《浅析牵引变电所接地系统存在的安全隐患》(1).doc

(完整版)浅析牵引变电所接地系统存在的安全隐患(1)浅析牵引变电所接地系统存在的安全隐患 刘让雄 摘 要：本文介绍了牵引变电所接地系统的相关标准，分析了长期以来在施工与运营中被忽视的接地问题及存在的安全隐患,并提出了相应建议.关键词：牵引变电所 接地系统 安全隐患 Analysis of the Hidden Safety Deficiency in Traction Substation Earthing System Liu Rang Xiong(China Railway Construction Electrification Bureau Group Four Co.，Chang Sha 410001，China）Abstract： This article introduces relative standards of the traction substation earthing system and analyses the neglected earthing problems and the hidden dangers in construction and operation range for a long time。 It also puts forward relative suggestions。Key words: traction substation earthing system hidden safety deficiency60 引言接地系统是牵引变电所重要的子系统.近年新颁布的铁路电力牵引供电工程施工质量验收标准（TB104212003，以下简称新验标)与铁路电力牵引供电设计规范(TB10009-2005，以下简称新设规）丰富了牵引变电所接地标准的内容。但因接地系统在变电所运行正常时，它的作用易被人们忽视；在设备异常时，接地系统发挥的重要作用仍然易被遗忘；而当接地系统自身问题导致故障时则一般不被意识。这使得长期以来未能充分认识接地系统的重要性，不少问题长期存在,并未因新验标与新设规的颁布而得到有效解决。随着牵引变电所负荷电流不断加大，接地网腐蚀不断加重及综合自动化系统的广泛采用，接地系统存在的问题正日益成为一种严重的安全隐患。本文总结了多年的运营维修经验,并结合自己的工程监理与建设管理实践，分析了牵引变电所接地系统存在的常见问题及隐患,意在抛砖引玉,引起相关各方的关注与重视，提高接地系统的安装水平，全面提升牵引变电所的系统可靠性。1 隐患之一:二次回路多点接地及接地点位置不合理1。1相应标准新设规第4。8。9条：“电流互感器的二次回路应有一个接地点,并在配电装置附近经端子排接地;但对于有几组电流互感器连接在一起的保护装置，则应在保护盘上经端子排接地。”新设规第4.8.10条:“电压互感器二次侧中性点或线圈引出端子之一应接地,接地点宜设在控制室内”。铁路电力牵引供电施工规范(TB10208-98)第4。10.7条：“二次回路电缆配线当采用屏蔽电缆时，其屏蔽层应接地除设计有特殊规定外,接地点宜设在配电装置一侧。”1。2存在问题根据上述标准，牵引变电所主变差动保护是几组流互连在一起的保护装置，其二次回路应在保护盘上经端子排接地，如图1中所示在A点处接地（1CDJ3CDJ安装于保护盘）。其它流互二次回路及电缆屏蔽层则应在配电装置侧接地。图1中的2LHb如是单独接某一保护装置时,则应在图1中的B点处（流互就近的端子箱内）接地。电压互感器二次回路则应在控制室接地.而现场安装时并不规范,主要体现在：1。2。1同一根电缆屏蔽层或同一根电缆接地芯线多处接地。现场人员存在一种误解，认为只要不少接，多接一处无妨，而且认为多接只会更可靠。如在控制保护屏内，一般都是将电缆屏蔽层全都一律接地，而在电缆的另一端(设备端子箱内)也同时接地。有的则将同一根电缆的接地芯线在一次设备端子箱和控制室内均同时接地.1。2。2选择接地位置时随意性较大。认为变电所地网是个整体，变电所内都是“地”，接哪都行，只要接了就可以。如施工中有的将电压互感器的N端直接接到设备的外壳接地端上，通过外壳接地引线与地网联接.有的则将该接于配电装置侧的接到了控制室侧等。1。2。3易混淆标准对二次回路接地与电缆接地的要求。这种混淆易造成接地点位置不符合标准规定。二次回路接地属工作接地,具体安装位置与数量一般在施工设计图中标识，且均是相应回路的电缆芯线接地.如图1中的A点B点及图2中的D点接地就属二次回路接地。其接地点位置应按标准和设计要求进行。电缆接地则属保护接地，施工设计图上不作标识,一般是电缆铠装层或屏蔽层接地，以施工规范和验收标准的要求为准。1。3 隐患分析1.3.1多点接地牵引变电所的一大特点是牵引变压器C相固定接地,其部分负荷电流将从钢轨泄漏入地后通过变电所接地网流回C相。只要变电所有负荷，接地网中就有电流流过.一些变电所曾发生过安装的金属水管带电“麻人”的现象，这说明金属水管埋入地中后即成了地网电流的分流支路.电缆两端均接地时，电缆的屏蔽层或接地芯线也就成了地网的并联支路，会分流部分地网中的电流。如图3所示。电流流经电缆会发热，将加快电缆绝缘层与屏蔽层的老化，此其一.其二是接地网长期受电流腐蚀等诸多因素影响，会形成局部地段电阻较高的现象。即如图3中所示地网电阻r值较高时，两点接地的电缆就会分流较大部分地网电流。当牵引电流主回流通路不畅时，地网电流将很大。笔者曾对沪昆线株怀段某一主变容量为40MW的牵引变电所接地网中的总回流进行监测，监测到该电流在回流非异常情况下曾超过300A。而当一次设备发生接地短路时，接地网中电流会数倍于正常值。此时电缆中的分流i1将极可能烧毁电缆并危及相关二次设备的安全。1.3.2接地点位置不合理根据标准，电流互感器二次回路或电缆屏蔽层的接地除设计有特殊规定外应接于配电装置侧。如接于保护装置侧易留下隐患：一是电缆路径延长后中间联接点及所接的其它二次设备增多，造成接地可靠性降低；二是流互二次回路因接线松动或查找故障等原因发生开路故障的可能性较大,极易在其二次线圈两端产生危险过电压,严重危及二次设备的安全。靠近一次设备接地可大大降低这种危害性。电压互感器二次线圈一般均接了不少二次设备，其回路故障大多发生在装于控制室各屏上的这些设备。当将电压互感器二次线圈N端直接接在设备外壳接地端时，因该接地端易因检修或其它原因而断开或接触不良,这将会造成该二次回路断线而引起保护误动或拒动。当将接地点设在一次设备侧，则当二次设备发生接地故障时，因接地点远离二次设备而使切除接地故障的可靠性降低。一旦不能及时切除，将扩大故障范围，对电压互感器及其二次设备的安全均构成威胁。2 隐患之二：自动化系统接地未与接地体单独连接2.1相应标准新验标第4。15.8条：“采用计算机技术的自动化系统中的接地应单独与接地体连接。”。2.2存在问题目前新建的牵引变电所已广泛采用综合自动化系统，各种保护、测控及远动系统等基本都实现微机自动化。但对这种新设备的接地尚未引起足够重视.在实际安装时大多将自动化系统的接地与屏柜内其它设备的保护接地、二次回路接地、电缆保护接地等全部一并接到屏柜内的接地小母排，将接地小母排与屏柜下方的底座槽钢相连，再将底座槽钢通过接地线引至室外接地网相连。这等于将接地小母排与底座槽钢当成接地体。标准对接地体的定义是:埋入地中并直接与大地接触的金属导体.4显然接地小母排与底座槽钢属接地线,而非接地体。这种接法不符合标准要求，存在隐患，但却习以为常,熟视无睹。2。3隐患分析将自动化系统的接地直接与其屏柜下方的底座槽钢相连，通过接地线再与室外接地体相连，相当于在底座槽钢至接地体之间增加了一段串联地线.当该段地线与主接地网联接不良、一次设备发生短路故障或屏内设备出现异常故障时,该底座槽钢与接地小母排就可能出现高电位.采用计算机技术的自动化系统设备多为工作电压很低、工作电流很小、精密度高、抗干扰能力差的电子设备，这一高电位将严重危及电子设备的安全运行，从而危及整个变电所的测控系统与保护系统的正常运行.1998年沪昆线株娄段某变电所因馈线避雷器击穿而造成馈线微机保护装置的保护模块被烧毁.一时找不出原因,后排查其他故障时意外发现该保护屏接地引线竟有烧伤痕迹,说明该故障很可能是因该地线引入了危险电压所致。同时因自动化系统的接地与屏内其它接地全都接在一点，干扰源增多,使自动化系统公共端参考电位稳定性降低，对自动化系统的可靠运行也将带来不利影响. 3 隐患之三:电抗器与变压器工作接地未与地网分开，部分设备工作接地与保护接地直接相连3.1相应标准新验标第4.1。13条：“同一电气设备的工作接地线和保护接地线必须分别设置，并直接与接地体(网）可靠连接,不得在与接地体连接之前并联连接。3.2 存在问题牵引变电所中不少设备有工作接地，常见的主要问题是27。5KV所用变压器、动态补偿装置中的降压变压器、高压室内27。5KV电压互感器等设备的工作接地大多直接与其保护接地相连。电容补偿装置中电抗器工作接地仍有不少是与其保护接地相联.近些年新建的变电所单独设置了电抗器工作接地，但仍未与地网分开。3。3 隐患分析电抗器及变压器工作接地线中正常电流可达几十安培，对容量较大的电容补偿装置其电抗器工作接地电流可上百安培。合闸瞬间该值可数倍于正常工作值.5通过降压处理的动态补偿装置，此接地电流正常就可达数百安培.如此大的电流均需经此接地线流入接地网，最后流回牵引变压器C相。这不仅易腐蚀地网，更严重的是当此接地线与主地网联接不良时，该电流就会产生迂回分流，给一些二次设备带来意想不到的干扰与危险，同时还将在与其相连的接地干线上产生高电位，危及相关设备及人员安全。电压互感器的工作接地与其保护接地直接相连，一旦与其相连的接地干线接触不良甚至接地干线的接地点断开,则会造成电压互感器工作接地“悬空”，此时其接地引线及其相连的接地线就会带上与一次侧相同的高电压，给与其相连的其它设备及人员安全构成严重威胁。4 隐患之四：避雷针及装有避雷线的构架上的照明电缆金属保护管接地控制不严4。1相应标准新验标第4.6。8条：“避雷针及装有避雷针、线的构架上的照明灯电缆或导线，应采用直埋于地下的金属保护管进行保护,电缆保护管应接地，其地中埋设长度不得小于10m。”4。2存在问题现场安装一般将该电缆通过电缆沟敷设至避雷针或避雷线构架附近，再穿金属保护管埋地引至避雷针或避雷线构架上。对此金属保护管没有采取单独的接地措施,而对其在地中的长度也很少严格控制，大多少于10m，尤其是引入避雷线构架的金属保护管更短，一般在12m。4。3隐患分析当避雷针或避雷线遭遇雷击时，照明电缆的金属保护管因与避雷针或与避雷线构架接地引线直接相连但又未采取符合标准要求的接地措施，极易将雷电危险电压引入电缆沟而危及其他二次回路的安全。1999年沪昆线株娄段某变电所就曾发生过因避雷针遭遇直击雷而将主变端子箱内的回流电缆外皮烧伤的故障。5 隐患之五:高压室内接地多处构成闭合磁路5.1相应标准新验标第4.12。4条：“电抗器间隔内的所有磁性材料部件应固定牢靠，电抗器周围的网栅及接地线不得构成闭合磁路。”5.2存在问题牵引变电所高压室设备大多采用金属网栅间隔式布置,靠墙脚安装接地干线。网栅门与立柱间用软铜绞线联接，网栅在靠墙侧与接地干线相连。每个网栅间隔与接地干线应只联接1处，而实际往往是2处都联，形成众多的接地闭环。电抗器间隔网栅因验标已作了明确规定,原来整个电容器室接成大闭环的问题已基本解决，但仍易形成一些小的局部闭环。在这些接地闭环中，部分是与高压母线产生的电磁场方向平行，这种闭环不会产生环流，5在此不作介绍。常见的几种构成闭合磁路的接地闭环现象如图4所示(均为俯视示意图)。在图4中,对形式一与形式二,图中A、B点均应断开，不能相连;而形式三则在图中的A、B两点处同时只能联接一处，当该间隔内有隔离开关且其操作联杆是如图所示位置安装时则只能在B点将网栅与接地干线相连。5.3隐患分析牵引变电所的负荷均为单相不平衡负荷，接地闭环构成闭合磁路后,当高压母线中有电流时将通过电磁感应在相应的接地闭环中产生短路环流.对于电容补偿装置及电抗器所在的网栅间隔，短路环流将加大电抗器的损耗，提高电抗器的温升。而闭合磁路的形成又相当于增加了一个藕合回路,将影响电抗器的电感值.牵引负荷电流中存在多种高次谐波，补偿装置参数设计时均考虑避免对某一高次谐波产生谐振。而电抗器的电感值偏离原设计值时就可能导致补偿装置对某一高次谐波的谐振,产生谐振过电压或过电流，危及电抗器和电容器的安全运行。同时短路环流将导致网栅发热，尤其是电抗器所在的网栅，值班员在巡视时曾发现过门锁严重发烫的现象。当网栅门断续接通时还将产生电压并放电，危及人员安全.6 几点建议6。1全面系统认识接地系统作用接地系统在牵引变电所中的作用虽不太直观明了,但同样发挥着不可替代的重要作用.接地网处处连通,与牵引变电所这个大系统构成一个复杂的电气系统网络。因此需要将其置于整个牵引供电系统中去加以研究，全面系统地认识地回流、各种工作接地电流及设备故障时可能产生的异常等诸多因素的影响及与接地系统的相互关系，方能准确、系统地理解相关接地标准的内涵,方可消除认为接地接哪都行、接地点越多越可靠等不准确甚至错误的理解。这也将有助于解开一些原因不明故障的真相，真正重视接地系统的重要性。6。2必须克服侥幸心理,严格按标准安装标准的制定是严肃而讲究科学依据的。未按标准要求安装，一时半载不一定发生故障，但却会留下安全隐患。而这种隐患往往很隐蔽，如接地干线上出现高电位时是没有相应的保护或监测措施的，轻易难以发现。有时即使这种高电位烧坏了二次设备都还不能及时发现。同时地网长期受地电流的腐蚀、设备故障及运行检修等众多因素影响，其状态是不断在变化的.地网本身就是一个复杂的网络,接地不规范很易节外生枝，新增很多意想不到的并联或串联支路。这都可能成为新的隐患.因此必须克服侥幸心理，严格执行标准才能从根本上消除这些潜在的隐患。6。3改进电抗器和变压器工作接地方式将其工作接地与变电所主接地网分开，单独设一条专用地线直接敷设至主变端子箱与主变C相相连。该专用地线采用扁铁时，需采取防腐并与接地网隔离的措施。建议直接采用不带铠装的电缆.这增加费用很少，却能确保该工作电流不流经接地网,从根本上消除相应隐患。6。4接地装置采取热镀锌防腐 目前牵引变电所接地体大多采用角钢与扁钢直埋，只在焊接点处加防腐措施。据资料显示4，直埋扁钢年平均最大腐蚀厚度为0.10.2mm，而热镀锌扁钢只为0。065mm，防腐能力增大1倍。建议将接地体及与接地体直接相连的接地线均采取热镀锌措施，可大大提高整个地网防腐能力，增强地网的电气工作稳定性，同时也大大延长地网的使用寿命。6。5避雷针及避雷线构架上的照明电缆保护管改用绝缘管该金属保护管因与避雷针或避雷线直接联通，如采取单独接地措施，其接地体也应与主接地网隔离,现场处理难度较大。而其埋入地中的长度因受现场地形限制，一般也难控制,因此建议将此保护管改用绝缘管。参考文献1 TB104212003,铁路电力牵引供电工程施工质量验收标准S.北京：中国铁道出版社，20032 TB10009-2005，铁路电力牵引供电设计规范S。 北京：中国铁道出版社，2005 3 TB10208-98，铁路电力牵引供电施工规范S. 北京:中国铁道出版社，1998 4 芮静康。 建筑防雷与电气安全技术M。北京：中国建筑工业出版社，2003,P166P262. 5 张洪让. 电工基础M。1，上海：高等教育出版社，1979,P105P135.