浅析牵引变电所防强电侵入的措施

浅析牵引变电所防强电侵入的措施

刘晓轩

中国铁路北京局集团有限公司北京供电段

摘要：一些运行故障显示接触网隔离开关电源及控制电缆成了强电侵入变电所二次系统门户，继而烧毁变电所电源、保护及其他设备，连续大电流导致所处设备损坏严重。本文着重对强电侵入变电站二次系统的作用机理，破坏能量以及径路等方面进行了深入地分析，进一步讨论了《牵引变电所二次系统防强电侵入优化技术方案指导意见》若干具体措施在实际应用中存在的问题及其适用性。

关键词：牵引变电所；接触网隔离开关；防强电侵入；接地

0、引言

传统牵引变电所已经有了完善的防雷技术措施以安装避雷针及避雷器为主，可以满足变电所强电侵入保护。近几年，我国高铁飞速发展，牵引供电系统设计与过去相比有所改变。为增加操作灵活性，一般变电所和接触网间以及接触网分相处都加装了电动隔离开关，一些普速线路改造中还加装了，它的电动机构电源和控制电缆一般都是接引从变电所。近几年发生的一些运行故障说明电动网隔上的电源及控制电缆成了强电侵入变电所二次系统时的门户。这类故障大多会使变电所解列而造成更大的损失与影响。

1、常规牵引变电所防止强电侵入的技术措施

常规牵引变电所防止强电侵入是遵循电力系统变配电所的防雷设计进行的，其主要技术措施是安装避雷针、避雷器等。

避雷针防护覆盖整个变电所区域，利用独立接地网防止变电所顶部直击雷发生，独立接地网能够将雷电直接引入地面，从而防止其通过主地网回击其他装置的危险。

避雷器安装在变电所的进线侧，馈线侧，主变低压侧和27.5kV母线上，它的接地极接入变电所的主地网，主要是防止沿着变电所进线侧的运行、馈线引入的雷击还考虑了系统振荡和其他原因引起的过电压。

以上防强电侵入的技术措施，它的装置简明，保护效率高。目前大多数变电所还在采取这种措施。雷电天气下，往往会出现变电所避雷器在短期内多次动作而未出现侵入二次系统情况的事例，实践证明这类措施充分满足了运行需要。

2、二次系统强电侵入分析

2.1、变电所内部强电侵入

传统牵引变电所没有电动网隔参与，所内二次系统和一次系统离地运行，在出现沿馈线引入雷击情况下，相应避雷器作用，在向接地网和大地导入雷电流的同时，工频短路电流经避雷器向接地网和牵引变压器方向流动。当避雷器接地引线可靠接入地网时，接地点电位上升受限且不威胁邻近二次系统；但是当接地引线接入地网不能可靠时，接地点电位上升过大，会使附近二次系统电缆接地端和芯线之间由于电压过高而被击穿，进而引起强电侵入变电所二次系统。

变电所27.5kV高压设备发生对地短路时，同上。

2.2、电动网隔着强电侵入

为数不少的电动网隔装设地点很高，容易遭雷击，此外，它因连接引线松动，晃动而造成接地短路的故障曾经出现。电动网隔控制电缆一般接引从变电所网中开关屏。

由于室外27.5kV设备绝缘结构比较细小，电动网隔绝缘子容易遭受雷电击穿或异物，动物短接而短路。

（1）短路电流使接地处地电位骤然上升，会很容易击穿大地—控制电缆—二次电缆间绝缘而大面积侵入所二次系统。在这种场合，即便按《方案》安装有隔离，电涌保护和应急保护装置，但这类装置大多都是瞬时烧毁丧失功能的。所以二次系统在强电侵入过程中采用以上措施的保护效果是极为有限的。

（2）短路电流在附近二次回路中引起感应电压且受限于线路分布，它们之间电磁耦合关系不密切，感应电压还不足以对二次系统构成威胁。这一点可以从所内短路故障情况下强电不侵入二次系统中得到很好的证明。

2.3、强电侵入电流和径路

当电动网隔绝缘受雷电击穿后，电流是雷电流与工频短路电流叠加而成。当电流流入大地时，它们各自沿着自己的支路流动：雷电流是以接地极为圆心向四周辐射状流动，这个电流在变电所中的比例很小；工频短路电流将沿着捷径最大限度地流入牵引变压器的接地端，根据电动网隔和变压器的位置分布情况分析，此电流将通过变电所的半个现场。强电侵入所内二次系统时，短路电流通过区低压电缆和电气设备会通过大电流并在很短的时间内被烧毁，其损坏的能量主要是工频短路电流。

从供电系统设计与运行情况来看，牵引变电所近地面短路电流一般都超过几千安时，高铁与枢纽地区的变电所供电容量一般都比较大，短路电流可达到10kA或更大。电动网隔接地电阻标准值规定在30Ω以下，短路情况下冲击接地电阻大大低于此值，其计算公式为：

（1）

式中：Ri是独立接地极，也是杆塔接地装置冲击接地电阻；α是独立接地极或者杆塔接地装置冲击系数；R是独立接地极或者杆塔接地装置工频接地电阻在这里取为10Ω。

冲击系数计算和接地极形状，土壤电阻率和短路电流等因素有关，其参数选择比较复杂，这里简化选择0.2，可以计算出冲击接地电阻在2Ω左右。

如果短路电流以5~10kV为基准，则短路瞬间接地点和牵引变压器接地端的电位差可达到10~20kV，地—控制电缆—二次电缆间绝缘只有几毫米空气间隙，在这种较高电压作用下不可避免地发生击穿，使二次系统在短路点和变压器间大面积地侵入并烧毁二次系统及其相关装置，致使继电保护失效、短路故障无法马上切除、造成连续损坏、直到上一级继电保护动作切除失效为止。所以强电侵入不但对二次系统造成严重损害，而且还可能导致一次设备发生严重失效，例如引线连接处被烧毁，变压器线圈绝缘被烧毁以及线圈变形。

3、防强电侵入的技术对策

通过以上分析可知变电所二次系统防止强电侵入关键点是电动网隔，供电线以及变电所内部和二次回路有关的装置，需要从以上几个方面着手进行研究并完善预防措施。

3.1、对电动网隔接地进行优化

可以采用使电动网隔上接地引线和接地极可靠地接入变电所主地网的方法，其具体好处是：一方面当电动网隔上短路电流使地电位增大时，变电所二次系统地电位随之增大，可使两者维持比较低的电位差；另一方面扩大接地范围能有效地减小地电位上升幅度。这样，电缆芯线和大地之间就不会产生过高电压，不会造成电缆绝缘击穿现象，进而从根本上防止短路电流侵入。

3.2、对枢纽地区变电所电动网隔设计进行优化

除了采取对电动网隔接地进行优化之外，还需要把电动网隔控制屏从变电所移到开闭所、电力箱变等场所，也就是为电动网隔供电、控制和其他回路通过开闭所和电力箱变接在一起，不和变电所联系。这样，当出现电动网隔接地，电缆接地及其他近点短路的情况下，短路电流就会直接流到变电所的方向上而不流到开闭所及电力箱变的方向上，这样既不会因为短路电流而导致其接地极和电动网隔接地极间电压增大，又不击穿低压电缆地线和芯线间绝缘，也就是说不侵入其二次系统。开闭所中，电力箱变在电动网隔朝向变电所方向相反的位置上近似是最理想的情况，防范效果较完全。

3.3、减少电动网隔的布置

电动网隔效果只是增加了故障应急处置的灵活性与时效性，利用率不高。由于是长期备用设备，应急处置中无法保证设备处于良好的状态，而且随着设备的运行和老化势必越来越严重。电动网隔大多安装在主导电回路上，日常工作中经常会出现绝缘闪络，分合不当，连接不牢等影响电源的现象，强调了它所造成的强电侵入二次系统安全风险太大。附在电动网隔上的避雷器在巡检，测试中存在较大困难和严重失修现象，经过长时间运行，容易形成较大隐患。

在以上分析的基础上，电动网格的建立要非常谨慎，要做到非建立不可，如果建立的话，一定要有一个科学，完整的技术措施并要加强定期的检查和保养。

3.4、安装在供电线沿线的避雷线

安装避雷线能有效地保护供电线以上雷击，接地极与电动隔开和其他各相关二次系统设备接地极距离较远，能防止雷击电流侵入二次系统。这一措施具有实施方便、投资少、防护效果良好等特点，建议大力推广使用。

3.5、保证变电所接地系统的可靠性

变电所中二次回路关联设备要严格按照规范标准对其接地装置进行检查和检修，保证状况良好，达标，能够有效预防所中设备短路接地后强电侵入二次系统带来的危害。

4、结语

在分析变电所二次系统防强电侵入技术和管理措施基础上，给出优化，改进意见，特别是对枢纽地区变电所强电侵入风险较大给出有针对性加强措施，所介绍的措施要求装置简单，易于实现，投入少，利于迅速而全面地推行。各措施的有效性有待实践验证与分析总结，包括电动网隔接地优化措施以及枢纽地区网开关控制屏转移到开闭所或者电力箱变等方面的措施都需要进一步开展仿真分析。

参考文献

[1]中国铁路总公司.运供设备函[2016]325号牵引变电所二次系统防强电侵入优化技术方案指导意见[S].2016.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家市场监督管理总局.GB/T50065—2011交流电气装置的接地设计规范[S].北京：中国计划出版社，2012.

[3]侯文玉.牵引变电所二次设备防高压侵入技术研究[J].铁道标准设计，2017，61（3）：139-142+147.