鐵路變配電所的雷擊危害及防雷技術(shù)分析

摘 要：鐵路變配電所的防雷是一個綜合的系統(tǒng)工程，文章通過對鐵路變配電所可能遭受的雷電危害的分析以及相應(yīng)的雷害防護措施進行分析研究，以期達到減輕雷擊對鐵路變配電所危害的目的。

關(guān)鍵詞：鐵路變配電所；雷害；防雷技術(shù)

鐵路變配電所作為鐵路電力供應(yīng)的樞紐集中了多種高壓電氣設(shè)備，如果鐵路變配電所一旦供電中斷，這將極大地影響鐵路的正常運營。而雷擊事故對鐵路變配電所影響最大，雷擊不但對電氣設(shè)備造成損害，而且會因此導(dǎo)致鐵路供電中斷，影響鐵路運輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性。因此，為了確保鐵路的安全運輸、正常運營，必須不斷提高鐵路變配電所防雷技術(shù)水平。

1 變配電所的雷電防護

雷電是由雷云（帶電的云層）對地面建筑物及大地自然放電引起的一種放電現(xiàn)象，雷電會對建筑物或其他設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞。通常情況下，從雷害發(fā)生的途徑上來講，鐵路變配電所的雷害主要分為三種：直擊雷、雷電過電壓波沿輸電線路侵入和雷擊在所內(nèi)設(shè)備上感應(yīng)產(chǎn)生的過電壓。

1.1 直擊雷防護

1.1.1 防護措施

如果雷電直接擊中變配電所的電力設(shè)備，在強大的雷電流作用下，會在該電力設(shè)備上產(chǎn)生較高的直擊雷過電壓，在此過程中會產(chǎn)生強大的熱能以及強大的電動力，強大的熱能會使金屬熔化，燒斷輸電導(dǎo)線，摧毀用電設(shè)備，甚至引起火災(zāi)或爆炸；強大的電動力會擊毀桿塔，破壞建筑物，此外還伴隨有電磁效應(yīng)以及對附近物體的閃絡(luò)放電，引起絕緣子燒壞，斷路器跳閘等問題，導(dǎo)致供電線路大面積停電等，所以必須加以防護。

避雷針的作用：（1）當(dāng)云塊接近避雷針時，避雷針可以將因靜電感應(yīng)所帶的電放入空氣中與云中的電進行中和，變劇烈的放電為緩和的多次放電，減少雷擊；（2）把雷電吸引到避雷針身上，使雷電流從避雷針導(dǎo)線中流入大地，避免損壞設(shè)備或建筑物。需要注意的是，要設(shè)法降低接地地阻以及保持避雷針與電氣設(shè)備間要有足夠的安全距離來防止反擊事故。避雷針有獨立式和構(gòu)架式兩種避雷針，獨立避雷針主要使用在土壤電阻率大于1000？贅/m的區(qū)域或設(shè)備絕緣水平不高（如110kV以下的配電設(shè)備）的情況，因為獨立式避雷針距離電氣設(shè)備的距離比構(gòu)架式避雷針遠，不易發(fā)生電氣設(shè)備的反擊事故。

架設(shè)避雷線也是一種很有效的防雷裝置。但是由于造價比較高，所以只有在60KV及以上的電力線路上才采用全線裝設(shè)避雷線，而在35KV及以下的電力線路上一般只在進出變電所的一段線路（1～2Km段內(nèi)）裝設(shè)避雷線作為保護，避免該段線路遭受直接雷擊。當(dāng)前避雷線主要有兩種布置形式：一種是避雷線的一端經(jīng)配電裝置構(gòu)架接地，另一端經(jīng)絕緣子串與建筑物絕緣；第二種是避雷線兩端都接地形成一個架空地網(wǎng)。

裝設(shè)避雷針、避雷線都需要計算過電壓，我國標(biāo)準(zhǔn)推薦使用以下的公式校驗獨立避雷針、避雷線與被保護設(shè)備之間的空氣距離Sa和地中距離Se：

Sa≥0.2Ri+0.1h Se≥0.3Ri （1）

（此式適用于避雷針；Ri為接地裝置沖擊電阻，h為避雷針的高度）

Sa≥0.2Ri+0.1（h+？駐l） Se≥0.3Ri （2）

Sa≥？茁'[0.2Ri+0.1（h+？駐l）] Se≥0.3？茁'Ri （3）

注：公式（2）、公式（3）適用于上述兩種避雷線的布置形式，？茁'≈（l-？駐l+h）/（l+2h）；？駐l為雷擊點至構(gòu)架的距離。

對于非獨立的比較復(fù)雜的避雷網(wǎng)絡(luò)，則還需要計算各點的過電壓并加以逐一校驗。

1.1.2 變配電所接地網(wǎng)的作用與設(shè)計

變配電所接地網(wǎng)的主要作用是降低接地電阻，加強泄放雷擊變配電所建筑物時產(chǎn)生的雷電流，為電氣設(shè)備發(fā)生故障時產(chǎn)生的短路電流提供流散通道，改善變配電所地表電位的分布，為變配電所的電力設(shè)備提供良好的等電位系統(tǒng)，保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行，以便能有效地保證設(shè)備和出運行人員的安全。

變配電所接地網(wǎng)的設(shè)計是否全面、合理關(guān)系到接地網(wǎng)是否能穩(wěn)定安全的運行，設(shè)計參數(shù)決定了變配電所接地網(wǎng)的基本情況。因此在變配電所的地網(wǎng)設(shè)計中在變配電所接地網(wǎng)的設(shè)計中主要采用經(jīng)驗公式估算與數(shù)值計算相結(jié)合的方式來計算接地參數(shù)。同時變配電所地網(wǎng)的設(shè)計還可以因地制宜，根據(jù)變配電所所處位置的實際情況來進行綜合設(shè)計，比如：如果變配電所附近有大型公共設(shè)施，可以與公共設(shè)施的地下鋼結(jié)構(gòu)相連接以便擴大接地網(wǎng)的接地面積，以此來減小接地電阻；如果變配電所所處位置的土壤電阻率比較大的話，還可以通過加垂直地極的方法以此來減小接地網(wǎng)的接地電阻。

1.2 侵入波過電壓防護

由于鐵路變配電所大多裝設(shè)了避雷針、避雷線和接地裝置，所以遭受直擊雷的概率很小，因此雷電侵入波是變配電所的主要雷害。

1.2.1 防護措施

裝設(shè)避雷器的主要作用是限制侵入波過電壓的波幅，目前是防護變配電所雷電侵入波過電壓的常用措施，避雷器的裝設(shè)位置和防護距離在防雷標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)給出，而對于變配電所的防護接線，不管其電氣主接線如何，要使整個主接線得到保護則需要保證每段可單獨運行的母線上都裝設(shè)一組避雷器。據(jù)統(tǒng)計，變配電所雷電侵入波過電壓事故中由雷擊變配電所1km以內(nèi)線路引起的約有50%，由雷擊3km以內(nèi)線路引起的約有71%。這說明變配電所需要將保護范圍延伸至1～2km的輸電線路上，同時對變配電所外進線段線路加強防護，減小侵入波過電壓。

影響雷電侵入波過電壓高低的因素有：避雷器的保護特性、侵入波的陡度、與避雷器的距離、被保護設(shè)備的入口電壓。避雷器的保護特性越高、侵入波越平緩，與避雷器的電氣距離越短，入口電容越小，被保護設(shè)備上的侵入波過電壓則越小。從它們之間的關(guān)系可以看出要降低被保護設(shè)備上的過電壓就需要提高避雷器的保護特性。事實上，對變配電所被保護設(shè)備和侵入波過電壓的影響因素之間關(guān)系的研究大多通過磁暫態(tài)計算程序EMTP進行仿真計算實現(xiàn)的。

1.2.2 GIS變配電所的侵入波防護

與常規(guī)變配電所相比，氣體絕緣變配電所（Gas Insulated Substation簡稱：GIS）具有占地面積小，與周圍環(huán)境隔絕、運行可靠、維護方便等優(yōu)點而得到了廣泛的應(yīng)用。除了與常規(guī)變配電所的防雷保護具有共同的特點外，氣體絕緣變配電所的過電壓防護還具有以下特點：

（1）雷電沖擊水平是決定GIS絕緣水平的重要因素。因此變配電所裝設(shè)的避雷器伏秒特性、放電穩(wěn)定性等這些技術(shù)指標(biāo)一定要達到要求，通常變配電所架設(shè)的是保護性能比較優(yōu)異的金屬氧化物避雷器，比如氧化鋅避雷器。（2）GIS的同軸母線的波阻抗（一般為60～100？贅）遠低于架空線路的波阻抗（一般為370-410？贅）。從架空線侵入的過電壓波經(jīng)過折射，其陡度和幅值都小于入口處的侵入波，這樣有利于GIS內(nèi)部設(shè)備的防護。（3）GIS的結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)備之間的電氣距離小，避雷器與被保護設(shè)備之間的距離近，更有利于保護設(shè)備。（4）GIS內(nèi)的絕緣一旦發(fā)生電暈將無法恢復(fù)原有的電氣強度，甚至導(dǎo)致整個GIS系統(tǒng)的損壞，因此要求GIS內(nèi)的絕緣裕度要足夠大，過電壓防護措施要更為可靠。

根據(jù)GIS以上的特點可以看出對于GIS的雷電過電壓的防護避雷器的設(shè)置能起到關(guān)鍵的作用，一般來說，是通過在GIS入端和出端，或者在GIS內(nèi)部裝設(shè)避雷器來實現(xiàn)對GIS雷電過電壓進行防護的。而避雷器的裝設(shè)位置以及裝設(shè)在不同位置的避雷器參數(shù)等，則需要根據(jù)GIS的實際情況進行仿真計算以便找到適合該站的最佳方案。

1.3 雷電二次效應(yīng)防護

1.3.1 設(shè)計思路

對于鐵路變配電所而言，除了直擊雷、雷電侵入波過電壓造成的雷害外，還有雷電在放電過程中由于地電流瞬態(tài)感應(yīng)、大氣靜電瞬態(tài)感應(yīng)、電磁脈沖輻射、束縛電荷的二次弧閃等原因而產(chǎn)生的二次效應(yīng)。雷電二次效應(yīng)雖然不會在短時間內(nèi)釋放巨大的能量，但是出現(xiàn)的概率比較高、防護相對困難，危害也比較大。為了防止雷電二次效應(yīng)對電子設(shè)備造成的損壞，國際電工委員會IEC標(biāo)準(zhǔn)（《雷電電磁脈沖的防護》IEC 61312）和我國GB標(biāo)準(zhǔn)（《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB 50057-1994）中指出現(xiàn)代意義的防雷工作應(yīng)該以建筑物為保護重點，發(fā)展到以電子信息系統(tǒng)為保護核心；強調(diào)綜合治理、整體防御、分級泄流、層層防設(shè)的思路，將防雷看成是一個系統(tǒng)工程。

1.3.2 防護方式

在實際工作中，鐵路變配電所二次系統(tǒng)主要采用以下防雷設(shè)計進行防護：

將變配電所的雷電保護區(qū)進行分級保護。變配電所外部是暴露區(qū)，暴露區(qū)是直接雷擊區(qū)域，危險性最高，定為0區(qū)（LPZ0），變配電所內(nèi)部所處的位置為非暴露區(qū)，可以定為1區(qū)（LPZ1）、2區(qū)（LPZ2）等，越往里則危險程度越低。在0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)等各保護區(qū)間的鋼筋混凝土、金屬外殼形成等電位屏蔽層，當(dāng)電氣通道或金屬管道穿過這些屏蔽層時，各級雷電保護區(qū)的金屬構(gòu)件必須與之相連接，從而將過電壓降到設(shè)備能承受的水平。此外，進入變配電所內(nèi)的各種電源進線、通信信號線以及天線饋線等應(yīng)該在各雷電保護區(qū)交界處及其終端設(shè)備的前端加裝不同類型的浪涌過壓保護器（Surge Protection Device，SPD）。比如在高壓變壓器后端到二次低壓設(shè)備的總配電盤間的電纜內(nèi)芯線兩端對地處加裝保護器作一級防護，在二次低壓設(shè)備的總配電盤到二次低壓設(shè)備的配電箱間電纜內(nèi)芯線兩端對地處加保護器作二級防護，在變配電所所有精密重要設(shè)備和UPS的前端對地處加保護器作三級防護。加裝浪涌過壓保護器進行分級保護的主要目的是通過分流（限幅）技術(shù)將雷電過電壓（脈沖）能量分流泄入大地，達到變配電所防護雷電二次效應(yīng)的目的。此外，還可以采用加裝屏蔽等方式對一些精密電子儀器進行特殊防護，以此來提高精密電子儀器抗擊雷電的干擾能力。

2 結(jié)束語

鐵路變配電所的雷電防護工作是一項系統(tǒng)工程，雷電的危害形式多樣，并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，還可能出現(xiàn)新的雷害形式，這就需要我們在變配電所的防雷工程設(shè)計中充分了解雷電的活動規(guī)律，遵循“整體防御、綜合治理、多重保護”的方針，從變配電所的初期設(shè)計、選址、施工、運行等各個階段進行全面綜合考慮防雷措施，以此來減少雷擊對鐵路變配電所造成的危害，使系統(tǒng)能安全穩(wěn)定的運行。

參考文獻

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[3]陳賢彬，明哲.變配電所二次系統(tǒng)防雷保護初探[J].廣東電力，2004，17（5）：15-18.

作者簡介：甘超（1990-），男，上海人，中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院有限公司，工學(xué)碩士，研究方向：輸變電。