铁路牵引供电系统安全防护与优化技术方案研究

陈进斌

摘 要： 随着经济和科技水平的快速发展，铁路牵引供电系统是电气化铁路的核心保障，随着铁路路网的快速建设，牵引变电所设置也愈发密集，确保牵引变电所的正常稳定运行成为安全运维的第一要务。据国外文献统计，在牵引供电系统历年发生的事故中，有超过半数的事故是由雷击造成。铁路牵引变电所二次侧系统相应增设了大量的电子设备。这些微电子装置工作电压低，耐过压及过流的水平低，抗雷电电磁脉冲的能力差，易遭受雷电的危害及干扰，给铁路运输造成了大量直接或间接经济损失。虽然，牵引变电所高压设备的防雷措施目前已比较完善，但其二次侧系统还缺乏行之有效的防雷保护措施，成为了牵引供电系统综合防雷保护的薄弱环节。

关键词： 防雷系统;牵引变电所;安全防护

【中图分类号】U223     【文献标识码】A     【文章编号】1674-3733（2020）04-0177-01

引言：高速铁路的快速发展对铁路供电系统安全运行提出更高的要求，高速铁路供电安全检测监测系统的运用对保障供电设备安全起到一定作用，但目前在6C系统分析过程中仍存在经验不足、分析方法欠缺等问题影响供电设备质量鉴定。

1 雷电流侵入牵引供电系统的途径

1）电源系统引入过电压。大多数牵引变电所变压器的二次侧既没有装配避雷器保护，也没有任何防雷措施，一旦出现过电压侵入，必然波及到变电所内整个低压弱电系统。虽然所用变压器二次侧绝缘的冗余度比较高，通常不会造成绝缘击穿，但雷电流从低压电源系统传输到微机系统，有时甚至高达上千伏，极易在低压弱电系统的绝缘薄弱处，如集成电路、微机芯片等造成击穿或烧毁，影响铁路安全运输，并带来巨大的经济损失。2）接地系统引入过电压。当牵引变电所遭受雷击时，雷电流经接闪杆、浪涌保护器等防雷装置的接地引下线注入地网，当有大电流通过地网泄放时，就会在地网的节点上产生很高的电位差，由于地网的接地阻抗，特别是感抗的影响，使得地网电位极不均匀，两点间的电位会差别很大。通常情况下，地网与二次侧设备电源或信号电缆屏蔽层相连接，由于耦合作用，这样电位差会通过电缆的屏蔽层，在电缆芯线上产生电压和电流。这种横向电位分布不均匀、电位梯度大、跨步电压超标等接地问题，在不同程度上造成了过电压侵入二次侧设备。在没有其他防雷设备保护的情况下，一旦侵入的过电压超过二次侧设备入口端可以承受干扰的最大值，就会造成设备干扰甚至烧毁。

2 智能分析法

采用2C分析方法时间紧任务重，容易漏掉个别鸟窝检测，尤其是在隔离开关、避雷器等重要处所的鸟窝检测。这些处所的鸟窝对供电设备的危害较大，须逐一分析。采用鸟窝智能图像识别技术，对鸟窝建立模板，将设备软件和分析软件进行升级，使其具备鸟窝在线识别功能，分析人员进行即时分析时启动地面复检功能，人工进行二次鸟窝筛选，极大地减轻2C人工分析工作量，提高2C识别鸟窝的速度和准确率。

3 牵引供电能耗试验设计

首先需全面掌握京沪高铁全天不同车型能耗、全天整所耗能及制动发电量情况。目前京沪高铁线路上有和谐号动车组、复兴号动车组、单列及重联动车组混跑。本文针对该情况对牵引供电系统能耗试验测试方案进行设计研究，通过对测试数据的多层次对比分析，掌握中国标准动车组CR400AF及CR400BF运营车、和谐号动车组、单列及重联动车组能耗水平及发电量情况，同时对比线路运营动车组300km/h、350km/h速度条件下能量消耗水平及发电量情况，并与非京沪线路进行对比分析。目前京沪高铁列车平均追踪间隔为3-5min，同一供电臂同一行别或上下行别同时存在运行动车组，给后期数据分析带来一定难度，故需严格对照列车时刻表、运营车型，设置牵引供电能耗采集系统触发参数及精准对时，确保测试数据准确性。

4 智能监测部分

为了便于运维值班人员迅速定位故障位置，引入智能防雷监测理念，既能实时监测牵引变电所内新增防雷设备的运转情况，也可以记录防雷设备状态和雷电信息，及时掌握全线所有牵引变电所雷害事故的数据统计，给现场调查分析提供数据基础。智能防雷监测界面如图4所示，该部分的具体功能如下。1）防雷设备状态监测。针对新型双脱扣浪涌保护器，采用独立的SPD监测装置，当防雷模块遭到雷击失效后，防雷模块翻红牌，同时进行声光报警并传输报警信息。2）雷电信息监测。采用高精度雷电流传感器，不仅可以监测防雷设备经受的浪涌过流次数，也可提供雷电流峰值、发生时间等数据。3）温度监测。实时监测设备温度，当温度超过预警时，发出声光报警，并通过通信接口传输到上位机，形成图表，以供查询。4）接地电阻值监测。针对牵引变电所的建筑特点及电磁环境的特殊性，提供综合地网、机房内主接地线等接地电阻值的实时监测数据。当接地电阻值超过设计阈值时，自动发出告警信息，以便现场人员有针对性地及时排查处理。同时还将采集的地阻信息进行汇总整理形成年报，为防雷整治排查工作提供数据支撑。

5 技术装备水平提升

通过上文分析可以看出，在提升動车组技术装备水平以及在节能方面均具有明显效果，同时也可以看出中国自主知识产权标准动车组的优越性。动车组是能耗的主体，继续提升新型动车组节能水平需重点考虑。从铁路牵引供电系统来看，动车组变流四象限系统有2%～6%的制动反馈电能并未得到利用，如果在系统内增加能量回收装置，回收能量用于铁路其他电量用户，可节约铁路电费，具有明显的经济效益。

结语：提高铁路牵引供电系统安全防护等级，加强防范强电侵入的能力，减少雷击事故对铁路运输以及设备维护造成的经济损失，本文分析了牵引变电所常见的强电侵入类型及途径，针对现有问题逐一提出了优化技术方案，并阐述了研究思路及方案具体实施方法。

参考文献

[1] 中国铁路总公司.TG/GD124-2015高速铁路接触网运行维修规则[S].北京：中国铁道出版社，2016.

[2] 中华人民共和国铁道部供电部，中国铁道科学研究院，西南交通大学.高速铁路供电安全检测监测系统（6C）总体技术规范[S].2012.

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