城市轨道交通直流牵引系统防雷技术的思考

1、2016年09月城市轨道交通直流牵引系统防雷技术的思考汇报人：孙名刚大纲汇报轨道交通防雷、过电压防护牵引变电所的防雷设计架空接触网的防雷设计走行轨系统的防雷设计1234/ 轨道交通的防雷、过电压防护 / 01防雷、过电压防护1.11.过电压的分类由于雷击或电力系统中的操作、事故等原因，使某些电气设备和线路上承受的电压大大超过正常运行电压，使设备或线路的绝缘遭受破坏。电力系统中这种危及绝缘的电压升高称为过电压。过电压按引起的原因不同分为大气过电压和内部过电压。由雷电引起的过电压叫做大气过电压；大气过电压分为直击雷过电压和感应雷过电压；电力系统中内部操作或故障引起的过电压叫做内部过电压；内部过电压

2、分为工频过电压、操作过电压和谐振过电压。/ 轨道交通的防雷、过电压防护 / 02防雷、过电压防护1.1/ 轨道交通的防雷、过电压防护 / 03防雷、过电压防护1.12.过电压的产生（1）大气过电压1）直击雷过电压直击雷过电压是指雷电直接对电气设备或线路放电，将电器设备或线路击毁的过电压事故。防止雷击过电压的措施是采用独立避雷针或避雷带。2）感应雷过电压感应雷过电压是指雷电虽然没有直接击中电气设备或线路，但是由于大气中的雷云电荷作用，在电力系统的架空线路上感应出异种电荷。当雷云对地面或其他物体放电时，雷云电荷迅速流入地中，架空电力线路上的感应电荷由于失去雷云电荷对他的束缚，而向两侧迅速流动。迅速

3、流动的感应电荷形成雷电流进行波，对电器设备的绝缘构成威胁，成为雷电入侵波，也就是所谓感应雷电压。防止感应雷的措施是在适当的位置安装合适的避雷器或保护间隙。/ 轨道交通的防雷、过电压防护 / 04防雷、过电压防护1.12.过电压的产生（2）内部过电压1）工频过电压工频过电压又分为工频稳态过电压和工频暂态过电压。a.工频稳态过电压工频稳态过电压主要是指空载长线路末端的电压升高，在三相中性点不接地系统中发生单相接地时，其他两相对地电压的升高。工频稳态过电压对系统中电气设备的正常绝缘一般无多大危害，因此不需要采取特殊措施来加以限制。但是工频稳态过电压对避雷器的工作状态有重要影响，而且又常常是其他过电压

4、的基值，因此也不能忽视。b.工频暂态过电压工频暂态过电压是指当系统内突然跳闸，甩掉大量负荷后，在发电机组的调速器及调压器来不及作用的短暂瞬间内，发电机的转速上升而引起的电压升高。暂态过电压时间很短，数值也不大，一般不需要采取特殊限制措施。/ 轨道交通的防雷、过电压防护 / 05防雷、过电压防护1.12.过电压的产生（2）内部过电压2）操作过电压a.切合空载长线路引起过电压切空载长线路产生过电压是由于开关灭弧能力不强，触头具有重燃现象的结果。切空载长线路如同且电容器一样，在开关触头电流经过零值时，电弧瞬间熄灭。但由于这时电压不为零，因此线路上有残留电荷，在电荷没有泄漏前，仍保持着原有电压，这时电

5、源电压波形仍按正弦规律变化。当断路器断口间的电压差越来越大时，断口间绝缘被击穿，电弧重燃，电源电压又向线路充电，引起线路上的电压振荡，造成过电压。根据分析，断路器断口间的电弧重燃次数越多，过电压数值也越高。当合空载长线路时，线路电压从零值变化到电源侧电压值，也经过一个振荡过程，出现过电压。如果线路上有残留电荷时合闸，例如断路器跳闸后又重合，这时的过电压与切空载线路时电弧重燃引起的过电压相似。/ 轨道交通的防雷、过电压防护 / 06防雷、过电压防护1.12.过电压的产生（2）内部过电压2）操作过电压b.切合空载变压器引起过电压在切空载变压器时，由于励磁电流很小，断路器的灭弧能力又很强，因此在电流

6、自然过零前可能被强行切断，在此截流的瞬间，变压器线圈上的磁场能量可能以振荡形式转换给线圈或对地的小电容，引起线圈匝间或对地过电压。切合空载变压器时也可能引起过电压，特别是如果三相非同期合闸时，变压器对地电容和匝间纵向电容与变压器电感产生振荡，过电压倍数可能很高。c.单相弧光接地过电压对于中性点不接地系统，如果线路较多，对地电容电流较大，则当发生单相接地时，接地电流较大，接地电弧不易熄灭，常常是电弧熄灭后又重燃，形成间隙性电弧，引起故障相和其余健全相的电感电容回路上产生高频振荡过电压。其电压数值一般可达相电压的33.5倍，在最不利情况下，甚至高达相电压的7.5倍。/ 轨道交通的防雷、过电压防护

7、/ 07防雷、过电压防护1.12.过电压的产生（2）内部过电压3）谐振过电压a.线性谐振过电压线性谐振过电压的谐振串联电路的电容、电感都为恒定常数。在串联谐振回路内，如果电源中某次谐波的频率正好与电路的振荡频率相同，则发生串联谐振。如果电路中的电阻为零，则串联谐振时电流为无穷大，电感、电容上的电压也为无穷大。实际上电路中总是存在电阻，因此，线路谐振过电压不是无穷大，可通过公式求得。b.铁磁谐振过电压铁磁谐振过电压的特点是电路中的电感带有铁芯，由于铁芯电感的感抗随电源电压的变化而变化，不是一个常数。在正常运行条件下，电感、电容串联回路中感抗大于容抗，由于出现某种因素导致电感两端电压有所升高，使铁

8、芯饱和，感抗减小，当感抗变得小于容抗时，电路相位从感性变为容性，形成相位翻转。这时回路中的电流突然升高，电容、电感上的压降也突然升高，形成过电压，这种过电压成为铁磁谐振过电压。/ 轨道交通的防雷、过电压防护 / 08防雷、过电压防护1.12.过电压的产生（2）内部过电压3）谐振过电压c.参数谐振过电压参数谐振过电压是指水轮发电机组的同步电抗在直轴电抗与交轴电抗之间周期性地变动，或者水轮发电机、汽轮发电机的定子磁通发生变动引起电抗周期性变动，这时如果外电路的容抗与发电机的同步电抗正好相等，就会出现电流、电压谐振现象，使发电机端子电压和电流急剧上升，不仅影响设备绝缘，而且影响发电机并网。这种现象称

9、为参数谐振过电压。3.电气设备的绝缘配合设备在持续工频电压、暂时过电压和操作过电压下的相对地和相间绝缘性能，用短时工频耐受电压试验来检验；在雷电过电压下，设备的相对地和相间绝缘性能用雷电冲击试验检验；设备的纵绝缘性能用短时工频电压和雷电冲击电压试验检验。大纲汇报轨道交通防雷、过电压防护牵引变电所的防雷设计架空接触网的防雷设计走行轨系统的防雷设计1234/ 牵引变电所的防雷 / 01变电所主接线的防雷设计2.1存在两种方案：（1）直流牵引系统直流正馈线对地、负母线对地、正负母线间设置避雷器。（2）直流牵引系统正馈线对地、负母线对地设置避雷器。小结：（1）通常情况下，由于整流器已经设置了RC阻容保

10、护回路的前提下，不建议再重复设置直流正负母线间的避雷器。（2）避免直流正馈线对地避雷器调整为直流正母线对地避雷器，引起感应雷过电压穿越柜体放电烧蚀设备。大纲汇报轨道交通防雷、过电压防护牵引变电所的防雷设计架空接触网的防雷设计走行轨系统的防雷设计1234/ 架空接触网的防雷 / 01架空接触网防雷3.11.接触网的防雷措施接触网架空地线兼做避雷线。避雷线的保护效果取决于避雷线的安装高度。一般确定接闪器的布置位置时采用的方法有保护角法、滚球法等，两种方法确定的接闪器具体设置位置存在较大的分歧。电力系统中及日本新干线铁路中避雷线一般采用保护角法。在建筑物防雷设计规范中，推荐采用滚球法，不采用保护角法

11、。两根等高接闪线在高度h 小于或等于h r 时的保护范围 / 架空接触网的防雷 / 01架空接触网防雷3.12. 防雷计算方法架空地线兼做避雷线，其所保护的设施取一类建筑（防护等级最高），滚球半径为Hr=30 米，根据此核算架空地线高度安装避雷线即可保护所有接触网导线，据此做出架空地线的保护范围见右图。/ 架空接触网的防雷 / 01架空接触网防雷3.13. 绝缘子爬电问题通常情况下，绝缘子的爬电距离按照250mm设计，从本图中可以看出，当出现雷电反击时，接触线、承力索均通过平腕臂、斜腕臂存在一定的衰减，而辅助馈线却是从导线直接到绝缘子的。不可避免的，辅助馈线绝缘子承受了雷电反击能量较大。这也是，城市轨道交通中，往往辅助馈线绝缘子先行损伤的原因。/ 架空接触网的防雷 / 01架空接触网防雷3.13. 绝缘子爬电问题通常情况下，绝缘子的爬电距离按照250mm设计，从本图中可以看出，当出现雷电反击时，接触线、承力索均通过平腕臂、斜腕臂存在一定的衰减，而辅助馈线却是从导线直接到绝缘子的。不可避免的，辅助馈线绝缘子承受了雷电反击能量较大。这也是，城市轨道交通中，往往辅助馈线绝缘子先行损伤的原因。解决方案： 选用高爬电的辅助馈线绝缘子400mm大纲汇报轨道交通防雷、过电压防护牵引变电所的防雷设计架空接触网的防雷设计走行轨系统的防雷设计1234/ 走行轨系统的防雷 / 01走行轨防雷4.11