浅议牵引变电所金属管网放电故障及防范措施

摘 要 根据牵引变电所回流原理、电磁感应及跨步电压相关理论，就牵引变电所及其周围金属管道因分布不合理导致的金属管道带电故障进行分析，找出故障原因，在此基础上提出防范措施。

关键词 牵引变电所;金属管道;电磁感应

牵引变电所是交流工频单相电力牵引供电系统的中要组成部分，它完成变压、变相和向牵引网供电等功能，并实现三相交流一次供电系统与单相电力牵引系统的接口与系统变换，其分布于铁路沿线。随着我国经济不断发展，铁路各牵引变电所配套的金属管网也不断改造更新，如供暖、供水管道的改造升级等，在改造金属管网的过程中如果管网布置不合理会在金属管网产生感应电，将对变电所的工作人员、附近的居民造成伤害及设备损坏甚至造成变电所一次设备误动，进而影响铁路安全供电，给铁路运输造成重大损失。因此分析牵引变电所的地下金属管网的布置与牵引变电所的地回流的关系，对于牵引安全供电有着重要的意义。

1 因暖气管道不合理引发的牵引变电所的暖气出现放电现象，危及人员安全

（1）2019年8月13日-8月15日期间施工单位对大准铁路大红城牵引变电所供暖管道进行改造，管道布置的路径与原路径不在一起，在8月16日变电所暖气片在人员触及后出现“麻电”现象，值班人员后来巡视发现一处暖气管道烧至通红。

（2）大红城牵引变电所基本情况。变电所于1995年投入运行，2台牵引变压器的容量均为（25+25）MVA，变压器接线方式为V、V接线，全所馈出4条馈线，供电臂均为20KM左右。大准铁路供电方式为直供加回流的供电方式。

（3）经现场测试，大红城牵引变电所的主接地电阻为0.23Ω，符合110KV及以上电压的大电流接地系统基地电阻小于0.5Ω的要求，同时主接地网与控制室的接地连接牢靠、接触良好。经测量控制室的供暖管道与变电所的地网有20V-50V的压差，将暖气管道与接地连接有200A的电流[1]。

2 放电的原因分析

（1）牵引变电所回流原理，在牵引系统中牵引电流是通过受电弓从接触线取流给机车供电，再流经钢轨、大地、回流线等接地装置回到变压器的接地相，形成闭合回路。大红城变电所具体的回流方式及回流装置如下：①钢轨→吸上线→回流线→牵引变电所汇流箱。回流线与接触网同杆架设，在牵引变电所外墙处经电缆与变电所汇流箱连接。②钢轨→大地→牵引变电所接地网→牵引变电所汇流箱。由于钢轨和大地之间不是完全的绝缘，在钢轨中的部分电流会泄漏到大地，通过大地流向变电所的接地网。根据基尔霍夫电流定律可知钢轨回流加地回流加泄漏电流等于接触网中的电流。在交流牵引系统中，流经大地的回流部分取决于回流导线的截面大小，约为牵引电流的5%-20%，该部分电流称之为杂散电流。交流牵引变电所接地装置的设计出了合理选择接地体和接地网减小接地电阻外还要考虑加设均压姐地带，用以降低地电位分布曲线的陡度，从而减小接触电压和跨步电压。

（2）接触电压与跨步电压。电气设备金属外壳多数与接地体相连，一旦设备内有绝缘损坏与设备外壳相连时就有故障电流流入大地，以接地点为圆心，画出若干个同心圆，近似于落地点周围的电势分布，地面上形成电位差，如果此时人体碰触绝缘损坏的电气设备外壳，则在人手与足之间的电压为两处点位之差，称为接触电压。当人在这个区域之内，两只脚站在接地地点远近不同的位置上时，两脚之间就有电势差，为跨步电压。

（3）接触网与暖气管道平行敷设产生的耦合电动势。大红城变电所的采用的是直供加回流的方式，牵引变C相接地，形成AB相—接触网—机车—钢轨大地—接地装置—C相电流的单相运行方式，因此在铁路四周产生交变的电磁场。在铁路附近敷设的金属管道以下三种感应电，①磁感应耦合，是由机车牵引电流流过接触网时产生的交变电磁场，通过空气、土壤等传导电磁波的介质，在管道上由于互感作用感应出纵向电动势，对感性耦合影响要考虑接触网正常供电和短路故障两种状态。②容性耦合，高压牵引供电线路和金属管道之间由于高压静电场的作用，通过相互间分布电容的耦合，引起管道对地电压升高，因大地具有良好的静电屏蔽作用，所以一般情况下，容性耦合只对架空管道有影响，而对地埋金属管道没有影响。③阻性耦合，在杂散电流入地点相对于远处大地间通过大地阻性耦合产生电位差。因阻性耦合的存在，使铁路附近的金属管道处于电位梯度变化剧烈的土壤中而引起管道电位升高。感应电压的大小和输电线路不平衡电流的大小、平行于强电线路的管道长度、导线和线路的距离、输电线路的频率、导线和线路的距离、管道的纵线电阻、管道覆盖层的电阻、管道周围的土壤电阻率、干扰源的系统性质等有关。

（4）根据欧姆定律，杂散电流流回牵引变电所接地网的电位分布可等效为以下公式：U=I*R0*L（U电位、I杂散电流、R0土壤导电率、L为距接地网距离），由此可见从铁路至牵引变电所接地网之间是存在一点的压差。

（5）综上所述在大红城牵引变电所暖气管道带电的原因有两部分，一是杂散电流在流回接地网时起到引导作用，将距变电所远端的电位与变电所室内的暖气管道等電位，与接地网之间产生压差。二是因暖气管道平行电气化铁路敷设且距离较近产生感应电，根据感应电动势公式e=Ldi/dt可知，在接触网线路故障时、机车启动或加速时产生的电动势更大，同时在管道与电气化铁路并行的距离越长感应电动势越大。当变电所的室内暖气管道中的电动势达到一定值后与地网的空气间隙击穿防电。

3 防范措施

①牵引变电所设计要合理布置其地下管网走向，尽量避免管网与铁路并行敷设，及送电流回流方向敷设，如果条件限制无法避免时，应附近的金属管网多点与注接地网相连形成等电位。②对所内暖气、自来水金属管道进行绝缘处理，增加其绝缘强度，在选材上尽量选用非金属管材。③从铁路设计来说对应加强交流干扰的防护，可采取尽量降低杂散电流的相关措施。

4 结束语

本文讨论了牵引变电所金属管网对地放电的形成机理，并在此基础上提出有针对性的预防措施，从而对变电所的工作人员、附近的居民造成伤害及设备损坏，同时在实际的工程中具有指导性意见。

参考文献

[1] 黄元才，吴良治.交流电气化铁道接触网[M].北京：中国铁道出版社，1988：39.

推荐访问:变电所 管网 放电 牵引 防范措施