浅析城市轨道交通牵引供电系统防雷保护

浅析城市轨道交通牵引供电系统防雷保
护
摘要：地铁地面站或高架站变电所是防雷关键场所。

通过对一次雷击导致牵引变电所停电故障的原因分析与处理过程,提出了对牵引供电设备防雷整改的防范措施，实施后有效地保障了地铁牵引供电系统的安全、稳定运行。

关键词：变电所；牵引供电；防雷等级
0 引言
城市轨道交通牵引供电系统是将交流中压电压经降压整流变成直流1500V或直流750V的电压，为电动列车提供牵引供电。

牵引供电回路是由牵引变电站、馈电线、接触网、电动列车、钢轨回路、牵引变电站等组成的闭合回路，而由接触网、馈电线、轨道和回流线组成的供电网络总称为牵引网。

钢轨除了作为走行轨外，还兼作直流供电系统的负极。

1系统概述
长沙城市轨道交通线路供电系统采用110kV/35kV的集中供电方式；牵引变电所中的两套整流机组并联工作组成等效24脉波整流方式；正线相邻牵引变电所对正线牵引网实行双边供电。

场段内牵引网由场段内牵引变电所供电。

车辆段牵引降压混合变电所为地面变电所，车辆段基地上接触网系统为柔性接触网。

根据设计，系统防雷和限制过电压措施情况如下：
1.1 系统防雷
（1）在左右线的隧道洞口处各设置一处避雷器。

（2）在车辆段馈线上网点处设置避雷器。

（3）在地面段、出入段线以及车辆段试车线上每根支柱平腕臂绝缘子处设
置一处带间隙的金属氧化物避雷器;地面段架空地线兼做避雷线，并每隔200m接地。

1.2限制过电压措施
为防止系统内部操作过电压及大气过电压的冲击，采取了如下过电压保护措施:
（1）变电所35kV两段母线各设置一组避雷器。

（2）整流器出口正负极之间设置避雷器。

（3）DC1500V正母线对地间设置避雷器，地面站、车辆段和停车场负母线对
地间设置避雷器。

2跳闸故障现象
2020年8月17日18：12 5号线水渡河车辆段变电所201、202、212、213、214、215、216、291断路器分位，5D1～5D6供电分区失电,OV2柜U＞＞＞保护
动作。

3故障处理
检修人员及时赶至故障现场水渡河车辆段变电所，经过变电、接触网专业人
员分别检查，发现相应直流开关柜保护装置均有大电流脱扣事件记录，但通过PSCADA后台查看直流馈线电流曲线均无大电流，相应直流开关柜断路器小车触头
均无电灼伤痕迹，现场检查负极柜检测到回流最大值为2334A，车辆段接触网全
场停电前场内无车辆在运行，现场查看OV2柜U＞＞＞保护动作，轨电位接触器
在合位。

现场巡视接触网设备未雷击痕迹，所有相应避雷器计数器动作均为0次，所有相应避雷器、放电间隙均无异常情况。

图一：相应直流开关柜保护装置有大电流脱口跳闸事件记录
图二：pscada后台查看直流馈线电流曲线均无大电流
图三：直流柜小车一次触头未发现电灼伤痕迹
经现场确认接触网设备、变电所内设备无异常，对现场5D1-5D6分区单臂依次成功试送电，现场设备运行正常。

4故障原因分析
当天现场人员反馈故障时间段时水渡河车辆段有雷电活动并且存在落雷现象，直流开关柜(除211馈线柜外)由于外部雷击使得断路器由合到分，事件记录中读
出大电流动作信号(selftrip)启动信号，并伴随电容脱扣器储能信号的异常变位。

与此同时轨电位限制装置三段由于负对地过电压触发动作并闭锁接触器。

该现象
为直流开关柜电容储能模块受到雷电电磁脉冲干扰影响，越过保护装置释能导致
断路器快速脱扣、直流开关柜跳闸、接触网全场失电。

图四：维护软件事件读取界面
图五：间接脱扣回路
5措施
针对此次雷击跳闸故障，我们及时安排了专业技术人员，认真地对车辆段的
高压供电设备、接触网设备进行一次全面检查，重点检查柔性接触网线路以及避
雷器、地面变电所供电系统的二次回路防护措施等防雷装置，并结合故障现场和
原因进行了深入分析，制定了整改措施。

5.1现场系统防雷和限制过电压措施核查情况：
（1）根据GB50157《地铁设计规范》15.1.25条供电系统及其设备的功能
性接地、保护性接地与防雷接地应采用综合接地系统；15.7.12条变电所应利用
车站结构钢筋或变电所结构基础钢筋等自然接地极作为接地装置，并宜敷设以水
平接地极为主的人工接地网。

自然接地装置和人工接地网应采用不少于两根导体
在不同地点相连接。

自然接地极与人工接地网的接地电阻值应能分别测量。

（2）根据GB50157《地铁设计规范》15.2.25地上牵引变电所及地上相邻的
地下牵引变电所，每路直流馈线及负极母线应设置雷电过电压吸收装置。

交流屏
交流输入侧装设KPA385/40M型电源浪涌保护器，能泄放绝大部分雷击感应或开
关操作产生的浪涌电流，限制过电压幅值。

在充电屏交流母线上装设KPA385/20M
型电源浪涌保护器，能泄放绝大部分雷击感应或开关操作产生的浪涌电流，限制
过电压幅值。

在DC1500V直流母线上装设3EB2020-7D型直流避雷器，主要是母
线遭到感应雷或者是在其它瞬时过电压冲击时，冲击电流通过避雷器将其泄放到
大地，并将输出电压拑位在设备允许的电压范围内，确保运行设备的安全。

在
DC1500V负极柜至整流器电缆上装设3EB2020-7D型直流避雷器，主要是设备遭到
感应雷或者是在其它瞬时过电压冲击时，冲击电流通过避雷器将其泄放到大地，
并将输出电压拑位在设备允许的电压范围内，确保运行设备的安全。

负极柜中
24V电源回路装设DRMOD30型电涌保护器、高性能的氧化锌压敏电阻/间隙组合，
主要是24V电源回路因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者过电压时，浪涌保护
器能在极短的时间内导通分流，从而避免浪涌对回路中其他设备的损害。

（3）根据GB50157《地铁设计规范》15.3.27地上区段架空接触网应设置避
雷器，其间距不应大于300m。

在隧道入口和为地上线接触网供电的隔离开关处应
设置避雷器。

15.3.28地上区段架空接触网的架空地线，应每隔200m设置火花间隙；满足条件时，接触网架空地线也可兼作避雷线。

15.3.29避雷器与火花间隙
的冲击接地电阻不应大于10Ω。

在隧道口设置避雷器，防止隧道外雷电流进入隧内，作用是保护地下供电设备不受大气过电压的冲击，现场共计安装2处，8月
17日经现排查以上避雷器计数器动作均为0次。

地面段上网馈线开关处设避雷器，作用是保护直流输电设备免受过电压的损坏。

现场共计安装6处，8月17日经现
排查以上6台避雷器计数器动作均为0次。

车辆段出、入段线及试车线每根支柱
腕臂绝缘子安装一台带间隙金属氧化锌避雷器，支柱接地，现场共计安装31处。

8月17日现场排查未发现带间隙金属氧化锌避雷器有烧伤情况，查看后台
PSCADA报文未发现相关供电臂有大电流脱扣保护动作。

接触网防雷接地电阻不大
于10欧姆。

（4）根据运用库防雷设计图说明：该类建筑按三类防雷建筑设计，采用装
设在建筑物上的避雷带作为接闪器，利用独立柱基钢筋构成自然接地装置，利用
建筑钢筋环周焊成闭合导体构成均压环。

工程保护接地、设备接地与防雷接地共
用接地装置，要求接地电阻小于1欧姆。

5.2整改措施：
本次故障现象由于雷击冲击而引发的电容脱扣装置的异常触发导致。

原直流
开关柜电容脱扣装置工作电源采用DCI10V，电源触发回路采用保护装置经二次隔
离内部15VDC电源(保护装置采用24VDC工作电源，并在端子柜设置浪涌保护器)，通过了EMC电磁兼容性试验，试验等级三级。

当前雷击情况已超过电容脱扣装置
能耐受的等级，导致内部逻辑模块工作异常。

为进一步提高抗雷击性能，在水渡河车辆段以及与水渡河站端子柜110VDC
控制电源侧增加DEIN公司浪涌抑制器型号DRM2P-150。

结语
上次雷击跳闸故障后，水渡河车辆段牵引混合降压变电所直流1500V开关柜
采用增强抗雷击性能整改措施后，已平稳运行一年多，在此期间经历了多次雷暴
天气，未受到任何影响导致跳闸故障。