雷电防护技术在现代铁路变电所配电中的应用

　　摘要：本文通过分析现代铁路变电所雷击的危害，详细介绍了防雷技术的应用情况，以达到减轻雷击对现代铁路变电所配电的危害的目的。

　　关键词：变电所;配电;防雷;铁路供电

　　Abstract: This article analyses the modern railway substation the harm of lightning, detailed introduces the lightning protection technology application situation, in order to achieve alleviate lightning strikes on modern railway substation distribution of power of the harm of purpose.

　　Keywords: substation; Distribution; Lightning protection; Railway power supply

　　中图分类号： TM63 文献标识码：A 文章编号：

　　近几年来，在现代铁路供电系统中，诸如综合自动化系统、远动系统、安全视频系统、交直流屏等越来越多的电子设备装备到牵引变电所、电力配电所、开闭所等现场，发挥着其不可替代的重要作用。这些电子设备和系统都工作在低电压和小电流状态下，其电磁兼容能力低，抗雷击电磁脉冲过电压、过电流的能力十分脆弱，在闪电环境下的易损性较高。对这些系统进行直击雷和雷击电磁脉冲的防护，具有十分的重要性和紧迫性。

　　一、变电所配电的雷电防护

　　现代铁路变电所配电的雷击危害从其发生的途径上主要分为3种：雷电直击、雷电过电压波沿输电线路侵入和雷击在所内设备上感应产生的过电压。

　　1直击雷防护

　　1.1现代铁路变电所配电的防护措施

　　现代铁路变电所配电的直击雷防护主要依靠避雷针和避雷线，其防护措施的原则：(1)被保护物体处于避雷针或避雷线的防护范围内;(2)要求雷击避雷针或避雷线时不应对被保护物体发生反击。避雷针分为独立式和构架式2种。土壤电阻率大于1 000 Ω/m的地区或设备绝缘水平不高(如110 kV以下的配电设备)的情况下最好使用独立避雷针，因为它比构架避雷针距离电气设备远，不易发生反击。使用避雷针应就近埋设辅助集中接地装置，且该装置与地网的连接点距离主变压器的地网连接点至少要大于15 m。这是为了将避雷针上的电压波衰减到不会对变压器造成损害的程度。

　　避雷线在我国较高电压等级变电站内使用普遍。它主要有2种布置形式：一是该线的一端经配电装置构架接地，另一端经绝缘子串与厂房建筑物绝缘：二是该线两端都接地形成一个架空地网。

　　1.2变电所接电网作用与设计

　　和架空避雷网络联系密切的是变电所接地网络。该接地网主要是流散雷击建筑物时的雷电流，同时降低接地电阻，提供电气设备故障时短路电流的流散通道，以维持低的电位升高。改善变配电所地表电位分布，从而为其中的设备提供良好的等电位系统，有效保护人员的安全。在该接地网设计中主要使用经验公式估算和数值计算相结合来计算接地参数。对变电所配电的实际情况还可以采取有针对性的措施，比如：与附近大型公共设施的地下钢结构相连接可扩大接地网的面积，并减小接地电阻;对土壤电阻率较大但分层较明显的地区还可采用加垂直接地极的方法。

　　2侵入波过电压防护

　　由于绝大多数变配电所装设了避雷针、避雷线和接地装置，因此绕击和反击的事故率很低，每年每100个变配电所约发生0.3次绕击或反击;相比之下变配电所的雷害事故主要是由于雷击线路

　　之后产生的雷电侵入波过电压和雷击在二次设备上感应产生的过电压所造成的。

　　1.1防护措施

　　对变配电所的雷电侵入波过电压的主要限制措施就是装设避雷器，包括装设位置和防护距离，以及变配电所的防护接线。前者在防雷标准中已经给出，对于防护接线，无论变配电所的电气主接线如何，只要能保证每段可单独运行的母线上都有一组避雷器就可使整个主接线得到保护。运行经验显示：变配电所雷电侵入波过电压事故约有50%是由雷击变配电所1 km以内线路引起的，约有71%是由雷击3 km以内线路引起的。这说明加强进线段线路的防雷保护对于减少雷电侵入波过电压非常重要，限制雷电侵入波过电压还需要将保护的范围延伸至变配电所外l～2 km的输电线路上。

　　雷电过电压，不仅与避雷器的保护特性有关，还与侵入波的陡度，离避雷器的距副和被保护设备的入口电压有关。当侵入波陡度越陡，离避雷器的电气距离越长，入口电容越大，被保护设备上的过电压就越高。如能提高避雷器的保护特性，被保护设备上的过电压就会得到明显抑制。实际中，大都采用电磁暂态计算程序EMTP进行仿真计算的方法研究被保护设备和上述因素之间的关系。

　　2.2 GIS变配电所的侵入波防护

　　气体绝缘变配电所(GIS)因体积小，不受周围环境影响且运行可靠的优点得到了广泛应用。与普通变配电所不同，气体绝缘变配电所的过电压防护有以下特剧：

　　(1)绝缘水平主要取决于雷电冲击水平。性能优异的金属氧化物避雷器(MOA)能有效限制GIS雷电过电压特别是陡波过电压;(2)波阻抗远低于架空线路，一般为60～100 Q，因此其折射系数小，即从架空线进入GIS的折射波的陡度和幅值都小于入口处的侵入波，这对GIS内部设备的防护是很有利的;(3)结构紧凑，设备之间的电气距离小，避雷器距离被保护设备也近，因此易于实现对设备的保护;(4)内部一旦发生电晕将无法恢复，因此要求GIS内的绝缘裕度大，过电压防护可靠性要高。

　　GIS的雷电过电压防护一般通过在GIS入端、GIS出端即变压器连接处或在GIS内部装设避雷器实现的。至于避雷器的装设位置和不同位置下的避雷器参数，以及相互之间的配合需要根据实际情况

　　进行计算。

　　3雷电二次效应防护

　　3.1防护原理

　　雷电影响除前文提到的直接击在建筑物或线路上外，还有雷电放电过程中产生的二次效应，及先导发展过程和雷击过程对空间的辐射作用，可以通过电磁耦合在金属物体上产生感应过电压，在回

　　路上产生感应电流。另外，当雷击中避雷针或者临近高大构件时强大的泄放电流引起地网电位升高，而在地下敷设的二次电缆屏蔽层会分流泄放雷电流，在缆芯间以及芯地间产生干扰电压。

　　现代铁路变电所配电的二次设备组成包括大量的集成电路和其他电子元器件，其抗电磁干扰和过电压的能力很差。例如：一个电磁型继电器的摧毁能量仅为0.1 J，一个微机继保装置的摧毁能量仅0.001 J。从变配电所防雷设计的角度考虑不管雷电以任何形式侵入，都希望能将其尽快泄入大地，同时产生尽可能小的地电位升高。另外希望尽可能均匀地将冲击分配到各个泄放环节。而从二次系统的角度考虑，除了希望端口上的过电压幅值较小，持续时间很短以外，还要求各个二次设备和线路的端口电位尽可能相等。这就是变配电所二次设备雷害防护的基本出发点。

　　3.2防护方式

　　在实际的变配电所二次系统的防雷设计中，采用的防护有以下方式：

　　采用分级保护的概念，即将变配电所划分为不同的雷电保护区，各区之间钢筋混凝土以及金属外壳会形成等电位屏蔽层，当管线或电缆穿过这些屏蔽层时，其外皮必须与之相连接。另外，变配电所建筑物内的各种电源进线，通信信号线，天线等与室内设备相连的引出线都应该在经过不同的雷电保护区和其终端加装不同类型的浪涌保护器。将避雷器或保护器分别加到高压变压器后端至低压设备的总配电盘间的电缆内芯线两端对地处(一级保护)、二次低压设备的总配电盘至二次低压设备的配电箱间电缆内芯线两端对地处(二级保护)、在所有重要的、精密的设备以及24UPS的前端对地处(三级保护)。目的是采用高吸收能量的分流设备(避雷器)将雷电过电压(脉冲)能量分流泄入大地，达到保护目的，另外，对一些精密电子仪器还可采取特殊的防护措施，如加装屏蔽等，以提高其抗雷电干扰能力。

　　二、防雷技术总结与展望

　　综上所述，现代铁路变电所是现代铁路电力供应的枢纽，一旦遭受雷击将对其设备造成损害，甚至引起大范围的停电事故。又因其主要电气设备修复时间较长，对现代铁路运营造成较大影响。为此对变配电所的防雷技术要求比对输电线路更高。现代铁路变电所配电雷害防护研究内容包括对变配电所可能遭受的雷电危害的分析和相应的防护措施，另外还需要考虑周围环境因素(包括选址处的土壤电阻率，周围已有建筑等)对变配电所防雷的影响。故变电所配电的防雷是一个综合的系统工程。变电所配电防雷设计中主要考虑的内容，可以看出变配电所的雷害防护不仅牵扯到了变配电所内的一次、二次设备，也贯穿到了变电所的初期设计，选址，施工，运行等各个时期，而且还分布在变电所建筑的内外，以及变电所的外部(进线段)，由此可见，变电所配电防雷作为一项系统工程的复杂程度。特别是在无人值守变电所开始方式运行的情况下，变电所的正常运行基本依赖自动控制设备，在设计过程中要遵循“整体防御、综合治理、多重保护”的方针，全盘考虑，使变电所的配电防雷设施能够满足实际要求，从而保证变电所内配电设备免遭雷电袭击。