牵引变电所抗电磁干扰的措施

张国蓬

1 概述

铁路牵引供电具有以下特点:1)牵引负荷大,牵引变电所的地回流电流也随之增大。地回流增大给牵引变电所接地系统带来地网电位不平衡,变电所内控制、测量、信号回路中安装在不同地点的同一系统设备地电位不相等,从而有可能引起保护装置的误动或拒动,对安全供电造成严重威胁;2)牵引负荷电流变化大,造成变电所内母线电流变化很大,从而产生大量的电磁信号,这种电磁信号对变电所内的二次设备将造成干扰。尤其是在高速和重载电气化铁路中,这两个问题更为突出,随着牵引变电所集中控制和综合自动化程度的提高和无人值班、有人值守的推广,对二次设备安全可靠运行和抗电磁干扰提出了更高的要求,因此,对牵引变电所进行深入电磁干扰分析,研究抗电磁干扰措施对高速铁路安全供电有着重要的意义。

2 电磁干扰

2.1 电磁干扰的来源

变电所内的电磁干扰主要来自高压设备操作、低压交直流回路内电气设备的操作、雷电引起的浪涌电压、电气设备周围的静电场、电磁波辐射和输电线路或设备短路故障所引起的瞬变过程等。这些电磁干扰进入变电站的综合自动化系统,就可能引起自动化系统工作不正常,甚至损坏某些部件或元器件。

2.2 电磁干扰的传输途径

变电所的电磁干扰途径按介质分为传导性干扰和辐射性干扰两大类。传导性干扰是指通过电源线路、接地线和信号线传播的干扰;辐射性干扰是指通过空间传播的干扰。按性质又可分为电容耦合、电感耦合[1]。电磁干扰以电磁场的形式存在,主要通过电场、磁场、电磁场等途径对信号传输线及设备信号产生影响。

3 控制电缆屏蔽层接地对电磁干扰分析

3.1 电场干扰

在变电所中,由于电气设备间存在着分布电容,变电站高压母线及设备上的电压通过分布电容在控制电缆系统中产生干扰电压。假设一根理想的屏蔽电缆,置在干扰电场中。不考虑干扰源导线对电缆芯的耦合,设干扰源电压为U1,干扰源对地电容为C1,U1耦合在屏蔽层电容C12,通过C12耦合在电缆芯线上的电容 C23,电缆芯线对地电阻为 R,屏蔽层对地电容为C2,等效电路图如图1所示,电缆芯线上耦合电压为:

如果屏蔽层接地,C2被短接,C2为∞,则 U2=0,即 U1通过C23被屏蔽层短路接地,切断了耦合到芯线上的路径,从而起到了电场屏蔽的作用(见图2)[2]。

由此可见,不接地的屏蔽层对电场干扰没有屏蔽作用,而一端接地和两端接地的屏蔽层对电场的屏蔽效果是一样的。如果屏蔽层接地良好,则电场终止于屏蔽体直接耦合到地。屏蔽电缆的金属屏蔽层具有静电屏蔽作用,使一次线高压电源的强电力线终止于金属屏蔽,内部的电场强度为零,从而使处于屏蔽层内的芯线免受外部强电场的干扰影响。从静电屏蔽的角度出发,为了使屏蔽层表面是一个固定的等电位面,应将屏蔽层一端接地。

3.2 磁场干扰

屏蔽层在不接地时,外部磁场对电缆芯线干扰等效电路见图3。I1在电缆芯线上产生感应电势为:I1在屏蔽层上产生感应电势为:

屏蔽层一端接地时在屏蔽层上有感应电压,但未构成回路,屏蔽层上没有电流流过,不改变空间磁场分布。I1在电缆芯线上产生感应电势仍为:E21=jwM12I1。

屏蔽层两端接地时,外部磁场对电缆芯线干扰等效电路见图4。

屏蔽层流过的感应电流为:Im在二次电缆芯线上产生的感应电势为:

二次电缆芯线上产生的感应电势:

屏蔽层中流过的感应电流是由外界电磁场感应产生的,其实际作用是抵消外界电磁场的干扰。因此电缆屏蔽层两端接地,可以有效地抑制电磁感应。

相关的试验证明屏蔽层单端接地及两端接地时的感应电压分别为两端不接地时的10%及1%。

由上述分析可知屏蔽层两端接地可有效抑制外部电场和电磁干扰对电缆芯线的干扰,由于牵引供电回路是由牵引变压器—馈电线—接触网—电力机车—钢轨回路—回流线—接地网—牵引变压器等组成的闭合回路。其中很大一部分通过接地系统回流到变压器,由于地回流的存在,使变电所内地网电位不平衡,尤其当屏蔽层两点电位不同时,使屏蔽层内流过电流,通过屏蔽层与缆芯的转移阻抗回路耦合到电缆芯上,形成附加干扰。在接地网出现短路电流或雷电流时更为严重,甚至可能烧毁屏蔽层。

4 牵引变电所抗电磁干扰的措施

1)改进接地方式。在牵引变电所接地网施工时尽量降低接地网的电阻,这可减少所内的瞬变电压幅值,特别是减少电网中的瞬变电位差,从而降低瞬变电位升高;将轨、地电流集中在汇流排后回流到变压器,汇流排应远离二次电缆;在避雷针、避雷器与主接地网的地下连接点至电缆屏蔽层接地点的地下连接点的距离大于15 m,并采用两根以上的接地线和加密接地网络;在屏蔽层集中接地的端子箱与综自屏间并行敷设大截面铜导体,降低电位差,同时也可防止大电流通过通流容量小的屏蔽层而烧毁屏蔽层。2)加强隔离措施。二次回路布线时,应考虑隔离,减少互感耦合,避免干扰由互感耦合侵入。控制电缆尽可能离开高压母线,并尽可能减少平行布设长度。避雷器和避雷针的接地点、电容式电压互感器等都是高频暂态电流的入地点,控制电缆也应尽可能离开它们,以便减少感应耦合。3)改善电缆屏蔽。位于110 kV以上配电装置的弱电控制电缆,宜选用总屏蔽或双层式总屏蔽。双重屏蔽或复合式总屏蔽,宜对内、外屏蔽分别采用一点、两点接地[3]。这种电缆在芯线外有两个互相绝缘的屏蔽层,内屏蔽层一点接地作信号回流线,外屏蔽层两端接地,流过地环路电流,不会影响信号回路。

5 结语

在变电所设计和施工过程中,通过把控制电缆屏蔽层接地、加强隔离及改善电缆屏蔽等多种措施有效的结合,使变电所一、二次设备电磁兼容得到明显提高,从而提高牵引供电系统的可靠性,确保高速铁路运行的质量。

[1] 林福昌,姚宗干,蒋政龙.变电所强电设备与弱电线路的电磁兼容问题[J].中国电力,1996(7):32-33.

[2] 曾 健.浅议高压变电所屏蔽电缆接地[J].继电器,2004(13):15-16.

[3] GB 50217-2007,电力工程电缆设计规范[S].

[4] 杜树春.雷电对微波通信站的电磁干扰及其防护[Z].北京:全国调通局防雷工作会议,1989.

[5] 江辑光.电路原理[M].北京:清华大学出版社,2001.

[6] 李景禄,胡 毅,刘春生.实用电力接地技术[M].北京:中国电力出版社,2002.