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1、<p> 牽引供電系統(tǒng)的過電壓與防雷研究</p><p> 摘要:牽引供電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行是保證電氣化鐵路安全運(yùn)行的前提,但近幾年來雷擊產(chǎn)生的過電壓引起大量設(shè)備故障,嚴(yán)重影響了供電設(shè)備的安全運(yùn)行。論文針對(duì)此問題,有針對(duì)性的提出了解決方法,在一定程度上減少了雷擊對(duì)客運(yùn)專線牽引供電系統(tǒng)的影響,保障了供電系統(tǒng)的安全可靠。 </p><p> 關(guān)鍵詞:接觸網(wǎng) 牽引變電所 防雷 過
2、電壓 </p><p> 中圖分類號(hào): F407 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A </p><p> 鐵路高速化是世界鐵路的發(fā)展方向,它具有速度快、運(yùn)能大、安全好、節(jié)省能源等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)牽引供電部門統(tǒng)計(jì),2011年7月至9月京滬高鐵由于雷擊原因引起變電所跳閘的故障多達(dá)四百余起,重合閘不成功的多達(dá)71起。嚴(yán)重影響了行車安全,給交通運(yùn)輸造成很大的負(fù)面影響。2013年底鐵路營(yíng)業(yè)里程突破10萬(wàn)公里,高鐵營(yíng)業(yè)里
3、程也突破了1萬(wàn)公里,部分線路雷擊事故比較頻繁,所以應(yīng)重視牽引供電系統(tǒng)的過電壓及防雷設(shè)計(jì)。 </p><p><b> 1.過電壓的形式 </b></p><p> 過電壓是指在電氣線路或電氣設(shè)備上出現(xiàn)的超過正常工作要求的電壓。在電力系統(tǒng)中,接地電壓產(chǎn)生的原因不同,可分為內(nèi)部過電壓和雷電過電壓。內(nèi)部過電壓分別為操作過電壓和諧振過電壓等形成,對(duì)電力線路和電氣設(shè)備絕緣的
4、威脅不是很大。電力系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備或構(gòu)筑物遭受直接雷擊或感應(yīng)雷引起的過電壓,引起這種過電壓的能量來源于外界,又稱外部過電壓。雷電過電壓產(chǎn)生的沖擊波,其電壓幅值可達(dá)1億伏,其電流幅值可達(dá)幾十萬(wàn)安培,因此對(duì)電力系統(tǒng)危害極大,必須采取有效措施加以防護(hù)。 </p><p> 2. 牽引變電所的防雷保護(hù) </p><p> 變電所雷擊的來源。一是雷直擊于變電所的設(shè)備上;二是架空線路的雷電感應(yīng)過電壓和
5、直擊雷過電壓形成的雷電波沿線路侵入變電所。變電所對(duì)于直擊雷的保護(hù)一般采取裝設(shè)避雷針或采用沿變電所進(jìn)線段一定距離內(nèi)架設(shè)避雷線來解決。 </p><p> 架空線路的雷電感應(yīng)過電壓和直擊雷過電壓形成的雷電波沿線路侵入變電所,是導(dǎo)致變電所雷害的主要原因,若不采取防護(hù)措施,勢(shì)必造成變電所電氣設(shè)備絕緣損壞,引發(fā)事故。在變電所內(nèi)裝設(shè)避雷器的目的在于限制入侵雷電波的幅值,使電氣設(shè)備的過電壓不致于超過其沖擊耐壓值。而變電所的進(jìn)
6、線段上裝設(shè)保護(hù)段的主要目的,在于限制流經(jīng)避雷器的雷電流幅值及入侵雷電波的陡度。 </p><p> 2.1變電所裝設(shè)避雷針的原則 </p><p> 架設(shè)避雷針是變電所防止直擊雷的常用措施,其作用是將雷電吸引到避雷針本身上來并安全地將雷電流引入大地, 從而保護(hù)了設(shè)備。變電所裝設(shè)避雷針時(shí),應(yīng)該使所有設(shè)備都處于避雷針保護(hù)范圍之內(nèi),此外,還應(yīng)采取措施, 防止雷擊避雷針時(shí)的反擊事故。雷擊避雷針
7、時(shí)的反擊事故,是由于避雷針與被保護(hù)設(shè)備或構(gòu)架之間的空氣間隙被擊穿及避雷針接地裝置和被保護(hù)設(shè)備接地裝置之間在土壤中的間隙被擊穿而造成的。對(duì)于110kV及以上的變電所, 可以將避雷針架設(shè)在配電裝置的構(gòu)架上, 這是由于此類電壓等級(jí)配合裝置的絕緣水平較高, 雷擊避雷針時(shí)在配電架構(gòu)上出現(xiàn)的高電位不會(huì)造成反擊事故。裝設(shè)避雷針的配電構(gòu)架應(yīng)裝設(shè)輔助接地裝置, 此接地裝置與變電所接地網(wǎng)的連接點(diǎn)離主變壓器接地裝置與變電所接地網(wǎng)的連接點(diǎn)之間的距離不應(yīng)小于15
8、m。 </p><p> 2.2 裝設(shè)避雷器的原則 </p><p> 變電所內(nèi)必須裝設(shè)避雷器以限制雷電波入侵時(shí)的過電壓, 這是變電所防雷保護(hù)的基本措施之一。隨著金屬氧化物避雷器的不斷推廣, 我國(guó)絕大多數(shù)變電所已逐步用金屬氧化物避雷器來替換掉原來的閥型避雷器。金屬氧化物避雷器除了有較理想的非線性伏安特性外, 還有不少優(yōu)點(diǎn)。一是無間隙。在工作電壓下, 金屬氧化物避雷器實(shí)際上相當(dāng)一絕緣體,
9、 因而工作電壓不會(huì)使氧化鋅閥片燒壞,故大大改善了陡波下的響應(yīng)特性。二是無續(xù)流, 故只要吸收過電壓能量即可, 對(duì)金屬氧化物避雷器的熱容量的要求比閥型避雷器低得多。三是電氣設(shè)備所受過電壓可以降低。雖然10kA雷電流下的殘壓值兩種避雷器相同, 但閥型避雷器只在串聯(lián)間隙放電后才可將電流泄放, 而金屬氧化物避雷器在整個(gè)過電壓過程中都有電流流過, 因此降低了作用在變電所電氣設(shè)備上的過電壓。其次,金屬氧化物避雷器體積小, 重量輕, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 運(yùn)行維
10、護(hù)方便, 使用壽命也長(zhǎng)。為了保證變電所電氣設(shè)備的安全運(yùn)行, 在裝設(shè)避雷器時(shí)一要限制避雷器的殘壓, 也就是說對(duì)流過避雷器的雷電流必須加以限制使之不大于5kA , 同時(shí)要限制入侵波的陡度。這兩個(gè)任務(wù)將由變電所進(jìn)線保護(hù)段來完成。二要使所有設(shè)備到避雷器</p><p> 3. 接觸網(wǎng)的防雷措施 </p><p> 在雷電活動(dòng)強(qiáng)烈的區(qū)段,落雷概率比較大的山頂、峽谷和山地風(fēng)口區(qū)段、土壤電阻率高且降
11、低支柱接地電阻困難的區(qū)段,雷擊接觸網(wǎng)可能頻繁地引起短路、跳閘;在人員密集的、重要的站場(chǎng)等,雷擊引起接觸網(wǎng)的閃絡(luò)可能構(gòu)成對(duì)人員、信號(hào)設(shè)施、可燃物資的威脅。因此在這些地方的接觸網(wǎng)上可安裝適量的避雷器。只要其沖擊放電電壓低于接觸網(wǎng)絕緣(空氣間隙和絕緣子)或電力機(jī)車車項(xiàng)保護(hù)電器(保護(hù)間隙和車頂避雷器)的沖擊放電電壓,雷擊時(shí)接觸網(wǎng)上的避雷器放電動(dòng)作,將先于以上保護(hù)電器的放電發(fā)生,從而避免了以上保護(hù)電器動(dòng)作,則避雷器動(dòng)作后就不再引起變電所的斷路器跳
12、閘,即降低了接觸網(wǎng)雷擊跳閘率,提高了供電可靠性[1]。同時(shí),雷電通過具有切斷工頻續(xù)流能力的避雷器入地,對(duì)附近的人員、信號(hào)設(shè)施、可燃物資威脅會(huì)大為減小。借鑒電力系統(tǒng)防雷的經(jīng)驗(yàn):當(dāng)雷擊線路時(shí),避雷器動(dòng)作后吸收了雷電能量,絕緣子及桿塔等值阻抗上共同受到的沖擊電壓只是避雷器的殘壓,比沒有安裝線路避雷器時(shí)大為降低;可以提高線路的耐雷水平。 </p><p> 3.1 雷擊接觸網(wǎng)的過電壓分析 </p><
13、;p> 基礎(chǔ)網(wǎng)側(cè)面限界定為3m,導(dǎo)高加結(jié)構(gòu)高度約為7米,單線接觸網(wǎng)遭受雷擊次數(shù)。 </p><p> N=0.122*Td*1.3 (1) </p><p> Td為平均雷電日數(shù) </p><p> 當(dāng)雷擊接觸網(wǎng)支柱時(shí),雷電流沿支柱入地并在支柱上產(chǎn)生沖擊過電壓,該值與支柱的沖擊接地電阻和支柱耐雷水平有關(guān),如圖所示: </p><p&
14、gt; 當(dāng)雷擊接觸網(wǎng)支柱時(shí),雷電流沿支柱入地,在接觸網(wǎng)支柱上產(chǎn)生沖擊電壓為: </p><p><b> ?。?) </b></p><p> R為支柱的沖擊接地電阻,Ω;i為雷電流幅值,kA;L為支柱的等值電感,μH。 </p><p> 如果沖擊電壓達(dá)到腕臂上絕緣子放電電壓時(shí),絕緣子閃絡(luò),雷電流流入大地。 </p>&l
15、t;p> 3.2 接觸網(wǎng)上安裝避雷器的評(píng)價(jià) </p><p> 在接觸網(wǎng)上安裝避雷器,是一種提高接觸網(wǎng)防雷性的有效方法,尤其是在一些雷電活動(dòng)比較活躍的區(qū)域非常必要。不過太高密度的在接觸網(wǎng)上安裝避雷器也存在許多不足。 </p><p> (1)高密集安裝避雷器,則每年的預(yù)防試驗(yàn)和維修工作量極大,維修費(fèi)用也將大大增加。 </p><p> (2)雷擊接觸網(wǎng)
16、引起變電所跳閘分為重合閘成功和重合閘失敗兩種情況。接觸網(wǎng)發(fā)生臨時(shí)接地時(shí),牽引所自動(dòng)重合閘裝置啟動(dòng),1~2 s后可恢復(fù)供電[2];接觸網(wǎng)發(fā)生永久性接地時(shí)會(huì)重合失敗。一般情況雷擊跳閘都可以重合成功,設(shè)備運(yùn)行影響不大,不需要在接觸網(wǎng)上高密度安裝避雷器保護(hù)來避免這種情況發(fā)生。 </p><p> (3)避雷器電阻片的質(zhì)量、本體密封性、可靠性等總會(huì)存在一定故障率,高密集地在接觸網(wǎng)上安裝避雷器可能導(dǎo)致接觸網(wǎng)故障增加。 &l
17、t;/p><p> 4.結(jié)論:牽引供電系統(tǒng)具有良好的防雷性能是電氣化鐵路安全運(yùn)營(yíng)的基本保證之一,在工程實(shí)踐中應(yīng)根據(jù)雷電情況,采取相應(yīng)防護(hù)措施。充分分析安裝避雷器的利弊,綜合考慮,適量安裝。 </p><p><b> 參考文獻(xiàn) </b></p><p> [1] 劉明光.接觸網(wǎng)的防雷簡(jiǎn)化分析。鐵道學(xué)報(bào),1996 </p><
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