牽引供電系統防雷與接地研究

中國鐵路濟南局集團有限公司青島供電段 劉志強

近些年來我國電氣化鐵路運營里程增加迅速，以及高鐵、客專、重載線的快速發展，對牽引供電系統，尤其是二次系統要求越來越高，各種保護測控、傳輸、新網絡設備和新技術的使用，集成度和運行速度都越來越高，這些二次設備采用了大量的半導體元器件，更容易受到各種新式雷電過電壓或工頻過電壓等強電侵入而造成損壞。因此，如何提高牽引變電所二次系統的防強電入侵，對保障電氣化鐵路運輸秩序十分重要。

但是，目前各牽引變電所二次系統沒有專門、針對性的過電壓保護，廠家通常結合自家設備的耐受性，只是在部分設備的部分端口安裝過電壓保護設備，而設備與室外設備的接線并未設置，如接觸網開關控制屏與接觸網開關等，使得室外的強電有路徑可以侵入，存在造成牽引變電所二次設備雷擊的風險，給鐵路運輸造成影響。

1 強電危害源

在沿線各個牽引變電所，存在很多種電磁干擾源，這些干擾源通過回路直接影響或間接影響到電氣電子設備的正常運行，其中以雷電干擾、工頻過電壓干擾、以及其他電磁干擾最具代表性。

1.1 雷電干擾

（1）直擊雷

牽引變電所通常建在周邊無其他較高建筑物及其他較高物體的地方，地勢比較平坦，因此所內避雷針是主要的落雷點，遭受直擊雷的概率很高。直擊雷電流在通過避雷針、塔體入地時如果接地網的接地電阻偏大或接地網的均壓效果不好時，在雷電流的入地路徑上通過阻性耦合將形成瞬態高電位，必將會對與其有直接聯系各個設備產生高電位反擊，很容易造成電子設備的損壞。

（2）感應雷

感應雷，顧名思義，它是感應產生的，是由牽引變電所附近落雷時產生的電場和磁場在變化中所引起的靜電感應和電磁感應。電磁感應危害原理與直擊雷相似。而靜電感應則屬于容性耦合，雷云釋放電荷時，在金屬導體上產生的感應電荷也在瞬間釋放，從而導致金屬導體與地面之間形成很高的電位差。

（3）線路來波

牽引變電所稍遠處其他與變電所有關聯的設備，如接觸網設備、10KV設備落雷后，雷電流會沿著各自路線，如27.5kV饋電線路、10kV所用變線路等侵入到牽引變電所二次系統。

（4）球雷

球雷最明顯的特性是能在地面滾動或在空氣中飄動，通過縫隙進入建筑物內部，會自己消失或產生劇烈爆炸，引起嚴重的后果，目前在技術上沒有有效的方法對球雷進行防護。

1.2 工頻轉移過電壓

當網開關處的接觸網線路發生接地故障或產生絕緣子閃絡時，短路電流在流向大地時由于地阻或導體本身的電阻會使網開關開關附近的地電位、支柱、機構箱外殼等產生較高的電位，接近工頻而高于系統最高工作電壓。較高的工頻過電壓會對二次回路絕緣造成損害，直至擊穿回路絕緣，比較輕的現象是引起電源回路空開跳閘，嚴重的就有可能直接對設備造成傷害。另外線路上的設備與線路下的設備在通信聯系上采用的是光纜，其技術要求和制作工藝決定了內部要采用金屬設備，比如加強芯和鋼鎧，因此也會使光纜內的金屬組成部分與設備的金屬部分之間產生放電，對光纜及臨近設備產生較大的威脅。

1.3 其它電磁干擾

其它干擾包括地方供電公司高壓輸變電工程的電磁干擾，其線路在運行過程當中產生的電暈可以對數公里外的地方產生影響。還有，如在10KV系統短路故障、一次系統隔離開關分合中會產生電弧，電弧是一種高頻的電流源，敏感的電子線路對此種干擾比較脆弱。

2 防強電系統簡介

2.1 系統組成

參考鐵路專業現有防雷規范的相關要求，系統性的牽引變電所二次系統防強電綜合措施主要包括接閃優化、接地補強、二次系統綜合防雷、等電位、接觸網隔離開關強電隔離和智能維護。在實際實施時，應根據具體情況進行綜合考慮、采用。

2.2 主要思路

為被保護設備構建一個均壓等電位系統，逐級把雷電電流瀉放入地。不管雷電從何種徑路侵入到二次設備，都必須在瞬間就將被保護線路及設備與等電位系統相連，從而保證各個端口等電位。

結合牽引變電所設備特點，對所內二次回路安裝符合要求規格的浪涌保護器，通過對保護范圍內的電流泄放和對電壓的制約，將其制到被保護設備耐受性以下，從而保證所內二次設備的運行安全。

2.3 牽引變電所綜合防雷屏的防雷設置

在實際運行過程中需要在一次設備與二次系統連接處的端口設置浪涌保護器。根據牽引變電所構造和運行情況及設備布置情況，從高壓室各端子箱、室外進線及饋出設備的端子箱的電纜最終都會進入到控制室內的保護測控屏，但就目前在保護測控屏內端子排、空開及保護測控裝置的影響，實際上空間有限，必定存在保護不全的現象，也無法解決防雷組合動作時對保護測控設備的電磁干擾問題。為了解決全面、有效防護問題，并考慮到電磁兼容性，可在控制室設置一臺獨立綜合防雷屏。

2.3.1 防雷屏主要配置要求

裝置柜體配置：

（1）每所配置獨立防雷屏一臺，用于各所二次系統防雷電電磁脈沖及過電壓的防護。

（2）二次防雷屏采用集中式安裝SPD的方式裝配成獨立的屏柜，與控制室屏柜組屏安裝，整體安裝時占用一個屏位。

（3）防雷柜分為前、后SPD布置區，側面端子排、等電位匯集線布置區，底部反擊抑制裝置區，頂部滅火、照明、開關電源區，正面襯板設檢測單元、柜門設人機交互屏。弱電信號保護和電源類保護分區，區域之間用隔板隔離。

（4）二次防雷屏接線應分為箱內元器件布置接線和箱外端子排接線。屏內各個端子排的布局應考慮運檢修的工作量，需采用避免松動、免維護的端子，端子必須使用阻燃材料，且應有明顯的標識。各類防雷模塊數量可按需求匹配，防雷模塊可在線插拔操作，方便后期維護及更換。

（5）防雷屏內設線纜屏蔽層接地區，安裝電纜屏蔽層環流接地保護器，防止電纜屏蔽層絕緣擊穿，對于外部光纖加強筋或鎧裝進行統一接地，防止電涌沿屏蔽層及加強筋侵入。

（6）屏體所采用的鋼板和骨架鋼性要符合規定，必須具備一定耐熱能力，其厚度不得小于2.5mm，整體的面板及屏架應有足夠的機械強度。

（7）防雷屏底部裝設接地排并與柜體相連，其分離或活動金屬構件與屏體之間應用符合規定線徑的接地線可靠連接。

接線要求：

（1）綜合防雷屏所有接線均采用凱文接線方式。

（2）被保護設備電源線路的前端均需安裝浪涌保護器（SPD），根據現場實際情況應應分級、分別安裝，浪涌保護器的接線端與被保護設備電源線路的相線相連。浪涌保護器的接地端與保護接地排相連，接地排應與所內大地網相連。為防止雷電流泄放引起感抗的變化而導致設備故障，因此浪涌保護器的連接導線應盡量短和直，其長度不大于0.5m，并固定牢靠。

（3）帶有接線端子的浪涌保護器應采用壓接的方式進行連接；帶有接線柱的浪涌保護器其連接線需采用壓線鼻與接線柱相連。

（4）所有電源SPD都應內置短路保護裝置。

（5）第一級防護用浪涌保護器安裝連接進線截面積為16mm2，接地線為25mm2；第二級防護用浪涌保護器安裝連接進線截面積為10mm2，接地線為16mm2。

（6）工頻耐壓值。防雷設備接線端子與殼體之間絕緣：3kV/min。

（7）沖擊耐壓值防雷設備接線端子與殼體之間絕緣：6kV，1.2/50μs，正負各5次。

（8）所有電纜鋼帶進入綜合防雷屏必須可靠接地，接地線截面積不小于2.5mm2，綜合防雷屏接地線截面積不小于25mm2。2.3.2 防雷屏要具備的主要功能

防雷設備狀態監測：對防雷系統中所使用的防雷設備狀態實時監測，并提供防雷設備的壽命狀態，在防雷設備接近損壞時，給出更換防雷設備的預警信息。

雷電信息監測：記錄雷擊發生的時間、幅值、波形等信息。

環境信息：監測機房、接線箱等的環境參數，比如供電質量、環境溫濕度等，可實時了解系統運行環境是否滿足要求。

現場查詢與遠程終端查詢：設置智能屏用來顯示監測、報警、上傳等所有信息方便維護人員查看。現場的監測信息可以上傳到牽引變電所現場的監控終端工控機上，也可以通過現有傳輸網絡，在監測中心設置后臺終端，進行實施狀態監測。

預留外部新增模塊端口：預留AI/DI端口，可外接其它監測模塊，擴展系統監測功能。

3 其他建議措施

由于牽引變電所運行的原理特性和大地網的構造，在本所供電臂范圍內其電流最終流入變電所，因此防雷系統的等電位接線和接地需要對線路回流在大地網不同點之間的產生的電位差，所以所內的防雷系統等電位點與大地網的連接采用單點連接，根據現場實際情況，在所內需要增家接地排的連接點以滿足新增加防雷設備的等電位連接需求，并在不得改變既有設備等電位連接狀態的前提下進行。

總結：防各種干擾侵入到牽引變電所二次系統是一個系統工程，各個方面需進行綜合考慮，比如地電位升高、高頻電流源、等電位點等方面，通過各種手段和綜合治理來解決可能侵入到二次系統的電流和電壓，并且具有針對性防止雷電過電壓的入侵，從而保護二次設備的正常運行。