牵引变电所防雷技术浅析

2015-09-22石文婷

电气开关 2015年1期

石文婷

(中铁第五勘察设计院集团有限公司四电设计院，北京 102600)

1 引言

随着电力系统的快速发展，电气化铁路也取得了飞速发展。电力牵引供电系统是由牵引变电所、牵引网以及其他辅助供电设施组成的供电系统。牵引变电所将电力系统的三相高压电转换成两个单相电，通过馈线分别供给两侧的接触网，起到了降压和分相的作用。牵引供电系统属于一级负荷，如果发生雷击事故，则会导致铁路运输的中断，造成重大经济损失和严重的社会影响。因此要求变电所的防雷措施必须十分可靠。

2 过电压的类型及分类

过电压是由于系统中的电磁场能量发生变化而引起的，电力系统的过电压可分为内部过电压和外部过电压。内部过电压可分为暂时过电压和操作过电压，是由于电力系统中的电场惯性元件和磁场惯性元件进行开关操作时，电力系统从一种稳定状态过渡到另一种稳定状态，系统内部参数发生变化导致电磁能量振荡和积累所引起的。而外部过电压也称为雷电(大气)过电压，是由于大气环境中雷电放电所引起的过电压，其可分为直击雷过电压和感应雷过电压。

3 雷电的电气参数

3.1 雷电的形成

雷电是大自然中的一种气体放电现象，雷电放电是由于雷云引起的放电现象。地面上的水分在太阳的照射下不断的蒸发形成上升的热气流，随着热气流的上升，空气温度不断下降，热气流在低温下逐步凝结成水滴或冰晶。水滴和冰晶中复杂的电荷分离过程及强烈的气流作用便会形成带电的雷云。一般而言，在5～10km的高空中主要为正电荷云层，在1～5km的高度中主要为负电荷云层，但在云层底部也有少量的正电荷聚集，如图1所示。

2.2 雷电流的等值电路

雷电的极性主要是指雷云下行到大地的电荷极性，因此绝大多数的雷击都是负极性的。由于雷云及先导电场的作用，大地被感应出与雷云极性相反的电荷。当先导发展到离大地一定距离时，先导头部与大地之间的空气间隙会被击穿。因此，可以认为雷云放电就是一种超长间隙的火花，并且主放电自雷击点沿通道向上发展。雷击大地时的主放电过程可见图2所示。

图1 雷云中的电荷分布

图2 雷击大地时的主放电过程

为先导中的电荷线密度，vL为主放电速度，则雷击土壤电阻率为零的大地时，流入大地的电流为·vL。并且，雷电通道具有分布参数的特征，其波阻抗为Z0。若雷击于避雷针、线路杆塔、地线或导线时，则流经物体的电流波iz可用下式计算:iz=·vL，zj为被击物体的波阻抗。等值电路如图3所示。

图3 雷电流的等值电路

4 变电所的防雷保护措施

4.1 避雷针

牵引变电所围墙内一般设置四支独立避雷针以防止直击雷对变电所内设备的侵害，开闭所或分区所内可设置一支独立避雷针进行防护，避雷针将雷电吸引到避雷针上并安全地将雷电流引入大地从而保护了设备。但要求避雷针必须要有良好的接地，并且要求被保护物体必须处于避雷针的保护范围内。避雷针的保护范围简要分析如下:

4.1.1 单支避雷针的保护范围

(1)当hx≥时 rx=(h－hx)p=hap

式中，rx为避雷针在 hx水平面上的保护半径(m);h为避雷针的高度(m);hx为被保护物的高度(m);ha为避雷针的有效高度(m);p为高度影响系数(h≤30m，p=1;30m ＜h≤120m，p=;h＞120m，p=0.5)

(2)当hx＜时 rx=(1.5h－2hx)p

4.1.2 双支等高避雷针的保护范围

(1)两针外侧的保护范围应按单支避雷针的计算方法确定。

(2)两针间的保护范围按下式计算

h0=h－

式中，h0为两针间保护范围上部边缘最低点高度(m);D为两避雷针间的距离(m)

两针间hx水平面上保护范围的一侧最小宽度bx按下式计算:bx=1.5(h0－hx)

当D=7hap时，bx=0

4.1.3 多支等高避雷针的保护范围

(1)三支等高避雷针所形成的三角形的外侧保护范围分别按两支等高避雷针的方法确定。如在三针内侧各相邻避雷针间保护范围的一侧最小宽度bx≥0时，则全部面积均可受到保护。

(2)四支及以上等高避雷针所形成的四角形或多角形，分别按三支等高避雷针的方法计算。如各边的保护范围一侧最小宽度bx≥0时，则全部面积均可受到保护。

4.1.4 工程实例

(1)牵引变电所

巴准线四道柳牵引变电所总平面设计长70m，宽58m，变电所内110kV侧杆塔及架构最高为10m，因此hx为10m，本所设计采用四支等高25m独立避雷针来保护全所架构、牵引变压器以及附属生产房屋，避雷针保护范围计算如表1所示。

该牵引变电所的防雷保护范围设计图如图4所示。

(2)开闭所

某煤炭铁路专用线设计采用箱式开闭所供电，箱式开闭所总平面设计长16m，宽16m，被保护物的高度为7.3m，设计采用单支20m高独立避雷针进行防雷保护。由Rx=(1.5H－2Hx)P计算得出，本箱式开闭所避雷针的保护半径为15.4m。因此该箱式开闭所的防雷保护范围设计图如图5所示。

表1 避雷针保护范围计算表(单位:米)

图4

图5

4.2 避雷器

4.2.1 氧化锌避雷器

虽然牵引变电所内装设避雷针可有效防止直击雷的损害，但是变电所内电气设备仍有被雷击的可能性。由于雷电的绕击和反击，当雷击线路和线路附近的大地时，在牵引网上就会产生过电压，它们将以流动波的形式沿线路传到牵引变电所内，危机变电所内牵引变压器等电气设备的安全运行。因此在牵引变电所内27.5kV侧还需装设相应电压等级的氧化锌避雷器以限制雷电波的幅值，从而保证牵引变电所的安全运行。

近年来使用的避雷器主要有四种类型:①保护间隙;②排气式避雷器;③阀式避雷器;④氧化锌避雷器。目前电气化铁路牵引变电所内一般使用氧化锌避雷器作为所内设备的保护装置。氧化锌避雷器是一种全新的避雷器，其具有极其优异的非线性特性，在正常工作电压下，其阻值很大，通过的漏电流很小;而在过电压的作用下，阻值会急剧变小。

4.2.2 氧化锌避雷器的优点

(1)ZnO避雷器可以省去串联的火花间隙，是一种无间隙避雷器，可以有效提高对变电所内设备保护的可靠性。

(2)ZnO避雷器无续流，在雷电的作用下，只吸收过电压能量，不吸收续流能量，因此具有耐受多重雷击的能力。

(3)ZnO阀片的流通能力大，提高了避雷器的动作负载能力，可以有效限制内部过电压。

(4)ZnO避雷器结构简单，尺寸小，重量轻，造价低，可有效减少牵引变电所的占地面积，节省工程投资。