1、牵引供电系统的过电压与防雷研究摘要：牵引供电系统的安全可靠运行是保证电气化铁路安全运行的前提，但近几年来雷击产生的过电压引起大量设备故障，严重影响了供电设备的安全运行。论文针对此问题，有针对性的提出了解决方法，在一定程度上减少了雷击对客运专线牵引供电系统的影响，保障了供电系统的安全可靠。 关键词：接触网 牵引变电所 防雷 过电压 中图分类号： F407 文献标识码： A 铁路高速化是世界铁路的发展方向，它具有速度快、运能大、安全好、节省能源等优点。根据牵引供电部门统计，2011 年 7 月至 9 月京沪高铁由于雷击原因引起变电所跳闸的故障多达四百余起，重合闸不成功的多达 71 起。严重影响了行
2、车安全，给交通运输造成很大的负面影响。2013 年底铁路营业里程突破 10 万公里，高铁营业里程也突破了 1 万公里，部分线路雷击事故比较频繁，所以应重视牵引供电系统的过电压及防雷设计。 1.过电压的形式 过电压是指在电气线路或电气设备上出现的超过正常工作要求的电压。在电力系统中，接地电压产生的原因不同，可分为内部过电压和雷电过电压。内部过电压分别为操作过电压和谐振过电压等形成，对电力线路和电气设备绝缘的威胁不是很大。电力系统内的设备或构筑物遭受直接雷击或感应雷引起的过电压，引起这种过电压的能量来源于外界，又称外部过电压。雷电过电压产生的冲击波，其电压幅值可达 1 亿伏，其电流幅值可达几十万安
3、培，因此对电力系统危害极大，必须采取有效措施加以防护。 2. 牵引变电所的防雷保护 变电所雷击的来源。一是雷直击于变电所的设备上；二是架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电所。变电所对于直击雷的保护一般采取装设避雷针或采用沿变电所进线段一定距离内架设避雷线来解决。 架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电所，是导致变电所雷害的主要原因，若不采取防护措施，势必造成变电所电气设备绝缘损坏，引发事故。在变电所内装设避雷器的目的在于限制入侵雷电波的幅值，使电气设备的过电压不致于超过其冲击耐压值。而变电所的进线段上装设保护段的主要目的，在于限制流经避雷器
4、的雷电流幅值及入侵雷电波的陡度。 2.1 变电所装设避雷针的原则 架设避雷针是变电所防止直击雷的常用措施,其作用是将雷电吸引到避雷针本身上来并安全地将雷电流引入大地, 从而保护了设备。变电所装设避雷针时,应该使所有设备都处于避雷针保护范围之内,此外,还应采取措施, 防止雷击避雷针时的反击事故。雷击避雷针时的反击事故,是由于避雷针与被保护设备或构架之间的空气间隙被击穿及避雷针接地装置和被保护设备接地装置之间在土壤中的间隙被击穿而造成的。对于 110kV及以上的变电所, 可以将避雷针架设在配电装置的构架上, 这是由于此类电压等级配合装置的绝缘水平较高, 雷击避雷针时在配电架构上出现的高电位不会造成
5、反击事故。装设避雷针的配电构架应装设辅助接地装置, 此接地装置与变电所接地网的连接点离主变压器接地装置与变电所接地网的连接点之间的距离不应小于 15m。 2.2 装设避雷器的原则 变电所内必须装设避雷器以限制雷电波入侵时的过电压, 这是变电所防雷保护的基本措施之一。随着金属氧化物避雷器的不断推广, 我国绝大多数变电所已逐步用金属氧化物避雷器来替换掉原来的阀型避雷器。金属氧化物避雷器除了有较理想的非线性伏安特性外, 还有不少优点。一是无间隙。在工作电压下, 金属氧化物避雷器实际上相当一绝缘体, 因而工作电压不会使氧化锌阀片烧坏,故大大改善了陡波下的响应特性。二是无续流, 故只要吸收过电压能量即可
6、, 对金属氧化物避雷器的热容量的要求比阀型避雷器低得多。三是电气设备所受过电压可以降低。虽然 10kA 雷电流下的残压值两种避雷器相同, 但阀型避雷器只在串联间隙放电后才可将电流泄放, 而金属氧化物避雷器在整个过电压过程中都有电流流过, 因此降低了作用在变电所电气设备上的过电压。其次,金属氧化物避雷器体积小, 重量轻, 结构简单, 运行维护方便, 使用寿命也长。为了保证变电所电气设备的安全运行, 在装设避雷器时一要限制避雷器的残压, 也就是说对流过避雷器的雷电流必须加以限制使之不大于 5kA , 同时要限制入侵波的陡度。这两个任务将由变电所进线保护段来完成。二要使所有设备到避雷器的电气距离都在
7、保护范围内。避雷器一般安装在母线上, 若一组避雷器不能满足要求, 则应考虑增设。 3. 接触网的防雷措施 在雷电活动强烈的区段，落雷概率比较大的山顶、峡谷和山地风口区段、土壤电阻率高且降低支柱接地电阻困难的区段，雷击接触网可能频繁地引起短路、跳闸；在人员密集的、重要的站场等，雷击引起接触网的闪络可能构成对人员、信号设施、可燃物资的威胁。因此在这些地方的接触网上可安装适量的避雷器。只要其冲击放电电压低于接触网绝缘(空气间隙和绝缘子)或电力机车车项保护电器(保护间隙和车顶避雷器)的冲击放电电压，雷击时接触网上的避雷器放电动作，将先于以上保护电器的放电发生，从而避免了以上保护电器动作，则避雷器动作后
8、就不再引起变电所的断路器跳闸，即降低了接触网雷击跳闸率，提高了供电可靠性1。同时，雷电通过具有切断工频续流能力的避雷器入地，对附近的人员、信号设施、可燃物资威胁会大为减小。借鉴电力系统防雷的经验：当雷击线路时，避雷器动作后吸收了雷电能量，绝缘子及杆塔等值阻抗上共同受到的冲击电压只是避雷器的残压，比没有安装线路避雷器时大为降低；可以提高线路的耐雷水平。 3.1 雷击接触网的过电压分析 基础网侧面限界定为 3m，导高加结构高度约为 7 米，单线接触网遭受雷击次数。 N=0.122*Td*1.3 （1） Td 为平均雷电日数 当雷击接触网支柱时，雷电流沿支柱入地并在支柱上产生冲击过电压，该值与支柱的
9、冲击接地电阻和支柱耐雷水平有关，如图所示： 当雷击接触网支柱时，雷电流沿支柱入地，在接触网支柱上产生冲击电压为： （2） R 为支柱的冲击接地电阻，；i 为雷电流幅值，kA；L 为支柱的等值电感，H。 如果冲击电压达到腕臂上绝缘子放电电压时，绝缘子闪络，雷电流流入大地。 3.2 接触网上安装避雷器的评价 在接触网上安装避雷器，是一种提高接触网防雷性的有效方法，尤其是在一些雷电活动比较活跃的区域非常必要。不过太高密度的在接触网上安装避雷器也存在许多不足。 (1)高密集安装避雷器，则每年的预防试验和维修工作量极大，维修费用也将大大增加。 (2)雷击接触网引起变电所跳闸分为重合闸成功和重合闸失败两种
10、情况。接触网发生临时接地时，牵引所自动重合闸装置启动，12 s 后可恢复供电2；接触网发生永久性接地时会重合失败。一般情况雷击跳闸都可以重合成功，设备运行影响不大，不需要在接触网上高密度安装避雷器保护来避免这种情况发生。 (3)避雷器电阻片的质量、本体密封性、可靠性等总会存在一定故障率，高密集地在接触网上安装避雷器可能导致接触网故障增加。 4结论：牵引供电系统具有良好的防雷性能是电气化铁路安全运营的基本保证之一，在工程实践中应根据雷电情况，采取相应防护措施。充分分析安装避雷器的利弊，综合考虑，适量安装。 参考文献 1 刘明光.接触网的防雷简化分析。铁道学报，1996 2 彭大明。一期工程接触网防雷接地系统。电气化铁道，2004
