2009年8月第8期(总131)铁道工程学报JOURNALOFRAILWAYENGINEERINGSOCIETYAug2009NO.8(Ser.131)文章编号:1006—2106(2009)08-0088—05全电缆贯通线低电阻接地系统的设计研究+廖宇¨成都610031)(中铁二院工程集团有限责任公司,摘要:研究目的:伞电缆贯通线已成为高速铁路建设中电力专业的设计标准,为解决伞电缆贯通线发生单相接地故障时电容电流大等问题,采用低电阻接地系统是好的解决方案。本文通过对低电阻接地系统的全面研究分析,提出采用低电阻接地系统的设计方法,为类似上程提供借鉴。研究结论:通过论述低电阻接地系统的原理和特点,及对单相接地故障的分析,提出j’铁路全电缆贯通线低电阻接地系统的设备参数选择和保护整定计算模式;分析j,采用低电阻接地系统后,建筑物内设置总等电位联接的原冈和设计方法。关键词:贯通线;低电阻;接地系统;没计中图分类号:TM757.3文献标识码:AResearchontheDesignofLowResistanceGroundingSystemforEntireCablePowerLinealongtheRailwayLIAoYU(ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.Ltd,Chengdu,Sichuan610031,China)Abstract:Researchpurposes:Asthedesignstandard,theentirecablepowerlineisadoptedinconstructionofhigh—speedrailway.Forsolvingtheproblemthatthecapacitanceentirecurrentisbigwhenthesingle—phasegroundingfailureofshouldbeused.Basedoncablepowerlineoccurs,thelowresistancegroundingsystemthecomprehensiveanalysesofthelowresistancegroundingsystem,thispaperoffersthedesignmethodforlowresistancegroundingsystemforprovidingthereferencetothesimilarworks.Researchconclusions:Throughanalysesoftheprincipleandcharacteristicsoflowresistancegroundingsystemandthesingle—phasegroundingfailure,thispaperoffersthecalculationprotectionsettingreasonsmethodsforselectionofequipmentparametersandrailway,analyzestheoflowresistancegroundingsystemforentirecablepowerlineforhigh—speedforgeneralpotentialbondinginbuildingswhenlowresistancegroundingsystemisadoptedandgivesthedesignmethodforit.Keywords:powerline;lowresistance;groundingsystem;design电臂长40~60km,局部供电困难地段可达70—80贯通线电缆截面一般为50普速铁路贯通线是以~95mm2。10为了提高高速铁路的供电可靠性和可维护性,沿铁路敷设2条10kV全电缆贯通线为区间和车站的通信、信号等负倚供电。双贯通线采用铜芯铠装电缆,通过铁路变配电所10/10kV调压器供电。贯通线的供km,kV架空线路为主,电容电流小,采用不接地系统。高速铁路10kV全电缆贯睾收稿日期:2009—06—03・。作者简介:廖。ji,1965年出生,男,高级工程师,巾铁_院工程集团有限责任公州建筑分院副总工程师。万方数据第8期廖宇:伞电缆贯通线低电阻接地系统的设计研究89通线发生单相接地故障时,由于故障点的接地电容电流大,故障点的接地电弧不能自行熄灭,而且间歇电弧接地产生的过电压往往又使事故扩大,这就降低了贯通线的运行可靠性。为解决这个问题,高速铁路全电缆贯通线应采用低电阻接地系统。我国《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL/T620--1997)规范也明确指出,当全电缆线路单相接地电容电流大于30A时,可采用谐振接地系统或低电阻接地系统。现在部分大城市的电缆线路逐步采用低电阻接地系统,本文重点分析和论述高速铁路全电缆贯通线采用低电阻接地系统的设计问题。1全电缆贯通线低电阻接地系统的特点低电阻接地系统是在10kV贯通线系统的中性点与大地之间接入一定阻值的电阻,当贯通线发生单相接地故障时,在贯通线系统的接地电容电流中附加一个有功分量,显著增大故障点的接地电流,形成稳定的接地电弧,使继电保护迅速切除故障。其特点如下:(1)低电阻接地系统可以配置零序过流或速断保护,当系统发生单相接地故障时,故障线路的零序保护可在0.1~5s内切除故障。(2)由于接地电阻是耗能元件同时也是阻尼元件,相当于在贯通线的谐振回路中串联一个阻尼电阻,在阻尼电阻的作用下,可以限制谐振过电压的形成。(3)在低电阻接地系统中,当接地电弧第一次自动熄灭后,系统对地电容的残余电荷将通过接地电阻及时释放,中性点电位降低,抑制电网过电压的幅值,使健全相的过电压低于2.5倍的相电压,不会危及设备安全。(4)有利于降低操作过电压,对全电缆线路,大部分接地故障为永久性故障,可不投入线路重合闸,不会引起操作过电压。(5)全电缆线路本体故障较少,绝大多数故障发分人认为,当电缆发生单相接地故障时,“水树枝”中的水分蒸发后,电缆的绝缘仍可能恢复并保持相当高的水平。因此,全电缆线路发生单相接地故障必定是区段,不必担心贯通线单相接地时,立即引起跳闸对供电的可靠性产生影响。(6)低电阻接地系统发生单相接地故障时,由于万方数据接地故障电流的显著增大,在断路器瞬间跳闸之前,接地故障点和系统中性点附近就已形成了危险的接触电压和跨步电压,应采取相应接地防护措施。2单相接地故障稳态分析铁路配电所由1台调压器馈出两路贯通线,贯通线单相接地故障点一般为非金属性短路,其接线图和等值电路图如图1所示。图l中尺。为中性点电阻器,尺。为故障点过渡电阻,c0为系统每相的对地电容,‰为零序电压,,i为故障线路对地电容电流,Ci为故障相线路零序电容,,∑一i为网络其余各馈线电容电流之和,,。为流经中性点接地电阻的接地电流,,0为系统总的电容电流,,id为接地点的故障电流。由于线路阻抗比3Co小得多,故可略去。接地点的故障电流公式为:,id=Io+,N(1)其中:Io=,i+,∑一i,或Io=3toCoVo,;=3wCfVo,∑一i=3to(Co—Ci)Uo。C扫口h龠;sco丰==3Co:出=(a)接线图(b)等值电路图图l10kV电网单相接地故障示意图3低电阻接地系统设备选择3.1中性点接引低电阻接地系统中性点的接引有2种方法,一是调压变压器采用Dynll接线组别,从副边引出中性点,接电阻器。二是在贯通母线段设置曲折接线方式的接地变压器,引出中性点。接地变压器通常按30s以内承受的最大故障电生在电缆中间接头和终端头上。地方电力系统中有部永久陛故障,这一结论在电力系统中有争论。而对于高速铁路贯通线供电系统而言,由于采用2条完全备用的贯通线和电力SCADA系统远动切除贯通线故障铁道工程学报2009年8月流来设计,实际持续时间取决于接地保护的整定值。接地变压器容量按式(2)选择。S,,=0.576ULk/K(2)式中S。,——接地变压器的容量,kVA;九——单相接地故障电流,A;U.——线电压,kV;尽一换算系数,10s过载时间,K为10.5;60s过载时间,K为4.7。高速铁路新建10kV配电所宜采用方法1引出中性点,这样可以节省高压开关柜和接地变压器的投资及土建位置。低电阻接地系统的接地电阻值选择原则:一是电阻值选取应向保护装置提供足够大的电流,使保护装置可靠动作;二是限制暂态过电压在2.5倍相电压以下。抗%之比不小于2,凡包括中性点电阻R。和故障点过渡电阻尺。,‰是系统等值零序电抗。地方电网单相接地故障电流通常为200~1000A;铁路电缆贯通线处于配电网络末端,且考虑为了减少对通信信号的干扰,可采用400—600A故障接地电流。图2表示中性点低电阻接地系统中,暂态过电压统单相接地电容电流,c的比值关系,K=UJ以是健全相玑电压升高值与故障相电压以的比值。当,。=lc时,可将健全相的过电压限制在2.8倍的相电压以下;当,。=1.5,c时,可将健全相的过电压限制在2.26倍较小的过电压增长倍数,有助于减少对设备绝缘的危害,减少南单相接地变为相间短路的几率。将过电压倍数限制在2.5倍以下是电阻接地的要求值。根据上述分析,同时考虑低电阻接地系统要求发阻接地系统中性点电阻可按式(3)计算:矗。=Ux/(2—3),c(3)Ux——电网相电压,V。铁路配电所的贯通调压器正常情况下向一路贯通万方数据S\S辍拄幽唧翅O.51.O2.O3.0IRI|c图2暂态过电压倍数与,。/,。的关系线供电,当相邻配电所故障时,才由一台贯通调压器向贯通线供电时计算单相接地电容电流,据此计算和选择电阻值。如某客运专线铁路,通过仿真计算可知,某10kV配电所馈出50mm2单芯全电缆线路,调压器带一个方向的贯通线时,系统单相接地电容电流为80A,取3倍的系数,根据式(3)计算可知,,。=240A,R。=Q;调压器同时带两个方向的贯通线时,单相接地电容电流为158A。取3倍的系数,根据式(3)计算可知,,R=474A,RN=12Q。为了保证保护装置能可靠动作,降低暂态过电压倍数,应考虑单相接地时接地点的过渡电阻影响。对于上例的计算,尺。可取10Q。中性点的电阻可选用带多抽头的不锈钢电阻,多比,它具有电阻值稳定,延伸性能好、抗氧化能力强、通流容量大的特点。同时不锈钢电阻设于电阻箱内,电阻箱可另装零序电流互感器,作为后备保护。kV配电所设计特点全电缆贯通线一般设置2—3套固定电抗器,用于抑制长电缆线路电压抬升和补偿全电缆贯通线的电容电流。固定电抗器可按三角形接线,不宜按星形中性点接地的方式接线,否则全电缆线路发生单相接地时,固定电抗器中性点会通过接地故障电流,对继电保护的叮靠性产生影响。同时正常情况下,由于系统三相负荷不平衡,中性点会流过零序电流,影响电抗器寿命。如果相邻两座铁路10kV配电所,均采用Dynll接线组别的调压器,TI、T:2台调压器副边引出中性3.2中性点电阻选择3.2.1低电阻接地系统应符合零序电阻心与零序电2条贯通线供电。计算电阻值时,宜按调压器向2条243.2.2根据暂态过电压选择故障接地电流倍数K与系统单相接地电流中有功电流分量,。和系相电压以下;当,。=2,c时,可将健全相的过电压限制在2.2倍。3.2.3中性点电阻计算公式生故障立即断电,,。与,。的比值允许更大,为此,低电抽头可调整电阻值。不锈钢电阻与传统铸铁电阻相3.3铁路103.3.1固定电抗器接线3.3.2贯通线并网供电式中R。——中性点电阻,Q;第8期廖宇:全电缆贯通线低电阻接地系统的设计研究91点,通过低电阻接地。该2台调压器采用并网方式向同一路电缆贯通线供电,贯通线一点发生单相接地时,零序电流经过由T。、T:2条路径形成【旦I路。此时零序电流保护应采用带方向的保护配置,这使零序保护复杂化。由此可见,低电阻接地系统,不宜采用贯通线路并网运行的模式。一路贯通线运行的情况,lk。i。=IN。(2)零序电流Il段的保护整定,按躲过非本线路故障时,本线路流过的最大电容电流值整定。lk。。=Kk,。。(5)式中甄——可靠系数,取1.5~2;,。。——非本线路故障时,本线路流过的最大电容电流值。考虑到铁路贯通线如果只有一路馈出,,c.可为被保护线路的最大电容电流。(3)时间匹配,贯通线零序保护I段时间整定:0.1~0.24低电阻接地系统的保护整定低电阻接地系统的继电保护在《铁路电力设计规范》(TB10008--2006)和《电力设计手册》中没有相关内容和规定。可以按照《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》(GB/T50062--2008)和借鉴地方变电站的设计方法,结合铁路供电的特点来解决继电保护问题。4.1整定保护的配置原则低电阻接地系统继电保护,应当满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性4项基本要求。贯通馈线发生单相接地后,馈线零序保护应可靠动作,且对于高阻接地有一定的灵敏度。根据系统运行的要求设置主、备单相接地保护。贯通出线柜零序电流主保护设置两段式保护;贯通调压器开关柜设置零序过电流保护,作为贯通馈线的零序后备保护兼作贯通母线接地的主保护。4.2整定计算4.2.1贯通出线回路整定保护装置的整定电流可由贯通开关柜的零序电流互感器采集;或由三相电流互感器采集电流值,接入微机保护装置经计算获得零序电流。(1)零序电流I段保护整定lk。≤,kmin/尺lS,该时间可以躲过变压器涌流。贯通线零s。序保护Il段时间整定:0.4~0.64.2.2贯通调J玉器柜高压开关整定贯通调压器柜高压开关从接地电阻中性点零序电流互感器接引零序电流信号,作为贯通馈线的零序后备保护兼作贯通母线接地的主保护。整定值选取按照躲开贯通馈线系统的不平衡电流,同时在时间上和贯通馈线零序过流II段配合。铁路配电所贯通线的不平衡负荷主要由通信信号等单相负荷引起,一般不会超过总容量的20%,同时可乘以1.5的配合系数。时间整定值应与贯通馈线零序过流Il段的时间配合,时间级差为0.5S。由于铁路变配电所从地方接引的中压电源一般为不接地系统。调压器采用Dynll接线时,二次侧发生单相接地故障时,零序电流可在一次侧绕组的三角形接线中产生环流,以平衡接地故障时在调压器二次侧星形绕组中产生零序电流。但不会在调压器的一次侧电源系统中产生零序电流。故调压器开关柜的零序电(4)流保护动作时限不必与一次侧不接地系统的线路零序保护相匹配。4.3接地故障点过渡电阻对保护的影响表l为某企业对10kV电网中电缆和架空线路进式中,k。——零序电流T段保护整定值;K.——灵敏度系数,取2;电容电流。根据图1和相关公式可知,发生单相接地时,流过故障线路保护装置安装处的接地电流,。=行人工试验得出的各类单相接地情况下的接地电流和零序电压值。,。为流经中性点电阻上的接地电流,Jf。为流经接地相(c相)线缆末端的电流,%为中性点电阻上的电压。√届+(厶一功2,考虑到铁路配电所1台调压器馈出表I序号1234510kV电缆和架空线在各类单相接地故障中的数值接地电移"2/A首端IJl。460.5/465.6432.7/464.82230.5/247.3182/195.720.2/114接地状态电缆线路末端C相金属性接地架空线路末端C相金属性接地裸导线掉在湿土地面f:接地绝缘导线掉在湿土地而上接地裸导线掉在水泥地面上接地末端,d448426251.820021.2零序电压t;o/kV6.552.92.360.3万方数据92铁道工程学报2009年8月由此可见,对于铁路全电缆贯通线在水泥电缆槽内敷设,由于电缆槽采用钢筋混凝土结构,且较湿润,能够保证单相接地故障点处的过渡电阻较小,电缆单相接地时能可靠跳闸。但整定计算时,仍应考虑接地过渡电阻对单相接地电流的影响。5低电阻接地系统对10/0.4l【v变电所的影响5.1信号楼电力远动间10kV系统单相接地贯通线采用低电阻接地系统,当信号楼或行车室电力远动问的室内10kV贯通线系统发生接地故障时,如图3所示。由于通信、信号变压器的低压侧和高压侧采用综合接地系统(共用地网),电力远动间接地电阻尺。上有Uf=R。,d的电压,以随着,。的增大而增大。如,d=500A,RB=2Q,此时有1000V的故障电压将传送低压系统,引起到低压系统对地大幅值暂时过电压。虽然0.1s内10kV配电所能跳闸,切断故障线路,但仍有安全隐患。为防止可能发生的事故,应采取以下3项措施。£l£2N三3咫图310kV低电阻接地系统发生接地故障时J。和“值均增大(1)降低R。的阻值,不大于1Q。(2)变电所的低压系统采用’矾系统,电力远动间与信号楼合建时,整个建筑物内采用总等电位联接。发生高压侧接地故障时,低压侧中性点、PEN线或PE均上升到同一电压以水平上,如图4所示。建筑物内(3)做好建筑物内接地系统。电气设备的接地线高压电缆金属铠装层采用铜芯电缆与设备基础接地可电力远动间和站房合建时,应采取上述措施,在整万方数据个站房内采用总等电位联接。图4'IN低压系统采用总等电位联接示意图5.210kV贯通线变配电所与站房合建时,由于10kV贯通线变配电所与站房采用综合接地系统(共用地网),接地电阻为月。。此时10kV变配电所馈出的lOkV贯通线发生单相接地故障时,在调压器中性点处会引起Uf_R。,。电压升高,导致低压系统对地大幅值暂时过电压。由于10kV配电所馈出的贯通线发生单相接地故障比某一电力远动问内lokV贯通线发生单相接地故障的几率大,更应在站房内采取总等电位联接的措施;或者将10kV贯通线配电所与站房分开建设。对于单独建设的10kV配电所亦应在配电所内设置总等电位联接。kV综合变电所和电力远动间时,地区10kV馈线为不接地系统,电力远动间室内10kV贯通线为低电阻接地系统。站房综合变电所采用TN低压系统向站房外的路灯、投光灯供电时,如果电力远动间10kV贯通线系统发牛单相接地,会有U,=R。,。的电压通过TN低压系统的PEN或PE线传送到窜外的路灯金属电杆,当室外人手触及灯杆等外露可导电部分时,对人体会产生玑的接触电压,危及人身安全。为解决该类问题,可采取将站房外的TN系统改为局部7丌系统,室外设置独立的PE线。结论本文论述了高速铁路全电缆贯通线采用低电阻接护。通过案例说明发生单相接地故障时,单相接地电流受接地点过渡电阻的影响较大,零序保护整定需考(下转第95页)5.3站房内设有由地区馈线供电的10/0.46线及设备外露可导电部分(人体可触及的导电部分)人体触及外露可导电设备不出现电位差,人身电击和绝缘事故都不可能发生。宜采用铜母排或单芯铜芯电缆。例如电力远动间室内靠联接。地系统的原理和特点,提出中性点接地电阻的计算方法和电阻设备选择要点;阐述贯通线高压柜采用零序速断和零序过流两段式保护的整定计算方法和时限配合原则,提出调压器高压柜设置中性点零序过流保护作为贯通馈线的后备保护并兼作贯通母线接地的主保第8期王国梁:接触网融冰防冰问题的分析研究95另一种涂抹装置是将受电弓的弓头滑板替换为如图2所示的涂抹装置,它的主要功能是滚动且均匀地将防冻甘油涂抹在接触导线上,防止接触导线覆冰。1利于机车受电弓的适用。通过本文的分析研究,建议在易发生导线覆冰的铁路沿线每隔6~10km安装感知冰雪的覆冰报警感应装置,在变电所内安装解冰系统,保证在发生覆冰时报警,利用焦耳热融化覆冰。在易发生覆冰的运营线上,也可以采用预警防冰措施,在预报可能发生导线覆冰的前一天涂抹防冰材料,有效的减少接触导线的覆冰危害,为接触导线的良好使用以及列车的安全行驶创造条件。图2安装在受电弓上的涂抹装置参考文献:[1]于万聚.高速电气化铁路接触网[M].成都:西南交通大学出版社,2002.[2]于万聚.接触州设计及检测原理[M].北京:中国铁道出版社,1991.[3]贵州省电力工业局,贵州省气象科研所.贵州电力技术・覆冰文集[G].贵阳:贵州省气象科研所,1992.[4]易辉.湖南电网病害事故天气成因分析[J].电力设备,2005,6(7):37—39.该装置适用涂抹防冻甘油的运行速度约为30km/h,涂抹后的有效期为2~3d,这种方法是一种非常有效的预防措施,所以当预报有可能造成接触导线覆冰的前一天进行涂抹。国外的实践证明,O℃到一15℃是最为理想的操作条件,仅仅需要2个气压,装置就可以工作,在恶劣的冬季此方法能够很好地防止接触导线的覆冰,保证良好的受流。防冰系统的优点是能明显的减少由于覆冰导致的交通事故,避免由于覆冰导致的拉弧引起的机车电路的损坏,接触导线及受电弓的磨耗也减少了。保证了列车运行的舒适性以及受流的稳定性,维护费用低廉。[5]万毅,邓斌,李慧杰,等.基于丌A的接触网系统可靠性研究[J].铁道丁程学报,2005(6):56—59.[6]胡毅.输电线路大范同病害事故分析及对策[J].高电压技术,2005,31(4):14—15.[7]张永胜.输电线路覆冰原因分析及防护[J].青海电力,2006(1):38—40.3结论哈大铁路客运专线是我国“中长期铁路网规划”中北京一沈阳一哈尔滨(大连)客运专线的组成部分,是东北地区铁路网的脊梁,在全国铁路网的地位和作用十分重要。解决接触导线融冰也是第一次在我国高速铁路上应用,从运营角度出发,覆冰可能导致列车运行晚点,不利于客运系统正常运营。从设备安全角度出发,接触导线的覆冰将导致拉弧时导线产生严重的磨耗。覆冰条件下运行即影响接触网系统的寿命也不[8]陈斌,郑德库.架窄送电线路导线覆冰破坏问题分析[J].吉林电力,2005(6):28—30.[9]蒋兴良,易辉.输电线路覆冰及防护[M].北京:中国电力出版社,2002.[10]清华大学,西安交通大学.高电压绝缘[M].北京:电力工业出版社,1980.[11]田玉春,蒋新良,舒立春,等.高海拔地区lOkV合成绝缘子覆冰闪络特性[J].高电压技术,2002,28(6):13—15.(编辑曹淑荣)(上接第92页)虑该因素。指出采用低电阻接地系统后,不宜使用贯通线两端配电所并网运行方式。由于低电阻接地系统会导致单相接地电流增大,在站房设计时,不宜将铁路配电所与站房合建,如电力远动间与站房合建应采取总等电位联接的安全措施。【3]王厚余.建筑物电气装置500问[M].北京:中国电力出版社。2008.[4]GB/T50062--2008,电力装置的继电保护和自动装置设计规范[s].[5]DL/T620--1997,交流电气装置的过电压和绝缘配合[s].[6]中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册[K].3版.北京:中国电力出版社,2005.[1]李润先.中压电网系统接地实用技术[M].北京:中国电力出版社,2002.[2]沪电力调字[1998]第371号,上海电网小电阻接地系统继电保护配置原则和整定运行规定[S].[7]L.Heinhold,R.Stubbe(Hrsg)[德].电力电缆与电线[M].门汉文,译.北京:中国电力出版社,2001.参考文献:(编辑赵立兰)万方数据