电气化铁路10kV贯通线系统绝缘遭雷击损坏的研究和预防

摘 要:文章介绍了电气化铁路10kV贯通线系统遭受雷击的表现形式,分析了10kV贯通线系统遭受雷击的原因,提出了防止10kV贯通线雷击损坏的研究与预防。

关键词:10kV贯通线系统;雷击损坏;研究与预防

内蒙古境内高原起伏、地势起伏不平,雷电活动强烈,电气化铁路处于高、强雷区,10kV贯通线系统经常遭受雷电袭击,造成配电所跳闸停电、击毁10kV贯通线支柱等供电故障,严重影响铁路行车安全,因此加强10kV贯通线系统绝缘遭雷击损坏的研究和预防具有重要意义。

一、10kV贯通线系统遭受雷击的现象

电气化铁路10kV贯通线是户外供电装置,经常遭受风、雨、雷击等恶劣气候条件的影响,一旦受到雷电侵入,将对10kV贯通线造成严重的危害性,具体现象为:①雷电击穿10kV贯通线高压绝缘子,使10kV贯通线故障停电。②引起10kV配电所跳闸,中断供电使铁路运输无信号而瘫痪。③在隧道中,由于10kV贯通线用电缆敷设,一旦遭雷击查找故障特别困难,因而造成停电时间较长,致使铁路运输很难及时恢复。

二、雷击10kV贯通线的特点

雷击10kV贯通线包括直接雷击和感应雷击等。

直接雷击是指雷电直接作用于贯通线上,使其产生直击雷过电压,过电压叠加后其峰值可达上千千伏甚至更高,导致10kV贯通线设备烧损。

感应雷击是指雷电作用于10kV贯通线附近,雷击对地放电后,空气中迅速变化的电磁场在10kV贯通线上产生感应过电压。感应过电压一般为数百千伏,引发10kV贯通线跳闸事故较多,但比直接雷击危害性较小。

三、10kV贯通线系统遭受雷击的原因

(一)避雷器性能不佳

以前电气化铁路10kV贯通线所使用的各种避雷器,其性能指标不仅不高,而且稳定性也很差,需要进一步提高,像作为主要性能指标的“避雷器失效率”一直以来都是一个问题。避雷器一旦失效,不仅需要让使用方立即察觉,而且需要保证其呈开路状态,否则将带来无法估量的损失。因此我们不选用常规阀型避雷器和氧化锌避雷器,而采用最先进的自托式氧化锌避雷器进行放电预防。

(二)接地电阻较大,从而降低10kV贯通线耐雷水平

电气化铁道沿线为实线性黄土,土壤电阻率普遍较高,尤其是大准铁路唐公塔~清水河、丹州营~黍地沟,多处于岩石地段,因此制作低电阻地网十分困难,而且投入很大;使用常规方法作成地网后 ,其接地电阻大都随着时间的推移而不断增高,而且随一年四季气候的变化而不断变化。用常规方法做成的地网,其常规金属接地极很容易被酸、碱、盐和土壤中污染物所腐蚀,在腐蚀过程中不仅其接地电阻不断增加,而且其寿命都很短,一般不超过3年。

(三)10kV贯通线的接地数量不足

大准铁路全线264km,10kV贯通线的隔离开关、电缆头、变电台及部分杆塔都有接地装置,但多年来,被铁路沿线村民偷盗严重,有部分丢失,已经起不到接地作用,因此10kV贯通线的接地数量应及时补足。

四、10kV贯通线系统绝缘遭雷击损坏研究与预防的分析

经过实地了解和查看设计10kV配电所在输入端已安装有额定电压10kV的高压避雷器;输出端都装有额定电压10kV的避雷器。根据多年的运行情况来看,配电所遭受雷击损坏的设备概率很低,可以说配电所的前后两级避雷器已经很好地起到了防雷保护的作用。但是各地反应在配电所两端架空10kV贯通线上,每年多次发生因雷击而造成10kV贯通线绝缘子被击穿损坏,从而造成故障停电中断行车的事故屡见不鲜。

10kV贯通线绝缘子所能承受的绝缘耐压约为35kV,而雷电直接击中10kV贯通线某点上,雷电流从落雷点沿10kV贯通线向两端传输过程中产生的冲击电压约为1500kV,是10kV贯通线绝缘耐压的42.8倍多,将击穿10kV贯通线的绝缘子。

其冲击电压按下式计算:

U=L·di/dt

式中:L为10kV贯通线的冲击电感,通常取L=1.5μΗ/m

di取10kA dt取10μs

U=L·di/dt

=1500×106×(10×103/10×106)

=1.5×106V

距落雷点不同距离D的冲击电压由下表可知:

D(m)50100150200

U(kV)75150225300

因此,我们可以得出一个简单的结论:10kV配电所10kV侧的避雷器,只能保护10kV配电所本身的所用变压器和开关设备,对于稍远一点的10kV贯通线上某点(如配电所几百米)遭直接雷击,由于在传输过程中感抗的作用,由(U=L·di/dt)产生的高脉冲电压将击穿10kV贯通线支柱的绝缘子 ,根本起不到保护作用。

五、电气化铁路10kV贯通线系统防雷方法及预防措施

10kV贯通线雷电防护的重点是在铁路沿线设备上安装避雷器,使雷电通过避雷器经泄流流入大地,从而达到保护10kV贯通线支持装置中绝缘子的目的。

根据各地运行情况分析,10kV贯通线雷电预防的具体措施是:(1)10kV贯通线在电缆头、变电台上安装10kV自托式氧化锌避雷器。根据10kV贯通线受雷击原因和概率分析,在常遭雷击的多雷区段(如大红城~鸡鸣驿段),在10kV架空线路上各2公里安装1组自托式氧化锌避雷器。强雷区(如外西沟~新店子951电源线)安装等距离的架空地线;(2)在隧道出、入口两端的电缆终端头上各装设一组自托式氧化锌避雷器;在10kV贯通线关键设备上(如分段开关、隔离开关等处)应分别装设一组自托式氧化锌避雷器。(3)由于10kV贯通线的操作过电压较高,一般是工作电压的2.5~2.8倍,因此避雷器在选择时,应考虑避雷器标称放电电流值足够大,保护水平(残压峰值)应低于10kV贯通线绝缘子的耐压。(4)在电气化铁路沿线10kV贯通线杆塔每隔1公里做一地网与10kV贯通线杆塔横担或水泥柱可靠接地,使每组地网的接地电阻符合要求。原有地网接地电阻≤10Ω的不做补充地网。如土壤电阻率≤1 000Ω·m以下地区,接地电阻≤10Ω。若土壤电阻率>1 000Ω· m以上地区,接地电阻≥20Ω,应补充地网,采用长效降阻接地极和长效降阻剂制作接地网,从而降低接地电阻值,使接地网长期处于低电阻状态,达到防止雷击损坏电气化铁路电器设备的目的。

参考文献

[1]顾慈祥,冯宝忆.电气设备的防雷技术[M].上海:上海科学技术出版社,1965.

[2]铁道部电化工程局电气化勘测设计处.电气化铁道设计手册—10kV贯通线[S].北京:北京铁道出版社,1983.