摘要：城市轨道交通正逐步成为现代化城市必不可少的交通工具。由于建设投资大、运营周期长、检修时间短的特点，设备的可靠性、经济性、免维护性成为选型和配置的焦点。地铁直流开关柜避雷器装置如何在高架、地面及地下等不同现场环境下进行可靠、经济、合理配置在业界内众说纷纭。本文探究了地铁1500V直流开关柜避雷器设置，以供参考。
关键词：地铁；1500V；直流；开关柜；避雷器；设置
1、1500V直流牵引系统避雷器的设置原则
1500V直流牵引系统主要由1500V直流开关柜、钢轨电位限制装置及整流装置组成。为了确保牵引系统的可靠运行，一般情况下在直流开关柜内设置多个避雷器装置。避雷器设置点如图1所示。
如图1所示典型牵引一次系统中共设置4个避雷器，当系统中有高电压入侵时避雷器迅速释放整流器正负极间、正极对地、负极对地的过电压，从而起到了保护正负母排及之间电器元件的作用。
2、1500V直流牵引系统正负极之间避雷器设置分析
直流牵引系统正负极之间避雷器并联在整流装置的输出侧，作为整流器的浪涌保护装置。直流系统中存在两种过电压，一为换相过电压，二为操作过电压。换相过电压是当二极管通过正向电流时，正电荷载流子（孔穴）就在P区与N区交界面附近积聚起来。由于载流子的积聚，在二级管正向电流过零时，二级管不能立即恢复反向截止。这时在二级管中开始出现类似于短路电流的反向电流。电流的突然中断引起整流电路中的感性负载产生感应电压，该电压叠加于正常反向电压之上形成内部过电压。操作过电压是由于进行断路器操作或发生突然短路而引起的衰减较快持续时间较短的过电压，直流断路器操作过电压为开断时最大弧电压，其值不超过最高工作电压的3倍即5400V。
为了避免上述过电压对系统产生影响，整流器在直流侧配置了电容回路、压舱电阻及压敏电阻装置。配置了电容装置用已消除二级管换相时所产生的换相过电压。压舱电阻用于消除电容所抬高的电压，同时释放电容内所储存的能量，将电压输出限定在额定范围内。设置了压敏电阻则作为抑制浪涌电压元件，其冲击耐压为10KV1.2/50µs，用以限制操作过电压。值得注意的是压敏电阻的缺点是容易老化。压敏电阻在多次承受冲击耐压后元件加快老化无法保持原有的参数。因此压敏电阻故障后无法保护到整流系统的可靠运行。
综上所述，整流器本身有一定的冲击耐压水平，多数情况下操作过电压无法对设备绝缘构成威胁，原则上如不考虑大气过电压延接触网的穿越入侵此小概率事件地下牵引站可以不设置整流器避雷器。但是为了进一步保护整个系统的安全，保证压敏电阻等保护原件的使用寿命，在压敏电阻故障后继续保护直流系统，原则上建议仍保留正负极之间避雷器。
3、1500V直流牵引系统正对地避雷器设置分析
直流牵引系统正对地避雷器，主要用于释放正母线过电压，保护直流15OOV开关柜设备免受雷电入侵波的破坏。
3.1地面、高架站牵引所正对地避雷器设置
地面、高架站牵引所其架空接触线可能受到雷电过电压的影响，雷电过电压分为直击雷过电压、感应雷过电压。直击雷过电压，雷闪直接击中电气设备导电部分时所出现的过电压。直击雷过电压幅值可达上百万伏，会破坏电气设施绝缘，引起短路接地故障。雷闪击中电气设备附近地面，在放电过程中由于空间电磁场的急剧变化而使未直接遭受雷击的电气设备（包括二次设备、通信设备）上感应出的过电压。感应雷过电压幅值约300～400kV，对35kV及以下电压等级的电力系统绝缘强度有危险。
地面牵引输电线路一旦出现雷电过电压，还将以流动波形式沿线路传播，侵入变电所以后还可能引起绝缘破坏事故。由线路传电气雷电过电压称为雷电侵入波。需采用避雷器将雷电侵入波削弱到电工设备绝缘所能承受的限度以内。
综合上所述，无论是感应雷电入侵波还是直击雷入侵波均远远超过直流开关柜冲击耐受电压。所以在使用架空线路的地面车站必须考虑防雷措施，在接触网上装设避雷线、避雷器作为一级防雷措施；变电站直流系统中也同样需要装设避雷器作为系统的二级防雷措施，保护牵引系统一次回路绝缘；系统的二次回路中对信号、继电保护装置等弱电回路也必须考虑第三级防雷的需要，可使用加装浪涌保护装置，采取光电隔离等有效措施以保证供电设备的可靠运行。
3.2地下站牵引所是否需要设置正对地避雷器
由于牵引系统采用双边供电的模式，相邻牵引站向同一供电区间供电。当线路上发生大气过电压后。过电压入侵波将会通过直流母线穿越至下一相邻牵引变电所。为了更好的保护系统有必要考虑相邻牵引站的防雷措施。
如图2所示：当C点发生直接雷击后产生入侵波，通过接触网线路及直流母线入侵波会迅速波及到同一供电线路上的C站供电设备，所以在C站同样需要考虑防雷措施。同时须考虑雷电入侵波至线路终端的行波反射。即当雷电入侵波进入封闭回路时在导体终端会发生行波反射效应，浪涌电压向线路方向进行反射反射电压将会叠加在雷电入侵波上形成高压。所以在地下站地面站混合配制的直流牵引系统中也需要考虑相邻的地下站的避雷器装设。
4、1500V直流牵引系统负对地避雷器设置分析
早期地面牵引配电系统中配置负极对地避雷器，用于牵引变电站内的负极过电压及接触网受雷器后钢轨的感应雷入侵波及正负极之间避雷器残压抑制。此时的钢轨电位限制装置采用机械结构，通过电压继电器驱动一次回路动作，装置动作时间较为缓慢，无法防止内部及大气过电压微秒级的动作需求。随着科技的发展大电流可控硅元件的技术成熟，逐步替代了负极避雷器。
结语
综上所述，在轨道交通地面及高架牵引站的直流系统设置避雷器可以有效保护直流系统安全，避免过电压的影响。而作为地下站，部分车站正对地的避雷器可以取消避免投资浪费，并增加运营维护成本。地面、高架或地下车站负对地避雷器都随着技术的发展均无需设置，由轨道电位限制装置来控制负极电压。避雷器的设置还与当地的气候条件，接地可靠性，温度海拔有着密切的联系，可根据当地环境条件选择合适的避雷设施。
参考文献：
[1]李菲.浅析地铁直流牵引供电系统馈线保护[J].通讯世界，2016（9）.
[2]邓智明，张家涛，黄嘉琳，等.地铁供电系统避雷器配置及预防性试验方法[J].华东科技：学术版，2013（5）.
作者简介：
唐翠峰（1982.08），男，广东韶关人，西南交通大学电气工程及其自动化本科，单位：深圳地铁集团运营总部供电三部，单位邮编：518115
论文作者:唐翠峰
论文发表刊物:《电力设备》2017年第4期
论文发表时间:2017/5/16
标签：过电压论文; 避雷器论文; 系统论文; 电压论文; 雷电论文; 压敏电阻论文; 开关柜论文; 《电力设备》2017年第4期论文;