邓云川,林宗良,易志兴,曹晓斌

(1.中铁二院工程集团有限责任公司,成都　610031； 2.西南交通大学电气工程学院,成都　610031)



抗雷线圈在变电所馈线防雷中的作用研究

邓云川1,林宗良1,易志兴2,曹晓斌2

(1.中铁二院工程集团有限责任公司,成都610031； 2.西南交通大学电气工程学院,成都610031)

摘要：雷电波侵入是牵引变电所主要的雷害方式,牵引变电所馈线侧抗雷线圈与避雷器的组合方式不同,对馈线侧设备雷电过电压的影响不同。拟通过仿真分析,探明抗雷线圈安装方式及参数对变电所馈线侧雷电过电压的影响规律,明确抗雷线圈的防护效果,对设计提出建议。首先,通过电磁暂态仿真软件建立变电所馈线侧模型,分馈线侧架设抗雷线圈和不架设抗雷线圈两种情况进行研究；仿真得到雷电侵入变电所时,两种情况下变电所设备的过电压波形；通过比较分析过电压波形的差异,得到不同情况下抗雷线圈的防雷效果。

关键词：铁路；牵引变电所；馈线；抗雷线圈

1概述

牵引变电所一旦发生雷害事故，将造成接触网停电，中断行车。雷电侵入波过电压是牵引变电所发生事故的主要原因，现有的研究主要针对输电线路，铁路的防雷研究大部分也是针对接触网，牵引变电所防雷研究相对较少。

牵引变电所进线侧为110 kV或220 kV输电线路，架设有避雷线和避雷器，而且绝缘等级高，对雷电侵入波的耐受能力强，不易损坏。而牵引变电所馈线侧只有27.5 kV，电压等级低，而且馈线侧均无避雷线保护，容易受到雷击，雷击发生后，雷电流沿馈线或负馈线传播，侵入牵引变电所内部，对高压设备造成危害。

牵引变电所馈线侧防雷设备主要有避雷器和抗雷线圈，文献[1]分析了牵引变电所馈线避雷器的安装地点与方式，文献[2]提出避雷器和抗雷线圈的组合方式对牵引变电所内设备过电压有较大的影响。文献[3]讨论了GIS牵引变电所馈线绝缘子闪络情况、电缆长度及避雷器对雷电入侵波的影响。本文将在上述研究的基础上，重点分析抗雷线圈在馈线防雷中所起的作用，以及其参数对馈线侧过电压的影响。

2计算模型

2.1雷电流分布模型

图1　牵引变电所雷电入侵仿真模型

当高速铁路牵引变电所馈线侧设备及临近变电所的接触网遭受雷击时，雷电流通过馈线及回流线侵入牵引变电所，对所内设备造成危害。为了研究馈线侧雷电波侵入时变电设备上过电压的幅值，本文搭建了如图1所示的仿真模型。图1中，雷电流采用2.6/50 μs的标准波形，雷电通道的波阻抗取300 Ω，充分考虑到线路的分流作用，在雷击点两端均采用LCC线路模型，支柱处绝缘子采用压控开关模型，绝缘子的冲击闪络电压U50%取275 kV。当输电线路发生雷击故障时，如果线路电压超过了绝缘子闪络电压，雷电流将击穿线路绝缘子，一部分电流通过杆塔流入大地，另一部分沿线路侵入变电所，对变电所内高压设备造成危害。

考虑各种设备运行老化等因素，计算中对各设备的绝缘保证强度的判据取设备额定冲击耐受电压(BIL)除以相应的安全系数，根据标准GB311.1—1997的规定，对内绝缘的安全配合因数(Kc)取为1.15。

因此，当设备上承受的雷电过电压幅值高于表1中的绝缘保证强度时，即有可能对所内设备造成损坏。

表1　27.5 kV侧设备雷电冲击耐受水平

2.2抗雷线圈的安装方式

基于初步仿真条件，对抗雷线圈和避雷器的安装分为以下5种方式进行对比研究(避雷器伏安特性与前述相同，抗雷线圈电感值取0.5 mH)。

(1)馈线侧无避雷器保护，无抗雷线圈；

(2)馈线侧有避雷器保护，无抗雷线圈；

(3)馈线侧无避雷器保护，有抗雷线圈；

(4)馈线侧有避雷器和抗雷线圈，抗雷线圈位于避雷器与所内电气设备之间；

(5)有避雷器和抗雷线圈，抗雷线圈位于避雷器与所内电气设备外侧。

3牵引变电所雷电过电压分析

3.1抗雷线圈安装方式对过电压的影响

由于雷电过电压从馈线侧侵入牵引变电所时，经过复杂的折反射，末端牵引变压器上的过电压应最高，其运行安全受威胁程度最大，因此，本小节主要考虑加入抗雷线圈后牵引变压器上的过电压幅值和波前陡度，5种方式下的牵引变压器上过电压幅值和波前陡度如表2所示。

表2　牵引变压器上过电压幅值和波前陡度

比较第1组和第2组可得，使用避雷器后，过电压幅值降低了61.02%，效果非常明显，但波前陡度却基本不发生变化，如图2所示。验证了避雷器只能限制侵入波幅值，但对侵入波的波前陡度基本起不到降低的作用。

比较第1组和第3组可得，在不加入避雷器保护时使用抗雷线圈，波前陡度大幅度降低，达到34.38%；而幅值却降低很少，只有4.42%，如图3所示。说明抗雷线圈能很好地降低侵入波陡度，而限制侵入波幅值的作用却十分有限。

图2　第1组安装和第2组安装方案过电压波形比较

图3　第1组安装和第3组安装方案过电压波形比较

比较第2组和第4组可得，在避雷器和牵引变电所设备之间加入抗雷线圈时，虽然可明显限制波前陡度(下降了51.12%)，但过电压幅值却有所上升(上升了22.33%)，如图4所示。说明抗雷线圈安装于避雷器和牵引变电所设备之间，虽然可明显降低波前陡度，但同时也削弱了避雷器对牵引变电所内设备的保护作用，使牵引变压器上过电压相对于只有避雷器保护时有所升高。

比较第2组和第5组可得，在避雷器和牵引变电所设备之前安装抗雷线圈，不仅有助于限制波前陡度(下降了50.33%)，同时对降低过电压幅值也有作用(下降了13.69%)；此外，比较第4组和第5组可得，抗雷线圈安装方式的不同对限制波前陡度的作用相差无几，但在避雷器和牵引变电所设备之前安装抗雷线圈，可降低侵入波过电压幅值，如图4所示。

图4　第2组安装、第4组安装和第五组安装方案过电压波形比较

3.2抗雷线圈的电感值对侵入波的影响

在确定了抗雷线圈的安装方式后，选取电感值不同的抗雷线圈，观察牵引变压器上过电压幅值和波前陡度，如表3所示。

将牵引变压器上的过电压幅值和其波前陡度随抗雷线圈电感值变化的趋势在EXCEL中绘制如图5、图6所示。

表3　不同抗雷线圈电感值的仿真计算结果

图5　过电压幅值随抗雷线圈电感变化趋势

图6　电压波前陡度随抗雷线圈电感变化趋势

从表3和图3、图6中可以得到，随着抗雷线圈电感值的增加，牵引变压器上过电压幅值和波前陡度均减小，说明电感越大，对侵入波的限制作用越强。1 mH的抗雷线圈便可以将初步仿真条件下(30 kA，雷击点距牵引变电所400 m)在末端牵引变压器上的过电压幅值限制在设备耐受值之下，并且将波前陡度也限制到了对防雷而言十分可观的范围内。

但同时也应注意到，抗雷线圈电感值越大，其生产成本也就越高，因此，在考虑防雷效果和经济性的基础上选择合适的电感。电感值更大的抗雷线圈虽然防雷效果更加显著，但成本过高使其经济性降低，有悖于牵引供电系统设备选择的基本准则。

4结论

本文通过仿真研究了抗雷线圈在牵引变电所馈线侧防雷中的作用，通过仿真分析得出如下结论。

(1)由于抗雷线圈不具有能量释放作用，只能延长雷电能量释放时间，降低波前陡波，因此抗雷线圈单独作用对降低变压器上的雷电过电压效果非常有限，必需与避雷器共同使用才能有较好的效果。

(2)抗雷线圈架设的位置对防雷效果的影响非常大，当抗雷线圈架设在牵引变电所的入口时，能有效延长雷电波作用在避雷器上的时间，放置在避雷器之后时，可以提高避雷器上作用电压的幅值，相对而言，放置在避雷器之前的防雷效果最好。

(3)抗雷线圈的电感越大，对雷电侵入波的限制能力越强，但随电感的增大，如电感值大于0.5 mH后，其效果快速下降，因此建议抗雷线圈取值在0.5～1.0 mH。

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Effect of Lightning-proof Reactor in Protection of Substation FeederDENG Yun-chuan1, LIN Zong-liang1, YI Zhi-xing2, CAO Xiao-bin2

(1.China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Chengdu 610031, China;

2.School of Electrical Engineering Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract：The invasion of lightning is the main lightning damage to the traction substation. Different combinations of lightning-proof reactor and arrester may pose different effects on lightning over-voltage of feeder side equipment. This paper tries to find out the effects of the installation methods and parameters of lightning-proof reactor on lightning over-voltage of feeder side equipment, to define the protection effects of lightning-proof reactor, and to put forward recommendations on the design. First, circuit models for substation feeder side are established with electro-magnetic transient simulation software to analyze the differences with lightning-proof reactor and without on feeder side. Then, over-voltage waveforms on equipment are obtained with simulation for the two circumstances. At last, lightning protection effects of lightning-proof reactor in different cases are obtained through analysis of the difference in over-voltage waveforms.

Key words：Railway; Traction substation; Feeder; Lightning-proof reactor

中图分类号：U224； TM216

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.034

文章编号：1004-2954(2015)05-0150-03

作者简介：邓云川(1974—)，男，教授级高级工程师，1997年毕业于西南交通大学电气工程系，工学学士；2003年毕业于西南交通大学电气工程学院，工程硕士。

收稿日期：2014-08-26； 修回日期：2014-09-01