接地网的均压效果不好，强大的雷电流将会使变电所接地网局部电位升高，导致地网电位分布不均，设备接地线可能处于高电位，与设备外接的电源、通信线路间产生电位差，电位差都加在设备上，从而导致低压设备损坏。

1.4 通信线路引入雷电过电压

目前牵引变电所与外部系统的通信大都采用光纤通信，因此，对于牵引变电所来说主要是GPS天线可能将雷电压引入综合自动化系统。另外，牵引变电所内远动通信设备、交直流系统、油色谱在线监测系统、接触网监控系统等很多设备都通过通信线缆与综合自动化系统接口，这些子系统中的过电压都可能通过通信电缆传导至综合自动化系统，或者通过综合自动化系统传导至各子系统，并直接导致接口损坏。

1.5 雷电电磁场引起过电压

变电所的电磁环境分为工频电磁环境和瞬态电磁环境，而瞬态电磁环境包括雷击变电所及其附近时产生的脉冲磁场及变电所开关操作时产生的瞬变电场和磁场[8]。雷击牵引变电所或其附近时，高压设备区的各种二次电缆都可能产生瞬变电磁场，该电磁场使室内的线路感应到过电压，过电压直接传到控制室内的二次设备。

2 牵引变电所二次系统防雷措施

针对上述雷电侵入牵引变电所二次系统的几种主要途径，结合牵引变电所运行及设备配置情况，得出要从限制过电压幅度、接地系统设计、屏蔽及隔离等几方面采取措施，防止雷电过电压对二次设备的损害。

2.1 加装浪涌保护器

对电源系统及通信回路的防护，应从控制室内交流系统、直流系统、重要的交直流馈电回路、各类通信接口等全面考虑。目前，较为有效的措施是在交直流电源系统、综合自动化系统及通信接口适当的位置加装浪涌保护器（SPD）。浪涌保护器的典型原理图如图2 所示。当浪涌保护器上出现过电压时，作为速度最快的元件瞬变电压抑制二极管（TVS）首先动作，并开始泄放电流，输出电压被钳位在其截止电压上，可以有效避免过电压对设备的损害。随着TVS 中的放电电流幅值不断增大，加在充气式放电器（GDT）两端的电压也将升高，当满足US+ΔU≥UC，即两端电压高于其点火电压UC时，GDT 将动作，并泄放电流；此时，处于低阻状态的GDT 两端只存在10～30 V 的电弧电压，可防止长时间持续过电压将TVS 烧毁。

图2 浪涌保护器典型原理图

结合牵引变电所二次系统配置情况，建议浪涌保护器的配置原则：在交流屏的2 路电源进线、各段母线上分别安装1 台电源SPD，防止雷击过电压侵入交直流系统，可将大部分雷电流泄放到大地中，初步保护整个二次系统的安全。在交流盘至UPS 电源、通信室等重要的馈出回路上设置电源SPD，以保证UPS 电源及远动通信设备的安全可靠运行。在直流屏进线端设置电源SPD，确保直流电源系统的抗雷击过电压能力。在直流屏的控制母线和合闸母线上均设置电源SPD，防止合闸电源线缆进出高压设备区感应的雷电过电压，控制电缆在电缆沟中受雷电电磁场的影响或其他电缆的感应产生的过电压。

综合自动化系统是牵引变电所二次系统的核心，为确保综合自动化系统的安全，需在综合自动化系统的以下位置设置电源SPD：接引交直流电源的端子排连接处；接引电压电流互感器二次侧的电缆连接处。开关量采集若是直接接入二次系统，应在端子排电缆连接处考虑防浪涌措施。

由于牵引变电所的二次设备之间通信主要采用BNC、RJ45、RS232、RS485 等接口，感应雷击过电压可能导致该类通信端口损坏，因此，需在这些通信接口处安装信号SPD。GPS 时钟的天线接口处也应安装信号SPD。控制室内，装有从室外引入监控线的视频监控屏，其上应安装信号SPD。

2.2 合理设计接地装置

一个良好的接地系统对牵引变电所二次系统过电压防护至关重要。在接地网设计时，不能只关注接地电阻值，更要验算接触电势和跨步电势。设计地网时尽量采用均压效果更好的方孔接地网；根据接触电势和跨步电势的验算或仿真情况合理设置水平均压带，避免雷击时地电位不均而损坏二次系统。在避雷器及避雷针处应尽量多布置一些垂直接地体，利于雷电流的尽快散泄，防止雷电流过大引起局部电位升高。地网施工时应确保设备接地线与主地网的可靠连接。

2.3 屏蔽

屏蔽就是阻断雷电电磁场侵入二次系统的通道。对于牵引变电所来说，可以采取的屏蔽措施一是二次设备外壳采用屏蔽材料，使自身具有较强的抗干扰能力；二是二次电缆采用屏蔽电缆，由于不接地的屏蔽层对电场干扰没有屏蔽作用，因此屏蔽层必须接地。为了进一步降低雷电电磁场对二次电缆的电磁干扰，建议尽量以辐射状敷设所内的二次电缆；电缆屏蔽层的接地点应尽可能远离大雷电流入地点，如避雷针和避雷器的接地点。

2.4 隔离

牵引变电所综合自动化系统接入的开关量采集回路主要是在隔离开关和断路器的辅助接点处，而隔离开关和断路器均处在强电回路中，可能会受到操作过电压或者雷电过电压的干扰，所以，这些回路在接入综合自动化系统时建议采取光耦隔离措施。另外，对于既有牵引变电所，在交直流系统内增加浪涌保护器不方便实施时，可考虑加装隔离变压器。