地铁低压供电过电压的影响及保护措施

地铁低压供电过电压的影响及保护措施

罗少和

深圳市地铁集团有限公司运营总部

摘要：地铁低压供电同系统主要给正线车站和区间的机电设备电源及照明提供供电。其过电压冲击主要来自于雷电过电压和内部的操作过电压，过电压保护对供电系统的稳定可靠运行起到重要作用。

关键词：地铁低压供电；过电压影响；保护措施

前言

地铁低压供电系统是为车站及区间的机电设备提供电源和照明的系统，安装于过电压保护装置对于防止误操作及雷电过电压进行保护，而电涌保护器的合理选择对于供配电网络的可靠运行具有重要作用。

一、地铁低压供电系统的过电压冲击影响

（1）对二次设备等对电磁抗扰要求较高的设备的影响

二次控制电源由一次回路进线开关端子处引入时，容易受一次回路电压波动的影响，有时甚至烧坏进线侧的熔断器。虽然PLC电源等24V直流电源进线侧多配置有稳压、滤波功能的高频开关电源，但一次回路的电压波动仍然容易侵入造成对PLC的电磁干扰。很多二次设备、模块，例如从一次回路直接接入检测信号的开关量采集模块等，由于内部集成电路抗电冲击能力差，在一次回路电涌浸入时容易出现烧坏各类接口或板卡的故障。可通过提高开关电源的整体性能、在电源进线处设置隔离电磁干扰的隔离变压器，电涌保护器、电源滤波器或其他过电压防护装置等措施来降低一次回路电压波动侵入造成的电磁扰动。

（2）线路、电气元件损坏

过电压会造成供配电线路发热老化、绝缘性能降低，造成短路故障等。电气元件长期运行在额定工作电压下，过电压冲击超过元件的耐压能力后持续一定时间会造成绝缘破坏和元件烧毁。

（3）控制系统误动作

0.4kV低压开关柜PLC系统设置为当检测到一路电源进线电压异常后，在一定延时内时自动切除三级负荷，再过一定延时内异常电压未恢复到正常范围，则分闸该路进线开关后再合闸母联开关，系统转换为单电源供电方式。过电压冲击可造成该类备自投逻辑误动作。

（4）电气设备断电、停机

造成断路器、隔离开关烧坏，变频器等电压保护动作，末端设备停机。

二、地铁低压供电过电压类型与防护措施

（1）外部过电压及防护措施

①直击雷

雷电落在室外架空线路上、与降压变电所接地网直接相连的避雷针或金属构架上，造成接地电位瞬时升高。如果降压变电所设置在地下车站内，引入的35kV环网电缆及引出的动力照明配电线路多不是室外架空敷设，则该类型雷电过电压对低压供电系统的影响较少。

②雷电波与感应雷

雷电波侵入至供配电线路中可能有部分残余电压。雷电落在线路附近，因电磁感应产生的过电压也可能沿线路侵入。由于降压变电所35kV母线多装设避雷器，给负荷供电的末端配电箱、控制箱内均装设电涌保护器，因此从降压变电所进线侧和负荷侧线路侵入的外部过电压均设置有吸收和抑制装置。特别是从负荷侧线路侵入的外部过电压，防护措施为在末端配电箱内装设电涌保护器，而且各类末端配电箱、控制箱数量较多、安装位置分散、配电线路敷设情况复杂，需要定期巡视检查以实现对配电箱内防雷元件的运行监测。

③110kV母线的电压波动

降压变电所35kV母线装设避雷器，该类型过电压在传入0.4kV系统前虽然经过多级抑制和降压，有时仍有一定范围的幅值对0.4kV系统造成影响。目前设计为在动力变压器0.4kV侧设置电涌保护器，以限制高压侧传入的电压波动在0.4kV母线造成的过电压，电涌保护器一般情况下可在进线开关端子处并联安装。重要负荷电源侧接入不间断电源UPS，实现对进线电源的稳压、滤波、电磁隔离等功能。

（2）内部过电压及防护措施

①地铁低压供电系统常见的操作过电压

a.降压变电所内断路器或隔离开关进行分合闸操作时，系统进行短暂的状态变换产生的内部过电压

降压变电所内两台35KV/0.4KV动力变压器分别从牵引和动力照明共用的35kV中压环网系统引入两路独立电源，0.4kV主接线为单母线分段接线方式。正常情况下，降压所内两台动力变各带两段0.4kV母线分列运行，当一台动力变退出运行时，控制系统检测该进线回路失压后，按照备自投逻辑依次延时分闸三级负荷总开关、该路进线开关，投入母联断路器，实现由另一台动力变承担全所一、二级动力照明负荷。该类倒闸操作频次较高，涉及到变电所内一系列断路器和隔离开关的分合闸状态转换，期间产生的操作过电压会对低压供电系统产生影响。

b.变电所内大功率设备的启停、切除三级负荷等操作时，系统电动势自动调节滞后产生的暂时过电压

0.4kV低压开关柜三级负荷总开关的分励脱扣器接消防外控信号，设计为在联动指令下跳闸，该类联动跳闸频次较高。控制系统设置为当检测到一路进线电源电压异常后在一定延时内时自动切除三级负荷，该类动作也较常见，期间产生的操作过电压会对0.4kV母线产生影响。

在母线、重要设备安装电涌保护器可有效抑制操作过电压。目前地铁的0.4kV低压开关柜、环控电控柜、重要负荷的配电箱或控制箱内母排装设有电涌保护器。

c.故障过电压

低压供电系统故障时产生的过电压。发生配电网零线断线的故障时，如果三相负载不平衡使中性点偏移，单相电压升高甚至达到线电压，造成线路、设备发热老化、绝缘性能降低、元件损坏。防护措施为禁止在配电网零线装设熔断器或独立开关，零线截面的选择满足规范的要求，尽可能均衡三相负载，加强对配电线路的巡视检查和日常维护，防止该类故障的发生。

d.谐振过电压

谐振过电压是供配电系统运行状态转换时，供配电网络中感性、容性设备与电源构成系统发生谐振现象所产生的过电压。目前谐振过电压在采用直流制供电的地铁牵引供电系统中更为明显。

（3）电涌保护器的选用

根据供配电网络的实际情况和相应的规范标准合理地选用电涌保护器的规格、与被保护设备的连接方式，还可根据现场情况设置多级电涌保护器来限制雷电及操作过电压，通常是有效的防护措施。

电涌保护器的类型分为：

①电压限制型

正常情况下电涌保护器为高阻抗状态，在激活导通后按非线性电压电流特性不断变小转换为低阻抗状态，以形成短暂的对地短路以泄放电流，限制瞬态和暂时过电压的幅值。

②电压开关型

正常情况下电涌保护器为高阻抗状态，在激活导通后突变为低阻抗状态，以形成短暂的对地短路以泄放电流，限制过电压幅值。

③组合型

为电压限制型和电压开关型的组合，兼有两者特性。

在过电压保护方案设计和电涌保护器选型时，需要考虑电涌保护器的重要参数电压保护水平配置在高于供配电网络的最高运行电压和低于被保护设备的冲击耐受电压范围之间。以确保元件在正常运行时不误动、电压异常时不拒动，且能有效快速的泄流斩波，在被保护设备的范围内维持安全稳定的电压幅值，实现确保被保护设备正常运行不受损的功能。在现场情况要求设置多级电涌保护器时，需要考虑各级元件的防护参数相协调相配合，以确保更精确更灵敏地保护分类的用电设备，且过电压情况下各级电涌保护器不越级动作，实现分级保护的灵敏性和选择性。

4结语

综上所述，地铁低压供电系统的过电压保护主要包括：1）降压变电所动力变压器0.4kV侧设置电涌保护器。2）给用电负荷供电的末端配电箱、控制箱内装设电涌保护器。3）给通风空调设备供电的环控电控柜进线端设置电涌保护器。4）UPS、二次设备进线端设置具有稳压、滤波、电磁隔离等功能的模块。5）完善电气设备的等电位联结与接地系统。

在过电压保护方案的设计和电涌保护器的选型安装时，需要合理选择电涌保护器的电压保护水平，使其与被保护设备的冲击耐受电压满足保护要求，各级电涌保护器的电压保护水平满足配合要求。

参考文献：

[1]丁邦俊.SPD在综合防雷中的应用.镇江高专学报，2004

[2]低压电涌保护器（二）.建筑电气，2002年第4期

[3]张文，高层建筑的雷电保护设计和SPD的选用.山东气象，2008