城市軌道交通直流牽引系統(tǒng)防雷技術(shù)的思考

1、2016年09月城市軌道交通直流牽引系統(tǒng)防雷技術(shù)的思考匯報(bào)人：孫名剛大綱匯報(bào)軌道交通防雷、過(guò)電壓防護(hù)牽引變電所的防雷設(shè)計(jì)架空接觸網(wǎng)的防雷設(shè)計(jì)走行軌系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)1234/ 軌道交通的防雷、過(guò)電壓防護(hù) / 01防雷、過(guò)電壓防護(hù)1.11.過(guò)電壓的分類(lèi)由于雷擊或電力系統(tǒng)中的操作、事故等原因，使某些電氣設(shè)備和線路上承受的電壓大大超過(guò)正常運(yùn)行電壓，使設(shè)備或線路的絕緣遭受破壞。電力系統(tǒng)中這種危及絕緣的電壓升高稱(chēng)為過(guò)電壓。過(guò)電壓按引起的原因不同分為大氣過(guò)電壓和內(nèi)部過(guò)電壓。由雷電引起的過(guò)電壓叫做大氣過(guò)電壓；大氣過(guò)電壓分為直擊雷過(guò)電壓和感應(yīng)雷過(guò)電壓；電力系統(tǒng)中內(nèi)部操作或故障引起的過(guò)電壓叫做內(nèi)部過(guò)電壓；內(nèi)部過(guò)電壓

2、分為工頻過(guò)電壓、操作過(guò)電壓和諧振過(guò)電壓。/ 軌道交通的防雷、過(guò)電壓防護(hù) / 02防雷、過(guò)電壓防護(hù)1.1/ 軌道交通的防雷、過(guò)電壓防護(hù) / 03防雷、過(guò)電壓防護(hù)1.12.過(guò)電壓的產(chǎn)生（1）大氣過(guò)電壓1）直擊雷過(guò)電壓直擊雷過(guò)電壓是指雷電直接對(duì)電氣設(shè)備或線路放電，將電器設(shè)備或線路擊毀的過(guò)電壓事故。防止雷擊過(guò)電壓的措施是采用獨(dú)立避雷針或避雷帶。2）感應(yīng)雷過(guò)電壓感應(yīng)雷過(guò)電壓是指雷電雖然沒(méi)有直接擊中電氣設(shè)備或線路，但是由于大氣中的雷云電荷作用，在電力系統(tǒng)的架空線路上感應(yīng)出異種電荷。當(dāng)雷云對(duì)地面或其他物體放電時(shí)，雷云電荷迅速流入地中，架空電力線路上的感應(yīng)電荷由于失去雷云電荷對(duì)他的束縛，而向兩側(cè)迅速流動(dòng)。迅速

3、流動(dòng)的感應(yīng)電荷形成雷電流進(jìn)行波，對(duì)電器設(shè)備的絕緣構(gòu)成威脅，成為雷電入侵波，也就是所謂感應(yīng)雷電壓。防止感應(yīng)雷的措施是在適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b合適的避雷器或保護(hù)間隙。/ 軌道交通的防雷、過(guò)電壓防護(hù) / 04防雷、過(guò)電壓防護(hù)1.12.過(guò)電壓的產(chǎn)生（2）內(nèi)部過(guò)電壓1）工頻過(guò)電壓工頻過(guò)電壓又分為工頻穩(wěn)態(tài)過(guò)電壓和工頻暫態(tài)過(guò)電壓。a.工頻穩(wěn)態(tài)過(guò)電壓工頻穩(wěn)態(tài)過(guò)電壓主要是指空載長(zhǎng)線路末端的電壓升高，在三相中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地時(shí)，其他兩相對(duì)地電壓的升高。工頻穩(wěn)態(tài)過(guò)電壓對(duì)系統(tǒng)中電氣設(shè)備的正常絕緣一般無(wú)多大危害，因此不需要采取特殊措施來(lái)加以限制。但是工頻穩(wěn)態(tài)過(guò)電壓對(duì)避雷器的工作狀態(tài)有重要影響，而且又常常是其他過(guò)電壓

4、的基值，因此也不能忽視。b.工頻暫態(tài)過(guò)電壓工頻暫態(tài)過(guò)電壓是指當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)突然跳閘，甩掉大量負(fù)荷后，在發(fā)電機(jī)組的調(diào)速器及調(diào)壓器來(lái)不及作用的短暫瞬間內(nèi)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升而引起的電壓升高。暫態(tài)過(guò)電壓時(shí)間很短，數(shù)值也不大，一般不需要采取特殊限制措施。/ 軌道交通的防雷、過(guò)電壓防護(hù) / 05防雷、過(guò)電壓防護(hù)1.12.過(guò)電壓的產(chǎn)生（2）內(nèi)部過(guò)電壓2）操作過(guò)電壓a.切合空載長(zhǎng)線路引起過(guò)電壓切空載長(zhǎng)線路產(chǎn)生過(guò)電壓是由于開(kāi)關(guān)滅弧能力不強(qiáng)，觸頭具有重燃現(xiàn)象的結(jié)果。切空載長(zhǎng)線路如同且電容器一樣，在開(kāi)關(guān)觸頭電流經(jīng)過(guò)零值時(shí)，電弧瞬間熄滅。但由于這時(shí)電壓不為零，因此線路上有殘留電荷，在電荷沒(méi)有泄漏前，仍保持著原有電壓，這時(shí)電

5、源電壓波形仍按正弦規(guī)律變化。當(dāng)斷路器斷口間的電壓差越來(lái)越大時(shí)，斷口間絕緣被擊穿，電弧重燃，電源電壓又向線路充電，引起線路上的電壓振蕩，造成過(guò)電壓。根據(jù)分析，斷路器斷口間的電弧重燃次數(shù)越多，過(guò)電壓數(shù)值也越高。當(dāng)合空載長(zhǎng)線路時(shí)，線路電壓從零值變化到電源側(cè)電壓值，也經(jīng)過(guò)一個(gè)振蕩過(guò)程，出現(xiàn)過(guò)電壓。如果線路上有殘留電荷時(shí)合閘，例如斷路器跳閘后又重合，這時(shí)的過(guò)電壓與切空載線路時(shí)電弧重燃引起的過(guò)電壓相似。/ 軌道交通的防雷、過(guò)電壓防護(hù) / 06防雷、過(guò)電壓防護(hù)1.12.過(guò)電壓的產(chǎn)生（2）內(nèi)部過(guò)電壓2）操作過(guò)電壓b.切合空載變壓器引起過(guò)電壓在切空載變壓器時(shí)，由于勵(lì)磁電流很小，斷路器的滅弧能力又很強(qiáng)，因此在電流

6、自然過(guò)零前可能被強(qiáng)行切斷，在此截流的瞬間，變壓器線圈上的磁場(chǎng)能量可能以振蕩形式轉(zhuǎn)換給線圈或?qū)Φ氐男‰娙?，引起線圈匝間或?qū)Φ剡^(guò)電壓。切合空載變壓器時(shí)也可能引起過(guò)電壓，特別是如果三相非同期合閘時(shí)，變壓器對(duì)地電容和匝間縱向電容與變壓器電感產(chǎn)生振蕩，過(guò)電壓倍數(shù)可能很高。c.單相弧光接地過(guò)電壓對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，如果線路較多，對(duì)地電容電流較大，則當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，接地電流較大，接地電弧不易熄滅，常常是電弧熄滅后又重燃，形成間隙性電弧，引起故障相和其余健全相的電感電容回路上產(chǎn)生高頻振蕩過(guò)電壓。其電壓數(shù)值一般可達(dá)相電壓的33.5倍，在最不利情況下，甚至高達(dá)相電壓的7.5倍。/ 軌道交通的防雷、過(guò)電壓防護(hù)

7、/ 07防雷、過(guò)電壓防護(hù)1.12.過(guò)電壓的產(chǎn)生（2）內(nèi)部過(guò)電壓3）諧振過(guò)電壓a.線性諧振過(guò)電壓線性諧振過(guò)電壓的諧振串聯(lián)電路的電容、電感都為恒定常數(shù)。在串聯(lián)諧振回路內(nèi)，如果電源中某次諧波的頻率正好與電路的振蕩頻率相同，則發(fā)生串聯(lián)諧振。如果電路中的電阻為零，則串聯(lián)諧振時(shí)電流為無(wú)窮大，電感、電容上的電壓也為無(wú)窮大。實(shí)際上電路中總是存在電阻，因此，線路諧振過(guò)電壓不是無(wú)窮大，可通過(guò)公式求得。b.鐵磁諧振過(guò)電壓鐵磁諧振過(guò)電壓的特點(diǎn)是電路中的電感帶有鐵芯，由于鐵芯電感的感抗隨電源電壓的變化而變化，不是一個(gè)常數(shù)。在正常運(yùn)行條件下，電感、電容串聯(lián)回路中感抗大于容抗，由于出現(xiàn)某種因素導(dǎo)致電感兩端電壓有所升高，使鐵

8、芯飽和，感抗減小，當(dāng)感抗變得小于容抗時(shí)，電路相位從感性變?yōu)槿菪?，形成相位翻轉(zhuǎn)。這時(shí)回路中的電流突然升高，電容、電感上的壓降也突然升高，形成過(guò)電壓，這種過(guò)電壓成為鐵磁諧振過(guò)電壓。/ 軌道交通的防雷、過(guò)電壓防護(hù) / 08防雷、過(guò)電壓防護(hù)1.12.過(guò)電壓的產(chǎn)生（2）內(nèi)部過(guò)電壓3）諧振過(guò)電壓c.參數(shù)諧振過(guò)電壓參數(shù)諧振過(guò)電壓是指水輪發(fā)電機(jī)組的同步電抗在直軸電抗與交軸電抗之間周期性地變動(dòng)，或者水輪發(fā)電機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)的定子磁通發(fā)生變動(dòng)引起電抗周期性變動(dòng)，這時(shí)如果外電路的容抗與發(fā)電機(jī)的同步電抗正好相等，就會(huì)出現(xiàn)電流、電壓諧振現(xiàn)象，使發(fā)電機(jī)端子電壓和電流急劇上升，不僅影響設(shè)備絕緣，而且影響發(fā)電機(jī)并網(wǎng)。這種現(xiàn)象稱(chēng)

9、為參數(shù)諧振過(guò)電壓。3.電氣設(shè)備的絕緣配合設(shè)備在持續(xù)工頻電壓、暫時(shí)過(guò)電壓和操作過(guò)電壓下的相對(duì)地和相間絕緣性能，用短時(shí)工頻耐受電壓試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)；在雷電過(guò)電壓下，設(shè)備的相對(duì)地和相間絕緣性能用雷電沖擊試驗(yàn)檢驗(yàn)；設(shè)備的縱絕緣性能用短時(shí)工頻電壓和雷電沖擊電壓試驗(yàn)檢驗(yàn)。大綱匯報(bào)軌道交通防雷、過(guò)電壓防護(hù)牽引變電所的防雷設(shè)計(jì)架空接觸網(wǎng)的防雷設(shè)計(jì)走行軌系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)1234/ 牽引變電所的防雷 / 01變電所主接線的防雷設(shè)計(jì)2.1存在兩種方案：（1）直流牽引系統(tǒng)直流正饋線對(duì)地、負(fù)母線對(duì)地、正負(fù)母線間設(shè)置避雷器。（2）直流牽引系統(tǒng)正饋線對(duì)地、負(fù)母線對(duì)地設(shè)置避雷器。小結(jié)：（1）通常情況下，由于整流器已經(jīng)設(shè)置了RC阻容保

10、護(hù)回路的前提下，不建議再重復(fù)設(shè)置直流正負(fù)母線間的避雷器。（2）避免直流正饋線對(duì)地避雷器調(diào)整為直流正母線對(duì)地避雷器，引起感應(yīng)雷過(guò)電壓穿越柜體放電燒蝕設(shè)備。大綱匯報(bào)軌道交通防雷、過(guò)電壓防護(hù)牽引變電所的防雷設(shè)計(jì)架空接觸網(wǎng)的防雷設(shè)計(jì)走行軌系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)1234/ 架空接觸網(wǎng)的防雷 / 01架空接觸網(wǎng)防雷3.11.接觸網(wǎng)的防雷措施接觸網(wǎng)架空地線兼做避雷線。避雷線的保護(hù)效果取決于避雷線的安裝高度。一般確定接閃器的布置位置時(shí)采用的方法有保護(hù)角法、滾球法等，兩種方法確定的接閃器具體設(shè)置位置存在較大的分歧。電力系統(tǒng)中及日本新干線鐵路中避雷線一般采用保護(hù)角法。在建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范中，推薦采用滾球法，不采用保護(hù)角法

11、。兩根等高接閃線在高度h 小于或等于h r 時(shí)的保護(hù)范圍 / 架空接觸網(wǎng)的防雷 / 01架空接觸網(wǎng)防雷3.12. 防雷計(jì)算方法架空地線兼做避雷線，其所保護(hù)的設(shè)施取一類(lèi)建筑（防護(hù)等級(jí)最高），滾球半徑為Hr=30 米，根據(jù)此核算架空地線高度安裝避雷線即可保護(hù)所有接觸網(wǎng)導(dǎo)線，據(jù)此做出架空地線的保護(hù)范圍見(jiàn)右圖。/ 架空接觸網(wǎng)的防雷 / 01架空接觸網(wǎng)防雷3.13. 絕緣子爬電問(wèn)題通常情況下，絕緣子的爬電距離按照250mm設(shè)計(jì)，從本圖中可以看出，當(dāng)出現(xiàn)雷電反擊時(shí)，接觸線、承力索均通過(guò)平腕臂、斜腕臂存在一定的衰減，而輔助饋線卻是從導(dǎo)線直接到絕緣子的。不可避免的，輔助饋線絕緣子承受了雷電反擊能量較大。這也是，城市軌道交通中，往往輔助饋線絕緣子先行損傷的原因。/ 架空接觸網(wǎng)的防雷 / 01架空接觸網(wǎng)防雷3.13. 絕緣子爬電問(wèn)題通常情況下，絕緣子的爬電距離按照250mm設(shè)計(jì)，從本圖中可以看出，當(dāng)出現(xiàn)雷電反擊時(shí)，接觸線、承力索均通過(guò)平腕臂、斜腕臂存在一定的衰減，而輔助饋線卻是從導(dǎo)線直接到絕緣子的。不可避免的，輔助饋線絕緣子承受了雷電反擊能量較大。這也是，城市軌道交通中，往往輔助饋線絕緣子先行損傷的原因。解決方案： 選用高爬電的輔助饋線絕緣子400mm大綱匯報(bào)軌道交通防雷、過(guò)電壓防護(hù)牽引變電所的防雷設(shè)計(jì)架空接觸網(wǎng)的防雷設(shè)計(jì)走行軌系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)1234/ 走行軌系統(tǒng)的防雷 / 01走行軌防雷4.11