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某城市轨道交通地网防雷研究及措施

更新时间:2016-07-05

0 引言

随着我国综合实力的不断发展,人口流动量的增加给各大城市交通带来了更多压力。为了解决该问题,我国各大、中型城市先后开始发展多种轨道交通工具,比如地铁、城轨、磁悬浮列车、轻轨等。因为这些轨道交通具有一次性载容量大、绿色环保、经济实惠以及安全性能高等优点。对于轨道交通而言,唯一取电来源都是接触网的供电系统。因为接触网的建设高度往往离地面较高,因此容易受到雷电过电压的影响。一旦接触网出现问题就会导致无法正常供电,最直接的结果是影响轨道交通的正常运行[1]。更严重的,会造成整个轨道交通系统的奔溃。因此,加大对接触网防雷技术的研究,对保障电力系统安全稳定运行以及降低事故发生概率等具有非常重要的社会意义。

四氢呋喃用量和提取温度对叶黄素提取量影响的响应面和等高线见图5。如图5所示,固定KOH甲醇溶液质量浓度为0.1g/mL,当提取温度一定时,稻谷中叶黄素提取量随四氢呋喃用量的增加而增加,到达峰值后,叶黄素提取量缓慢下降;当四氢呋喃用量不变时,提取量随温度的上升而增加,在温度到达50℃后,叶黄素提取量随温度上升而逐渐下降。

1 国内外轨道交通网防雷研究现状

针对目前我国轨道交通接触网的防雷研究成果,具体一系列措施:1)在地面接触网供电隔离开关处、架空接触网隧道两端以及牵引变电站杆塔终端等重要地段安置避雷器;2)在不同区域,不同地段的架空地线处,每隔200 m应设置必要的火花间隙;3)沿线每隔500 m设避雷器;4)通过采用硅胶复合绝缘子,用来提高下锚绝缘子的耐雷水平;5)在满足前提条件下,也可以将架空地线升高兼做避雷线;6)为了防止电缆被击穿,可在馈线上网电缆接入处设避雷器等。

国外对于轨道交通接触网线路的雷电防护研究也很多,例如在重雷区,为了提高接触网的耐雷水平,保护供电设备,德国和日本都是采取架设避雷线方法[2]。考虑到轨道交通后期运行与维护因素,对于接触网线路和馈线电缆绝缘的感应过电压防护都只建议在落雷密度较大地区才采取对应措施。

【结论】 乙肝疫苗免疫接种效果显著。做好新生儿乙肝疫苗预防接种,加强中学生及成年人的乙肝疫苗免疫接种。

2 某地区雷击打坏整流站变压器原因分析

某地区轨道交通接触网整流站的变压器被雷电打坏事故见图1。

图1 某牵引变电所整流站变压被击坏图 Fig.1 The diagram of destroyed transformer in a rectifier station of a traction substation

图5为牵引变电所二次电缆屏蔽层干扰等值电路。针对第一种情况而言,通过分析计算后可得,当电阻Rb上的电位增加时,电容耦合作用几乎都加载到弱电控制设备上。一旦感应过电压上升,超过预期值,将会造成控制系统绝缘性严重危害。

3 接触网防雷存在的问题及分析

如图4(a)所示即为第一种情况,它主要是对电缆的屏蔽层在控制设备处进行悬空,而另一侧一次被控设备处采用接地处理。第二种情况如图4(b)所示,对电缆屏蔽层采用一端在控制设备处直接接地,而另一端在一次设备处悬空处理的接地方式处理。

基于对国际教师教育领域发展趋势与我国教师教育实践现状的把握,该项目以教师的反思性实践为切入点。活动的设计与实施遵循“实践—理论—实践—理论”的循环路径,开展叙事探究、反思性论文写作、教学设计与实践等。本期专题遴选了部分文章,与大家分享。

3.1 接触网牵引变电所地电位受二次电缆屏蔽层两点接地方式的影响

相对于在轨道交通接触网走行轨道上直接接地方式而言,本文提出一种采取穿线套管屏蔽措施。在仿真软件中,模拟穿线套管屏蔽作用的方式是采用6分裂导线,其他参数根据国家标准设置。通常要求接地电阻在接触网杆塔中的值要低于10 Ω,仿真中,取杆塔的档距是30 m,雷电流大小是40 kA。图7和图8所示为每基轨道交通接触网杆塔处的电缆不加装穿线套管和加装穿线套管的屏蔽仿真结果。

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图2 电缆地电位干扰等效电路图 Fig.2 Equivalent circuit diagram of ground potential interference of cable

通过图2可看出,如果变电所的地网遭受雷电流的冲击时,整个地网的电位就会快速上升,地网在巨大雷电流冲击下是一种冲击阻抗状态,这时就会造成AB之间产生一个很大的电位差。通过电感与电容的耦合作用,将会把地电位上升带来的电位差,带到电缆芯线上。进而产生一个较大的过电压,造成电缆芯线上的信号发生失真,导致控制设备误动。而且,感应过电压还会作用于相对敏感的二次设备上,容易造成二次设备绝缘的损坏。另一方面,在整个过程当中,因为电流屏蔽层是两点接地方式,所以其表面存在的感应电流就会形成一个环流[7]。如果电缆屏蔽层长期处于环流状态下就会发热,当热量超过屏蔽层的承受值时,就会烧坏电缆屏蔽层和造成绝缘子的损坏,从而影响二次屏蔽电缆的正常使用。

3.2 走行轨道与轨道交通接触网杆塔雷电流之间的影响关系

由于城市轨道交通接触网的特殊性,其信号传输,控制系统等电缆都是采用走行轨的方式铺设,也就是电缆铺设在轨道交通接触网杆塔下的走行轨电缆沟中,如图3所示。下面将结合走行轨电缆的具体情况,分析接触网杆塔下引雷电流时,对走行轨电缆可能造成的危害。

图3 接触网走行轨电缆位置图 Fig.3 Cable position diagram of catenary

当雷电击中轨道交通供电接触网时,不仅会发生闪络现象,同时轨道交通接触网杆塔也会将雷电流通过接地引下线引至接地装置中。由于巨大幅值雷电流的存在,其接地体周围的电势便会迅速升高,此时可以将接地体视为点电极,则其周围的电位升高计算公式为

式中:R为电缆屏蔽层中的接地电阻;re是接地体等效计算半径;Ig表示入地的雷电流;x为走行轨电缆沟与接地装置间的距离长度。

同时,还需要考虑到通过电磁耦合到接触网走行轨电缆屏蔽层上的电势:

本文采用ATP仿真软件,对电缆屏蔽穿线套管在雷电防护措施方面进行仿真分析,见图6。

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对于第二种接地方式,如果电流I通过一次设备流入地网,因为屏蔽层一侧是悬空的,即不构成回路,此时只需要考虑一侧设备Rb上的压降是否会有反击问题。这就对一次设备中的接地电阻提出更高要求。

4 接触网牵引变电所电缆屏蔽层采用合理的一点接地方式

通过上述关于牵引变电所二次电缆屏蔽层与地电位干扰之间的关系,经过研究分析可得。如果屏蔽层采用两点接地方式,就会造成屏蔽层的损坏,信号失真以及控制设备的误动。因此,建议最合理的方式是采用一点接地。因为,对于一点接地方式而言,地电位带来的干扰电流无法形成一个回路,也就不存在阻抗耦合问题,进而就没有共模电压产生。这样一来,对电缆芯线来说,可以起到很好的保护作用,让信号不失真。对于一点接地而言,又分为一次侧设备处接地和控制设备处接地两种方式[12]。接下来将分别对于两种情况进行分析讨论。

目前,我国轨道交通接触网依旧还有很多问题存在。一方面是二次电缆屏蔽接地方式很容易受到牵引变电所地电位产生的干扰作用;另一方面是走行轨道极易受到来自接地装置上的雷电流影响。

图4 牵引变电所电缆屏蔽层接地方式 Fig.4 Grounding mode of cable shielding layer in traction substation

经过分析可得主要是因为接触网部分遭受雷击,一方面是因为采用的绝缘子冲击雷电放电电压较低,只有130~150 kV;另一方面由于只是在接触网牵引变电站进线段的杆塔上安装了避雷器,并且采用两点式接地方式,无其他任何防雷措施。导致雷电侵入过电压防护措施相对较为薄弱,一旦线路部分遭受雷击,就不能有效衰减雷电侵入波的幅值和陡度。如果雷电过电压波峰值不能有效地限制,很有可能超过避雷器本身的额定通流能力,造成避雷器的损坏[3]。也有可能出现避雷器接地电阻偏高以及避雷器动作后的残压偏高等情况,造成整流器损坏。在牵引变电所地网方面,耦合作用带来的电位差也会对设备造成影响。导致接触网大面积发生停电,严重影响轨道交通的正常运行。

图5 干扰等值电路 Fig.5 Interference equivalent circuit

通过上述的计算研究及分析可得,在现有的情况下,一旦轨道交通供电接触网遭到雷击事故时,其绝缘子发生闪络的概率很大。同时,雷电流会通过接地引下线至接触网杆塔接地装置,就会在其周围产生具有脉冲强度大、频率变化快等特点的强干扰。虽然电缆屏蔽层具有一定的抗干扰能力[8],但是当耦合到接触网走行轨的信号电缆表皮上时,电势便会持续升高,这将很有可能造成电缆屏蔽层的破坏。另一方面,考虑到在雷电电磁干扰中,电缆屏蔽层和芯线上都会感应出过电压,当过电压信号叠加到传输信号上时,就会造成传输信号的失真[9-11],导致控制设备误动。

因此,当轨道交通接触网牵引变电所的电缆屏蔽层采用两点接地方式时,无法控制好电位分布和做好均压及散流措施等问题。则应该采用一点接地方式,这样能够使接触网中的屏蔽层线路不构成电流回路,也就不会在屏蔽层中存在环流,从而更好地保护电缆屏蔽层和弱电控制设备。

5 通过加装穿线套管增强接触网杆塔雷电流下引处电缆雷电防护效果

式中:Uy表示耦合到走行轨信号电缆表皮上的电势;s表示走行轨电缆的屏蔽系数;y表示接地装置与接触网杆塔走行轨处电缆沟之间的距离;γ表示接触网杆塔走行轨处电缆的“电缆屏蔽层—大地”常数,本文取1.35×10-3/m。经过计算,可以得出信号电缆表皮上的电势受电缆屏蔽层的接地电阻影响较大。

图6 电缆屏蔽层在轨道交通接触网杆塔处接地仿真 Fig.6 The cable shielding layer in the rail traffic contact line tower grounding simulation

对于轨道交通供电接触网牵引变电所二次侧的屏蔽电缆而言,如果采取两点接地方式[4-6],在巨大的雷电流冲击下,接地网本身就会形成一个很大的冲击阻抗,很可能造成电缆屏蔽层之间一个很大的电位差。近似于存在一个共模干扰电压在电缆的屏蔽层和芯线之间作用。电缆地电位干扰等效电路见图2。

图7 不加装穿线套管屏蔽措施仿真结果 Fig.7 The simulation results of shielding measures without threading casing

通过比较图7和图8可知,当每基接触网杆塔处电缆不采取穿线套管屏蔽措施时,电缆屏蔽层上将感应出390 kV的过电压。但是对于穿线套管屏蔽措施来讲,其感应出的雷电过电压仅仅是不穿线套管的四分之一,约为90 kV。综上所述,加装穿线套管屏蔽装置对接触网杆塔处电缆的雷电防护效果非常明显。

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图8 加装穿线套管屏蔽措施仿真结果 Fig.8 The simulation results of shielding measures for threading casing

6 结论

通过对城市轨道交通供电接触网的防雷存在问题以及提出相应的防雷措施的综合分析,针对本文的研究内容以及研究目标,总结创新点如下:

1)通过对某城市轨道交通地网防雷出现的问题进行分析,找出问题的关键点。结合理论分析与现场勘察结果,利用科学方法解决实际问题。

2)通过对轨道交通接触网中的电缆屏蔽层,采取一点式接地方法,也就是将一次设备悬空。这样不仅可以减少雷电流引起的地电位上升问题。而且对屏蔽层和控制设备可以起到很好的保护作用。

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3)针对接触网杆塔雷电流下引对电缆的影响,提出对电缆采取穿线套管屏蔽的措施,并通过ATP-EMTP仿真软件对加装穿线套管和不加装穿线套管两者对于雷电的防护效果进行仿真和对比分析。得出采取穿线套管屏蔽措施比不加装在雷电防护方面效果相对较好。在实际应用中,也对穿线套管屏蔽装置在结构,功能方面进行完善设计。

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林俊超,马亚琦,周威,胡林洁,姜鹏,黄帅
《电瓷避雷器》 2018年第02期
《电瓷避雷器》2018年第02期文献

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