多雷區(qū)牽引變電所防雷設(shè)計探討

程 軍

0 引言

隨著國內(nèi)鐵路的快速發(fā)展，在南方亞熱帶雷電活動頻繁地區(qū)，電氣化鐵路及其牽引變電所遭受雷擊的事故時有發(fā)生，甬溫客專動車追尾、合武客專某牽引變電所主控室設(shè)備燒毀、廣深線開通初期多次停電均與雷擊災(zāi)害有關(guān)，因此，有必要對處于多雷區(qū)的牽引變電所防雷設(shè)計進行探討。

據(jù)氣象部門統(tǒng)計資料，湘桂鐵路柳州至南寧段（以下簡稱“湘桂線”）沿線主要城市柳州及南寧均處于年雷暴日60 d 以上的多雷區(qū)，因此，本文針對該線牽引變電所防雷設(shè)計方案進行重點探討。

1 直擊雷防護

雷電起源于雷云的形成，具有時間短、電流變化梯度大、沖擊電壓高等特點，直擊雷模擬波形如圖1 所示。根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》，年預(yù)計雷擊次數(shù)按式（1）計算，經(jīng)計算湘桂線牽引變電所年預(yù)計雷擊次數(shù)約達12 次。

式中，N 為年預(yù)計雷擊次數(shù)；k 為校正系數(shù)，曠野孤立建筑物取2；Td為年平均雷暴日數(shù)；Ae為接收雷擊次數(shù)的等效面積。

直擊雷的特點決定了任何電壓等級的系統(tǒng)絕緣都將難以耐受，通過對多雷區(qū)年預(yù)計雷擊次數(shù)計算可知，牽引變電所內(nèi)必須采取直擊雷防護措施。

圖1 直擊雷模擬波形圖

直擊雷防護一般可采取設(shè)置避雷線、避雷帶（網(wǎng)）、避雷針等措施。避雷線主要用于110 kV 及以上電力線路直擊雷防護，當(dāng)然，也有少數(shù)國外牽引變電所采取在所內(nèi)架構(gòu)頂端設(shè)避雷線的方案。避雷帶（網(wǎng)）主要用于建筑房屋頂部雷擊率較高的部位進行重點保護。避雷針是人為設(shè)立突出的引導(dǎo)雷電流泄放的優(yōu)良導(dǎo)體，最適合于電氣設(shè)備較為集中的區(qū)域內(nèi)直擊雷防護。

經(jīng)上述比較分析，該線牽引變電所的直擊雷防護方案：在每座牽引變電所的圍墻四角均設(shè)置獨立避雷針、每回110 kV 進線均設(shè)置架空避雷線并引入所內(nèi)進線架構(gòu)；另外，本線分區(qū)所、開閉所雖然采用全箱式戶外布置方案，因該線處于多雷區(qū)，所內(nèi)也設(shè)置1 座獨立避雷針。經(jīng)計算，牽引變電所內(nèi)4 座25 m 高度的避雷針保護范圍如圖2 所示，能對所內(nèi)所有電氣設(shè)備、架構(gòu)及房屋等設(shè)施的直擊雷防護起到有效作用。

圖2 避雷針保護范圍示意圖

2 感應(yīng)雷防護

伴隨雷擊發(fā)生過程，除直擊雷帶來的危害外，由感應(yīng)雷所引發(fā)的強烈過電壓會給臨近的電氣及電子設(shè)備造成極大危害。感應(yīng)雷模擬波形如圖3 所示。感應(yīng)雷過電壓包括雷電擊中所外電力線路形成的侵入波過電壓、云地間靜電感應(yīng)過電壓、雷電流回?fù)敉ǖ垒椛潆姶挪ǜ袘?yīng)過電壓。

圖3 感應(yīng)雷模擬波形圖

2.1 一次設(shè)備感應(yīng)雷防護

（1）設(shè)置避雷器。裝設(shè)避雷器是限制系統(tǒng)可能出現(xiàn)感應(yīng)雷過電壓的最主要防護措施。牽引變電所內(nèi)避雷器設(shè)置方案如圖4 所示。

設(shè)置避雷器時應(yīng)注意其安裝位置及相關(guān)參數(shù)的選擇。避雷器應(yīng)安裝在主變高壓側(cè)（進線隔離開關(guān)外側(cè)）、低壓側(cè)及饋線側(cè)。所內(nèi)110 kV 及27.5 kV避雷器保護的最大電氣距離根據(jù)《高電壓技術(shù)》要求，應(yīng)按式（2）計算；其標(biāo)稱放電電流（8/20 μs）應(yīng)分別不低于10 kA 和5 kA；其殘壓選擇應(yīng)與各電壓等級設(shè)備絕緣水平相配合。式中，Lmax為避雷器保護的最大電氣距離；Up為設(shè)備額定雷電沖擊耐壓，kV；Ures為避雷器殘壓；a為變電所計算用雷電進波陡度，kV/m。

圖4 變電所內(nèi)避雷器及抗雷圈設(shè)置方案示意圖

（2）設(shè)置抗雷圈。結(jié)合《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》要求，為進一步削減多雷區(qū)雷電侵入波過電壓，在每回27.5 kV 饋出線首端增設(shè)抗雷圈，連接位置見圖4?？估兹Φ淖饔檬窃诟哳l雷電波侵入瞬間呈現(xiàn)極高阻抗，使侵入波發(fā)生全反射后幅值雙倍疊加返回，導(dǎo)致前端饋線避雷器加速放電，最終達到降低雷電侵入波陡度及過電壓幅值目的。

2.2 二次設(shè)備感應(yīng)雷防護

室內(nèi)交、直流電源系統(tǒng)及綜自、通信等弱電設(shè)備的雷電過電壓主要通過電力配電線路、通信及控制回路、接地回路、直擊雷電磁場輻射等方式傳輸。

（1）交、直流電源系統(tǒng)防雷保護。根據(jù)GB50057《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》，牽引變電所交、直流電源系統(tǒng)可劃分為不同的雷電防護區(qū)（LPZ0~3），結(jié)合被保護對象的絕緣耐壓水平，可選擇相應(yīng)等級電源電涌保護器（SPD）進行防護，其基本配合原則如圖5。

圖5 SPD 配合原則示意圖

SPD 的工作原理：當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)瞬時過電壓時，SPD 通過其內(nèi)部器件（壓敏電阻、二極管或放電間隙等）以ns 級速度泄放電流，使其呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，以將過電壓幅值限制到合理水平。所內(nèi)交、直流電源系統(tǒng)SPD 分級配置如下：

a.第一級防護。交流盤兩路進線均配置SPD（B+C 級），它綜合了第一級和第二級電源電涌保護器的優(yōu)點，具有吸收能量大、響應(yīng)速度快、殘壓低的特點，要求雷電通流量不低于60 kA（8/20 μs），可防范10/350 μs 雷電沖擊電流。

b.第二級防護。交流盤輸出回路中直流裝置充電回路、濾油機供電回路、動照回路、室外設(shè)備加熱回路等出口處均設(shè)置C 級SPD，其雷電通流量不低于40 kA。

c.第三級防護。室外操動機構(gòu)箱內(nèi)二次回路交、直流電源入口處，動照配電箱室外照明饋線出口處均設(shè)置C 級SPD，雷電通流量不小于20 kA；直流盤兩路進線、室外電機饋出回路均配置直流電源SPD，雷電通流量不低于10 kA。

（2）綜自及通信等弱電設(shè)備防雷保護。所內(nèi)綜自及通信等弱電設(shè)備工作電壓（電平）較電源電涌保護器低得多，有些甚至在1 V 以下，故應(yīng)在設(shè)備內(nèi)部設(shè)專用SPD。選擇該SPD 時，應(yīng)對最大持續(xù)工作電壓、電壓保護水平、頻率匹配、接口類型進行選擇，無需分級防護（通流量滿足不低于5 kA要求），安裝位置應(yīng)盡量靠近設(shè)備前端。

3 防雷接地的要求

接地是防雷設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，無論是直擊雷還是感應(yīng)雷防護均需經(jīng)可靠的接地系統(tǒng)引入大地。多雷區(qū)牽引變電所防雷接地設(shè)計應(yīng)做到以下幾點：

（1）設(shè)置水平接地體為主、垂直接地體相結(jié)合的，網(wǎng)格形銅材質(zhì)主接地網(wǎng)。在避雷針、避雷線、避雷器、抗雷圈的接地位置要增加垂直接地極以改善沖擊電位分布，防止局部電位升高。避雷針及主接地網(wǎng)接地電阻不宜大于10 Ω和0.5 Ω，當(dāng)降低接地電阻特別困難時，在校核接觸電壓及跨步電壓滿足要求前提下，可適當(dāng)提高接地電阻。

（2）為避免直擊雷沿接地體引起的過電壓對被保護設(shè)備造成反擊，獨立避雷針與被保護設(shè)備應(yīng)滿足規(guī)范要求的空氣距離不小于5 m、其接地裝置與主接地網(wǎng)的地中距離不小于3 m。

（3）變電所應(yīng)使用屏蔽電纜，二次電纜屏蔽層雙端接地。電纜溝內(nèi)應(yīng)設(shè)置接地帶，并在電纜溝附近平行敷設(shè)水平接地體，以防止地電位不均對溝內(nèi)二次電纜回路的干擾。

（4）等電位連接?？刂剖冶P柜內(nèi)二次設(shè)備、SPD、盤柜外殼、底部槽鋼、配電箱PE 線及其他需要接地的設(shè)施均與主控室內(nèi)墻上接地干線等電位連接。高壓設(shè)備及金屬網(wǎng)柵等需要接地的設(shè)施均與高壓室內(nèi)墻上接地干線等電位連接。主控室及高壓室內(nèi)接地干線分別通過兩處接地體引至室外與主接地網(wǎng)等電位連接。

4 結(jié)語

綜上所述，多雷區(qū)牽引變電所防雷設(shè)計需注意以下幾點：

（1）注意直擊雷與感應(yīng)雷防護相結(jié)合、一次設(shè)備與二次設(shè)備防護相結(jié)合、接地與防雷相結(jié)合。

（2）特別關(guān)注交、直流電源及綜合自動化系統(tǒng)等二次設(shè)備感應(yīng)雷防護，可采取分級配合的原則，注意各級SPD 電壓保護水平、通流容量等參數(shù)的選擇及配合。

（3）注意考慮設(shè)計細節(jié)，如避雷針接地電阻及安全距離、二次電纜屏蔽層接地、室內(nèi)設(shè)備等電位連接等要求。

[1] TB/T10009-2005 鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范[S].中華人民共和國鐵道部，2005.

[2] GB50057-2010 建筑物防雷設(shè)計規(guī)范[S].中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2010.

[3] GB50343-2012 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S].中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2012.

[4] 趙智大.高電壓技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，1999.

[5] 任元會.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊[M].北京：中國電力出版社，2005.

[6] 溫建民.牽引供電系統(tǒng)二次設(shè)備防雷保護研究[J].電氣化鐵道，2012，（5）：1-3.

[7] 田楊萌.雷電電磁脈沖的產(chǎn)生機理、危害及其防護[J].物理與工程，2006，16，（5）.