牽引變電所雷擊仿真分析

丁 峰

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電氣化處，西安 710043)

雷電是自然界中頻繁發(fā)生的一種放電現(xiàn)象，其特點(diǎn)是電壓高、電流大、能量釋放時(shí)間短，具有很大的危害性。在我國(guó)多數(shù)地區(qū)，每年都有因雷擊造成的種種危害。最新統(tǒng)計(jì)資料表明，雷電造成的損失已經(jīng)上升到自然災(zāi)害的第三位。正是由于雷電的巨大危害性及其影響面積大，因而受到了各行業(yè)的廣泛關(guān)注。對(duì)于鐵路部門而言，由于雷擊而造成牽引變電所設(shè)備燒損，致使?fàn)恳╇娤到y(tǒng)癱瘓的事故也時(shí)有發(fā)生;根據(jù)路局統(tǒng)計(jì)，每年因雷害而造成的牽引供電系統(tǒng)跳閘事故可占到年事故總量的4%～5%以上。因此，如何采取有效措施來防止雷擊災(zāi)害的發(fā)生，以確保牽引供電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，越來越彰顯出其重要性［1-2]。

目前，關(guān)于牽引變電所防雷設(shè)計(jì)，《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10009—2005)中僅對(duì)所內(nèi)電氣設(shè)備如何防止雷擊進(jìn)行了規(guī)定，而對(duì)如何進(jìn)行防雷接地并未作出相關(guān)要求［3]。本文通過對(duì)牽引變電所直擊雷及入侵雷電波的電磁暫態(tài)仿真，分析雷電流的暫態(tài)作用在地表造成的地表電位分布，研究雷擊對(duì)牽引變電所造成的不確定性危害及如何通過有效接地消除雷電產(chǎn)生的瞬時(shí)過電壓，以期為變電所防雷接地設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 雷電流波形參數(shù)選擇

雷電流具有沖擊特性及非周期特性。為研究雷電放電對(duì)牽引供電系統(tǒng)的危害，對(duì)雷電流波形的確定顯得尤為重要。雷電流波形主要取決于幅值、波頭、波長(zhǎng)等參數(shù)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，盡管每次雷擊的雷電流幅值都存在很大差異，但雷電流的波形卻基本一致:一次雷擊的波頭時(shí)間為1～4 μs，平均為 2～2.6 μs;波長(zhǎng)(半峰值時(shí)間)為 20～100 μs，平均為 40～50 μs［4-5]。

工程設(shè)計(jì)中，為便于對(duì)雷電流進(jìn)行分析、計(jì)算，常將雷電流波形等值為一典型化的、可以用解析式表達(dá)的波形形式。目前采用的雷電流等值波形一般有雙指數(shù)波、斜角波及半余弦波等3種形式，就此3種波形而言，由于雙指數(shù)波與實(shí)際雷電流波形最為接近，因此常被應(yīng)用于表征雷電波。雙指數(shù)波表達(dá)式如下

式中 A——常量;

Im——峰值電流，A;

e——自然對(duì)數(shù)的底;

α——波前時(shí)間常數(shù)的倒數(shù)，s-1;

β——波尾時(shí)間常數(shù)的倒數(shù)，s-1;

t——時(shí)間，s。

由式(1)可知，當(dāng) A、Im、α、β等值確定后，即可對(duì)雷電流波形進(jìn)行擬合。對(duì)于雷電流來說，其主放電形成的初始高峰電流一般為10～30 kA，最高可達(dá)200 kA或更高;參考《軍用飛機(jī)雷電防護(hù)》(GJB2639—96)，取 A=1.094，Im=200 kA，α =11 354 s-1，β =647 265 s-1，可得雷電波形擬合曲線［6-8]，如圖1所示。

圖1 雷電流波形曲線(雙指數(shù)波)

2 雷擊電流暫態(tài)計(jì)算分析

牽引變電所作為牽引供電系統(tǒng)的重要供電設(shè)施，一旦遭受雷電侵害而引起雷電過電壓，致使地表電位分布不均、造成雷電擊穿，將導(dǎo)致人員傷亡及設(shè)備損壞，引起供電中斷，直接影響運(yùn)輸安全。因此，變電所的防雷保護(hù)至關(guān)重要。

對(duì)牽引變電所而言，其遭受雷擊的方式，主要有兩種途徑:直擊雷及雷電波侵入。就此兩種雷擊方式下的牽引變電所場(chǎng)坪地表電位分布進(jìn)行分析計(jì)算。

2.1 分析計(jì)算基本邊界條件

雷電波基本參數(shù)見圖1。

大地電阻率:按均勻分布考慮，取均值100 Ω·m。

牽引變電所接地系統(tǒng)基本參數(shù):地網(wǎng)面積70 m×70 m，埋深0.8 m;水平接地體采用TJ-185;垂直接地極采用φ25 mm銅棒，L=2.5 m。

2.2 直擊雷仿真

為保護(hù)牽引變電所內(nèi)變、配電設(shè)備及運(yùn)行環(huán)境不直接遭受雷擊，通常采用避雷針作為防護(hù)手段。對(duì)避雷針遭受雷擊后變電所區(qū)地表電位分布進(jìn)行仿真計(jì)算如下。

(1)直擊雷仿真計(jì)算模型

變電所避雷針高度按針高30 m考慮，并獨(dú)立設(shè)置地網(wǎng)，其與主地網(wǎng)間距3 m，繪制結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 牽引變電所避雷針—地網(wǎng)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

(2)仿真計(jì)算

對(duì)該模型進(jìn)行仿真計(jì)算，得當(dāng)雷電流峰值200 kA時(shí)，其擊中避雷針后引起的地表電位突變?cè)?.15 μs時(shí)達(dá)到峰值3.7×103kV，位于避雷針安裝處;其后地表電位逐漸衰減，直至0。接地網(wǎng)敷設(shè)處地表電位(峰值)A點(diǎn)800 kV，B點(diǎn)170 kV。仿真結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 變電所地表電位(最大值)三維圖

圖4 避雷針處地表電位(最大值)二維圖

圖5 接地網(wǎng)A點(diǎn)地表電位(最大值)二維圖

圖6 接地網(wǎng)B點(diǎn)地表電位(最大值)二維圖

2.3 入侵雷電波仿真

牽引變電所作為電能生產(chǎn)及變換的重要環(huán)節(jié)，由于具有較長(zhǎng)的進(jìn)、饋線，當(dāng)雷擊線路或大氣放電而使線路感應(yīng)雷電流，雷電流波將沿線路侵入變電所。當(dāng)雷電波由線路遠(yuǎn)端侵入時(shí)，由于沖擊電暈、大地效應(yīng)等的影響，雷電波的幅值會(huì)有所衰減［5];而當(dāng)變電所進(jìn)線段遭受雷擊，雷電波幅值將達(dá)到很高，會(huì)對(duì)所內(nèi)電氣設(shè)備造成極大損害。對(duì)牽引變電所進(jìn)線段避雷線遭受雷擊后變電所區(qū)地表電位分布進(jìn)行仿真計(jì)算。

(1)入侵雷電波仿真計(jì)算模型

變電所進(jìn)線門形架按高14 m，寬14 m考慮，采用格構(gòu)式鋼橫梁;地線架高4 m，GJ-70避雷線，經(jīng)接地引下線直接與地網(wǎng)相連，繪制結(jié)構(gòu)模型見圖7。

圖7 牽引變電進(jìn)線門架—地網(wǎng)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

(2)仿真計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，得a點(diǎn)地表電位峰值3.55×103kV，b點(diǎn)地表電位峰值3.09×103kV，峰值時(shí)刻分別出現(xiàn)于4.15 μs及5 μs;接地網(wǎng) c 點(diǎn)地表電位(峰值)529 kV，d點(diǎn)地表電位(峰值)156.5 kV。結(jié)果如圖8～圖11所示。

圖8 變電所地表電位(最大值)三維圖

圖9 進(jìn)線門形架處地表電位(最大值)二維圖

2.4 仿真結(jié)果分析

圖10 接地網(wǎng)c點(diǎn)地表電位(最大值)二維圖

圖11 接地網(wǎng)d點(diǎn)地表電位(最大值)二維圖

根據(jù)上述仿真結(jié)果，牽引變電所遭受雷擊后，雷電沖擊電流入地點(diǎn)處地電位急劇升高，數(shù)值可達(dá)數(shù)千千伏(雷電流峰值200 kA時(shí));并且，沖擊電流在極短的時(shí)間內(nèi)迅速沿地網(wǎng)向四周擴(kuò)散，引起周圍地表電位抬升。又因牽引變電所內(nèi)地網(wǎng)的感抗性質(zhì)，其阻礙作用使得地網(wǎng)電位分布不均，因而導(dǎo)致所內(nèi)地表電位由近至遠(yuǎn)呈遞減趨勢(shì);以入侵雷電波為例，距雷電流注入點(diǎn)10 m處地表電位已由3.55×103kV降至430 kV，15 m處降至365.38 kV，42.5 m處降至202.5 kV。依據(jù)《高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合》(GB311.1—2012)及《電氣化鐵路牽引變壓器技術(shù)條件》(TB/T3159—2007)中關(guān)于110、27.5 kV變配電設(shè)備雷電沖擊耐受電壓(峰值)450、200 kV 的規(guī)定［9-10]，也即是說，當(dāng)牽引變電所遭受雷擊時(shí)，所內(nèi)110 kV(27.5 kV)設(shè)備及接地體與雷電流注入地網(wǎng)點(diǎn)間距分別大于10、43 m，即可滿足其不遭受雷擊反擊過電壓的損壞，亦即可滿足安全運(yùn)行的需要。但此值仍可造成所內(nèi)跨步電壓和接觸電壓過高，使二次電纜外皮產(chǎn)生環(huán)流，從而導(dǎo)致人員傷亡及二次弱電系統(tǒng)損壞。

另由仿真結(jié)果還可看出，由于變電所內(nèi)入侵雷電波注入處地網(wǎng)面積遠(yuǎn)大于直擊雷注入的地網(wǎng)面積，因而入侵雷電波在牽引變電所地表各處引起的地表電位升普遍低于直擊雷的影響值，但降低效果不明顯(兩者地網(wǎng)面積相差249.68倍，而地表電位卻僅降低了4%)。其原因在于，由于地網(wǎng)接地體自身存在的電感屬性，在雷電沖擊電流的作用下，盡管所內(nèi)地網(wǎng)面積很大，但其有效面積卻是一定的，即僅在電流注入點(diǎn)附近有限區(qū)域內(nèi)的導(dǎo)體起到了散流作用，區(qū)域以外并不能收到什么效果，從而使得降壓效果并不明顯［11-12]。為此，在進(jìn)行接地設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)雷電流注入點(diǎn)位置，在有效的散流范圍內(nèi)設(shè)置接地體，以增大散流效果，從而降低地表電位。

3 結(jié)語

牽引變電所是鐵道供電工程的重要設(shè)施，集中有各種高、低壓電氣設(shè)備，其遭受雷擊，將引起鐵路供電中斷，因此牽引變電所的防雷，就要求防護(hù)措施應(yīng)更加完善，防護(hù)的可靠性應(yīng)更高。

對(duì)于雷電的防護(hù)，不論是直擊雷還是雷電波入侵，最終都是把雷電沖擊電流導(dǎo)入大地;因此，牽引變電所的接地設(shè)計(jì)是防雷工程的最重要環(huán)節(jié)，沒有良好的接地，就不可能有良好的防雷過程。牽引變電所的接地設(shè)計(jì)，應(yīng)充分考慮雷電流沖擊性的特點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，結(jié)合所內(nèi)其他用途的接地設(shè)計(jì)，有針對(duì)性地采取安全措施，以使得變電所的雷電防護(hù)工程安全可靠，技術(shù)先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)合理。

［1]簡(jiǎn)克良.高電壓技術(shù)［M].北京:中國(guó)鐵道出版社，1989.

［2]郭秀勇.雷擊變電站暫態(tài)干擾及其防護(hù)措施［D].長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2009.

［3]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10009—2005 鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范［S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［4]簡(jiǎn)克良.高電壓技術(shù)［M].北京:中國(guó)鐵道出版社，1989.

［5]劉明光.鐵道電網(wǎng)過電壓分析與防護(hù)［M].北京:北京交通大學(xué)出版社，2009.

［6]國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB 2639—96 軍用飛機(jī)雷電防護(hù)［S].北京:總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，1996.

［7]劉平，吳廣寧，隋彬，等.雷電流波形參數(shù)估計(jì)仿真研究［J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(34):115-121.

［8]F.P.Dawalibi，W.Ruan，S.Fortin.Lightning Transient Response Of Communication Towers And Associated Grounding Networks［C]//Proceeding of the International Conference on Electromagnetic Compatibility(ICEMC’95 KUL).Malaysia:1995.

［9]國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.GB 311.1—2012 高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合［S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

［10]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T 3159—2007 電氣化鐵路牽引變壓器技術(shù)條件［S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2007.

［11]陳先祿，劉渝根，黃勇.接地［M].重慶:重慶大學(xué)出版社，2002.

［12]曾永林.接地技術(shù)［M].北京:中國(guó)水利電力出版社，1979.