浅析现代有轨电车系统中箱式牵引变电所的雷电过电压
2015-10-08 09:33:15
浅析现代有轨电车系统中箱式牵引变电所的雷电过电压
金涛斌，钱广民
（天津轨道交通集团有限公司，天津，300000）
摘 要：现代有轨电车系统具有投资少、建设工期短、综合运营成本低、人性化设计、节能环保、环境适应性强等独特优点，在未来有很大的发展空间。箱式牵引变电所在减少占地、节约工期、降低投资等方面具有明显的优势，相比于传统房间式牵引变电所具有很大的竞争力。本文以天津开发区混合动力有轨电车新交通项目供电系统中所使用的箱式牵引变电所为例，对其受雷电电磁场和雷电过电压进行分析计算，该结果能为箱式牵引变电所的防雷技术研究提供一定的指导。关键词：现代有轨电车系统，轨道交通，箱式牵引变电所，雷电电磁场，雷电过电压
现代有轨电车系统作为地铁与公共汽车之间的中运量运输系统，具有低碳减排、节能环保、投资少、见效快、与城市环境适应性强等优势，是城市轨道交通系统的重要组成部分。现代有轨电车系统的路权形式有完全独立路权、半独立路权、共享路权。现代有轨电车系统的牵引供电制式有架空接触网、接触轨、超级电容+蓄电池、架空接触网+超级电容+蓄电池、接触轨+超级电容+蓄电池。
牵引变电所作为现代有轨电车系统牵引供电系统的核心，主要有传统房间式牵引变电所和箱式牵引变电所两种模式。传统房间式牵引变电所主要存在建设占地多、工期长、工程配合复杂等问题，而箱式牵引变电所能很好地弥补房间式牵引变电所的不足，具有占地小、工程拆迁量小、土建投资小、施工工期短、现场配合少、美观、综合投资少等独特优势，在未来具有较大的发展空间[1-4]。
虽然箱式牵引变电所的箱体顶盖和底座是整体焊接，这一方面更有利于雷电防护。但另一方面，由于箱体的金属效应，也更容易受到雷电的侵害。本文以天津开发区混合动力有轨电车新交通项目供电系统中所使用的箱式牵引变电所为例，对其受雷电电磁场和雷电过电压进行分析计算，该结果能为箱式牵引变电所的防雷技术研究提供一定的指导。
1现代有轨电车系统概述
现代有轨电车系统的运量介于地铁与公共汽车之间，可作为城市轨道交通系统的重要组成部分。其具有以下突出优势：
1）投资少。每公里建设投资包括车辆在内可以控制在1.5亿元之内。
2）工期短。工期可控制在1-2年之内。
3）综合运营成本低。相对于地面交通，其能耗小。
4）低地板人性化设计、平稳舒适。有70%低地板和100%低地板等形式。
5）环保。无尾气污染。
6）环境适应性强。能适应比较复杂的地面交通系统。
目前，株洲电力机车有限公司、青岛四方机车车辆股份有限公司、大连机车车辆有限公司、唐山轨道客车有限责任公司等均有比较成熟的现代有轨电车系统，技术和国产化都较为成熟。
2箱式牵引变电所概述
天津轨道交通工程供电系统的设计和建设，涵盖了多种方式和多种制式，有分散式供电（35/10kV主所）和集中式供电（110/35kV主所），有DC750V接触轨和DC1500V架空接触网，有传统房间式牵引变电所和箱式牵引变电所。
传统房间式牵引变电所的设备设置在建筑物内，其具有以下优势：
1）土建房屋技术比较成熟，房屋材料易购。
2）牵引变电所设备采用通用型即可，且设备操作检修通道一般较宽敞，利于设备检修维护。
3）设备分体运输，对市政道路无特殊要求。
4）抵御环境影响能力较强，由于房屋建筑本身特点，其抗风霜雨雪等自然环境、防火及隔离噪音等能力较强。
5）一般房屋变电所与工程其它建筑物合建，配套的电缆通道、环控、消防等配套设备容易实施。
6）设备加土建综合投资较箱式牵引变电所稍低。
箱式牵引变电所是将传统房间式牵引变电所中的设备都集中装配在一个工厂预制的钢结构集装箱内，箱体一般由两层钢板内衬绝缘层和保温层构成，具有保温隔热、防雨雪、防腐蚀、防尘、防盗等性能。在箱体内可设置远动、照明、空调、消防、所用电源、通信等设施和接口设备，这些功能与钢筋混凝土的传统房间式牵引变电所相当。箱式牵引变电所内的设备都是在工厂集中安装调试完后，再由工厂整体运输到变电所安装现场进行直接安装。简单说来，箱式牵引变电所与传统房间式牵引变电所相比较，主要有以下优势：
1）占地少，与传统房间式牵引变电所相比，同容量的箱式牵引变电所占地面积通常仅为传统房间式牵引变电所的1/3左右，减少土建工程量。
2）完全是工厂预先制造，集中安装调试，现场影响小；工厂化程度高，减少现场安装工作量。
3）搬运拆迁方便。
4）与外部的接口内容少，而且简单。
5）可有效缩短现场施工工期。对于箱式牵引变电所，其工期与土建工程和其它系统专业的工期互不影响，箱体制造，设备生产和设备安装、接线、单体调试，变电所系统调试等工作可以与土建工程并行开展，不受其它系统的影响，甚至可以先于车站土建和其它系统提前开通可大大缩短轨道交通工程建设总周期。
6）设备加箱体综合投资较传统房间式牵引变电所略高。
但是，箱式牵引变电所并不是仅仅的把一些传统的牵引供电设备移到普通的集装箱中那种简单的概念，无论其箱体技术如结构、强度、配置，还是变电所设备的选择以及与箱体的配合等，都牵涉到很多方面的综合知识。此外，箱式牵引变电所整体运输，对市政道路要求较高。从便于维护检修方面考虑，箱式牵引变电所稍逊于传统房间式牵引变电所。
箱式牵引变电所内设备类型与传统房间式牵引降压混合变电所设备类型一致，即牵引部分和降压部分，牵引部分为电动车组提供直流电源，降压部分为变电所的设备及为变电所服务的环控、消防、照明等设备提供0.4kV动力照明电源。设备一般包括中压交流开关柜、整流变压器、整流器、直流开关柜、负极柜、排流柜、钢轨电位限制装置、配电变压器、0.4kV开关柜、交直流屏、控制信号盘等。
表2 传统房间式牵引变电所和箱式牵引变电所对比
3箱式牵引变电所的雷电过电压
本文以天津开发区新交通项目供电系统中所使用的箱式牵引变电所为例，对其受雷电电磁场和雷电过电压进行分析计算。该项目全线设置箱式牵引变电所5座，其中正线4座，分别为洞庭路站1座、泰达大街站1座、第十二大街站1座、学院区站1座，另在车辆段设置1座。正线箱式牵引变电所的尺寸为9.8米×4.3米，高度约为4米；车辆段为14米×4.7米，高度约为4米。箱体的外墙板为厚度不小于2mm的覆铝锌板，内墙板为厚度不小于1.5mm的彩钢板，中间保温材料采用聚氨酯，厚度不小于60 mm，箱顶为平坡。
虽然箱体顶盖和底座是整体焊接，且采用综合接地系统（接地电阻小于1欧姆），这有利于雷电防护，但是仍然出现过雷电导致箱内设备损坏的事故。
采用经典的电磁场计算方法对雷电电磁场进行计算，相关的计算方法和计算过程参见文献[5-10]。这里假定大地为均匀单层大地，大地介电常数取
，大地磁导率取
，大地电导率取
，雷电流模型采用继后回击的Heidler基部电流表达式，雷电流回击速度取光速的二分之一[6]。计算区域水平方向取2000m，垂直方向地上取1250m、地下取250m。取四个观测点，其坐标分别为水平方向离雷电通道20m，50m，100m，500m，垂直方向离地面4m，计算结果如图2~图5所示。
由图可知：
1）当雷电通道离箱式牵引变电所20m时，即雷电击中箱式牵引变电所20m范围之内，此时所产生的雷电过电压在260kV量级，极有可能损毁电气设备。
2）当雷电通道离箱式牵引变电所50m时，即雷电击中箱式牵引变电所50m范围之内，此时所产生的雷电过电压在100kV量级，很有可能损毁电气设备。
3）当雷电通道离箱式牵引变电所100m时，即雷电击中箱式牵引变电所100m范围之内，此时所产生的雷电过电压在48kV量级，对电气设备影响不大。
4）当雷电通道离箱式牵引变电所500m时，即雷电击中箱式牵引变电所500m范围之内，此时所产生的雷电过电压在6kV量级，对电气设备影响可忽略不计。
需要指出的是，雷电是概率事件，每次雷电的闪击点、每次雷电的电流量级，都具有一定的概率性，故这里的计算取值和计算结果，都是统计性的。
4结论与建议
现代有轨电车系统作为中运量运输系统，是城市轨道交通系统的重要组成部分，未来具有很大的发展空间。箱式牵引变电所与传统房间式牵引变电所相比，在提高工程可靠性、节约工期和降低投资等方面具有明显的优势，在现代有轨电车系统中，具有很大的竞争力。本文以天津开发区混合动力有轨电车新交通项目供电系统中所使用的箱式牵引变电所为例，对其受雷电电磁场和雷电过电压进行分析计算，该结果能为箱式牵引变电所的防雷技术研究提供一定的指导。需要指出的是，本文的计算结果，都是统计性的。
虽然箱式牵引变电所具有独特的优点，但在使用中需要特别注意：落实箱式牵引变电所的运输，包括运输设备、路径、交通疏解等；落实箱式牵引变电所与线路间的电缆通道；箱式牵引变电所内设备发热量较大，需要选择低损耗的设备，并且选择优质的空调设备；采取切实可行的安全接地措施。
参考文献
[1] 曹京学. 箱式牵引变电所在轨道交通供电系统中的应用[J], 电气技术, 2006, 10: 53-55.
[2] 苏堤. 现代有轨电车箱式牵引变电所设计研究[J], 电力学报, 2013, 28(6): 481-488.
[3] 王彦利, 谢伟. 箱式牵引变电所在城市轨道交通领域的应用[J], 机电工程, 2011, 24(3): 99-101.
[4] 蔡天明. 直流箱式牵引变电所的国产化及工程应用[J], 机电工程, 2007, 20(4): 95-102.
[5] 葛德彪, 闫玉波, 电磁波时域有限差分方法[M]. 西安：西安电子科学大学出版社, 2005.
[6] F. Delfino, R. Procopio, and M. Rossi. Lightning return stroke current radiation in presence of a conducting ground: 1. Theory and numerical evaluation of the electromagnetic fields [J]. Journal of Geophysical Research, 2008, vol. 113, D05110, doi:10.1029/2007JD008553.
[7] F. Delfino, R. Procopio, M. Rossi, F. Rachidi, and C. A. Nucci. Lightning return stroke current radiation in presence of a conducting ground: 2. Validity assessment of simplified approaches [J]. Journal of Geophysical Research, 2008, vol. 113, D05111, doi:10.1029/2007JD008567.
[8] E. Petrache, F. Rachidi, M. Paolone, C. A. Nucci, V. A. Rakov, and M. A. Uman. Lightning induced disturbances in buried cables-Part I: Theory [J]. IEEE Trans. Electromagn. Compat., 2005, vol. 47, no. 3, pp: 498-508.
[9] M. Paolone, E. Petrache, F. Rachidi, C. A. Nucci, V. A. Rakov, M. A. Uman, D. Jordan, K. Rambo, J. Jerauld, M. Nyffeler, and J. Schoene. Lightning induced disturbances in buried cables-Part II: Experiment and model validation [J]. IEEE Trans. Electromagn. Compat., 2005, vol. 47, no. 3, pp: 509-520.
[10] Y. Baba and V. A. Rakov. Electromagnetic fields at the top of a tall building associated with nearby lightning return strokes [J]. IEEE Trans. Electromagn. Compat., 2007, vol. 49, no. 3, pp: 632-643.
作者简介：
金涛斌（1980－），男，博士，工程师，主要研究方向为轨道交通供电系统雷电防护和电磁兼容。
论文所属专题：
互联互通的市域轨道交通关键技术及装备
专题四：基础设施的互联互通
市域线路的施工及建设技术
（来源： 2015中国天津区域轨道交通发展及装备关键技术论坛暨第24届地铁学术交流会论文集 ）
