高鐵雷電防護(hù)措施探討

文 / 王漪波

高鐵站場(chǎng)雷電防護(hù)分析

概念

防雷技術(shù)是指高鐵正常運(yùn)行的常見雷擊事故，因供電系統(tǒng)遭受雷擊造成間接經(jīng)濟(jì)損失，從而在高鐵牽引供電系統(tǒng)中需要加強(qiáng)防雷體系。在高鐵牽引供電系統(tǒng)中，主要有三方面構(gòu)成，包括變電設(shè)備、接觸網(wǎng)設(shè)備及運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備，構(gòu)成中變電設(shè)備的主要組成部分又包括變電所、開閉所及區(qū)分所。高鐵的牽引供電系統(tǒng)的主要作用就是為了給列出提供電能，保證列車在行駛的過程中不出現(xiàn)斷電情況，保證列車行駛的速度及對(duì)重量的要求。目前，我國(guó)的高鐵牽引供電系統(tǒng)在防雷方面的技術(shù)已經(jīng)取得了一定的成果，但是在安裝避雷裝置方面還存在缺陷，只在關(guān)鍵部位進(jìn)行了避雷裝置的安裝，如隧道兩端或者變壓所入口處，而高鐵在建設(shè)時(shí)一般都會(huì)依靠高架等方式來進(jìn)行跨越河流，在高架施工時(shí)接觸網(wǎng)的支柱又是依靠橋墩的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，也就是說，在當(dāng)前情況下，接地的電阻存在一定的不合格現(xiàn)象，從而導(dǎo)致絕緣體閃爍。由此可以看出，避雷裝置也應(yīng)當(dāng)安置于高架橋兩端。

重要性

高鐵牽引供電系統(tǒng)在高鐵運(yùn)輸中占據(jù)著尤為重要的地位，一旦供電系統(tǒng)出現(xiàn)問題或者遭受雷劈，輕則會(huì)導(dǎo)致斷電，情況嚴(yán)重則會(huì)導(dǎo)致列車發(fā)生事故。所以在牽引供電系統(tǒng)中建設(shè)防雷體系是尤為重要的。

雷電干擾

直擊雷

牽引變電所通常建在周邊無其他較高建筑物及其他較高物體的地方，地勢(shì)比較平坦，因此所內(nèi)避雷針是主要的落雷點(diǎn)，遭受直擊雷的概率很高。直擊雷電流在通過避雷針、塔體入地時(shí)如果接地網(wǎng)的接地電阻偏大或接地網(wǎng)的均壓效果不好時(shí)，在雷電流的入地路徑上通過阻性耦合將形成瞬態(tài)高電位，必將會(huì)對(duì)與其有直接聯(lián)系各個(gè)設(shè)備產(chǎn)生高電位反擊，很容易造成電子設(shè)備的損壞。

線路來波

牽引變電所稍遠(yuǎn)處其他與變電所有關(guān)聯(lián)的設(shè)備，如接觸網(wǎng)設(shè)備、10KV設(shè)備落雷后，雷電流會(huì)沿著各自路線，如27.5kV饋電線路、10kV所用變線路等侵入到牽引變電所二次系統(tǒng)。

軌道衡雷擊途徑

軌道衡設(shè)備分為室外設(shè)備和室內(nèi)設(shè)備：室外設(shè)備主要包括機(jī)械秤臺(tái)、傳感器、車號(hào)識(shí)別天線等；室內(nèi)設(shè)備主要包括稱重儀表、工控機(jī)和隔離變壓器等。每當(dāng)雨季來臨，軌道衡設(shè)備都會(huì)不同程度遭受雷電侵害，尤其是山區(qū)和低洼地。

根據(jù)以往雷害設(shè)備損壞統(tǒng)計(jì)，傳感器、稱重儀表、工控機(jī)損壞頻率最高。根據(jù)雷擊故障統(tǒng)計(jì)分析，軌道衡室內(nèi)外設(shè)備遭受雷擊主要有4種途徑，即電源側(cè)雷擊、傳感器側(cè)雷擊、視頻監(jiān)控端雷擊、設(shè)備網(wǎng)絡(luò)側(cè)雷擊。其中，電源側(cè)雷擊占比39%；傳感器側(cè)雷擊占比35%；視頻監(jiān)控端雷擊占比15%；設(shè)備網(wǎng)絡(luò)側(cè)雷擊占比 8%；其他占比3%。4種雷擊途徑對(duì)應(yīng)軌道衡系統(tǒng)與外部環(huán)境的4條主要聯(lián)通途徑，占雷擊總數(shù)97%。

高鐵雷電防護(hù)措施

保護(hù)絕緣子永久性破壞的方法

在高鐵運(yùn)輸中一旦發(fā)生雷擊事件，就會(huì)導(dǎo)致絕緣子出現(xiàn)永久性毀損，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是由于絕緣子在受到雷擊時(shí)會(huì)不斷出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象，絕緣子中的工頻會(huì)逐一被燒毀，最終導(dǎo)致絕緣子徹底被燒毀。所以，在高鐵牽引供電系統(tǒng)中如何解決絕緣子永久性燒毀的問題就顯得尤為重要。

一般來說，在牽引供電系統(tǒng)中對(duì)于絕緣子的保護(hù)經(jīng)常采用的方法就是在水平絕緣子和懸式絕緣子的兩端設(shè)置保護(hù)間隔，一旦絕緣子遭受雷擊而出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象，系統(tǒng)將自動(dòng)對(duì)工頻電弧進(jìn)行有效的疏導(dǎo)，從而使得絕緣子受到一定的保護(hù)。但是這種保護(hù)方式存在弊端，也就是在發(fā)生雷擊事故時(shí)會(huì)發(fā)生跳閘現(xiàn)象，一旦跳閘就會(huì)引起整個(gè)供電系統(tǒng)失效，從而導(dǎo)致列車出現(xiàn)不安全的問題。

提高變電所的防雷效果

在牽引供電系統(tǒng)中，對(duì)于變電所的防護(hù)要采取獨(dú)立的防雷設(shè)施，通過避雷針等避雷措施將直擊雷引入到大地。避雷針能夠有效地對(duì)范圍內(nèi)的所有設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，在將直擊雷引入地下前要保證在接地方面有著良好的接地性，并與地網(wǎng)保持一定的距離，避免出現(xiàn)反擊事件。在變電所進(jìn)電的位置也可以設(shè)置一些較小的避雷線，以保證在遭受直擊雷的情況下，能夠通過避雷針來阻止雷電波進(jìn)入，避免變壓器遭受損害。在饋線出線的一端要設(shè)置符合規(guī)定的抗雷線圈，利用抗雷線圈與避雷器相互配合，以此來對(duì)雷電波的入侵進(jìn)行有效的抵制。

在變電所附近還可以設(shè)置避雷器，將其設(shè)置在靠近變電所的位置，防止遠(yuǎn)距離的雷電電波順著線道來產(chǎn)生入侵，以便起到對(duì)變電所的保護(hù)。此外，雷電波可能通過變壓器將電壓傳送到低壓繞組，從而導(dǎo)致變壓器出現(xiàn)毀損，因此，需在低壓繞組附近設(shè)置避雷器，保護(hù)變壓所受到電壓過高的損害。

加強(qiáng)雷電預(yù)警監(jiān)控

高鐵運(yùn)輸單位應(yīng)該與氣象部門加強(qiáng)聯(lián)系，借鑒雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，在對(duì)高鐵周圍雷電互動(dòng)密切監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出更適合于監(jiān)測(cè)高鐵走廊的雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并不斷進(jìn)行了優(yōu)化。這對(duì)于高鐵運(yùn)輸?shù)钠椒€(wěn)運(yùn)行具有重要意義。

牽引變電所綜合防雷屏的防雷設(shè)置

裝置柜體配置

（1）每所配置獨(dú)立防雷屏一臺(tái)，用于各所二次系統(tǒng)防雷電電磁脈沖及過電壓的防護(hù)。

（2）二次防雷屏采用集中式安裝SPD的方式裝配成獨(dú)立的屏柜，與控制室屏柜組 屏安裝，整體安裝時(shí)占用一個(gè)屏位。

（3）防雷柜分為前、后SPD布置區(qū)，側(cè)面端子排、等電位匯集線布置區(qū)，底部反擊抑制裝置區(qū)，頂部滅火、照明、開關(guān)電源區(qū) ，正面襯板設(shè)檢測(cè)單元、柜門設(shè)人機(jī)交互屏。弱電信號(hào)保護(hù)和電源類保護(hù)分區(qū)，區(qū)域之間用隔板隔離。

（4）二次防雷屏接線應(yīng)分為箱內(nèi)元器件布置接線和箱外端子排接線。屏內(nèi)各個(gè)端子排的布局應(yīng)考慮運(yùn)檢修的工作量，需采用避免松動(dòng)、免維護(hù)的端子，端子必須使用阻燃材料，且應(yīng)有明顯的標(biāo)識(shí)。各類防雷模塊數(shù)量可按需求匹配，防雷模塊可在線插拔操作，方便后期維護(hù)及更換。

（5）防雷屏內(nèi)設(shè)線纜屏蔽層接地區(qū)，安裝電纜屏蔽層環(huán)流接地保護(hù)器，防止電纜屏蔽層絕緣擊穿，對(duì)于外部光纖加強(qiáng)筋或鎧裝進(jìn)行統(tǒng)一接地，防止電涌沿屏蔽層及加強(qiáng)筋侵入。

（6）屏體所采用的鋼板和骨架鋼性要符合規(guī)定，必須具備一定耐熱能力，其厚度不得小于2.5mm，整體的面板及屏架應(yīng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。

（7）防雷屏底部裝設(shè)接地排并與柜體相連，其分離或活動(dòng)金屬構(gòu)件與屏體之間應(yīng)用符合規(guī)定線徑的接地線可靠連接。

接線要求

（1）綜合防雷屏所有接線均采用凱文接線方式。

（2）被保護(hù)設(shè)備電源線路的前端均需安裝浪涌保護(hù)器（SPD），根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況應(yīng)應(yīng)分級(jí)、分別安裝，浪涌保護(hù)器 的接線端與被保護(hù)設(shè)備電源線路的相線相連。浪涌保護(hù)器的接地端與保護(hù)接地排相連，接地排應(yīng)與所內(nèi)大地網(wǎng)相連。為防止雷電流泄放引起感抗的變化而導(dǎo)致設(shè)備故障 ，因此浪涌保護(hù)器的連接導(dǎo)線應(yīng)盡量短和直，其長(zhǎng)度不大于0.5m，并固定牢靠。

（3）帶有接線端子的浪涌保護(hù)器應(yīng)采用壓接的方式進(jìn)行連接；帶有接線柱的浪涌保護(hù) 器其連接線需采用壓線鼻與接線柱相連。

（4）所有電源SPD都應(yīng)內(nèi)置短路保護(hù)裝置。

（5）第一級(jí)防護(hù)用浪涌保護(hù)器安裝連接進(jìn)線截面積為16mm，接地線為25mm；第二級(jí)防護(hù)用浪涌保護(hù)器安裝連接進(jìn)線截面積為10mm，接地線為16mm。

（6）工頻耐壓值。防雷設(shè)備接線端子與殼體之間絕緣：3kV/min。

（7）沖擊耐壓 值防雷設(shè)備接線端子與殼體之間絕緣：6kV，1.2/50μs，正負(fù)各5次。

（8）所有電纜鋼帶進(jìn)入綜合防雷屏必須可靠接地，接地線截面積不小于2.5mm，綜合防雷屏接地線截面積不小于25mm。

3.防雷屏要具備的主要功能

防雷設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)：對(duì)防雷系統(tǒng)中所使用的防雷設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并提供防雷設(shè)備的壽命狀態(tài)，在防雷設(shè)備接近損壞時(shí)，給出更換防雷設(shè)備的預(yù)警信息。雷電信息監(jiān)測(cè)：記錄雷擊發(fā)生的時(shí)間、幅值、波形等信息。環(huán)境信息：監(jiān)測(cè)機(jī)房、接線箱等的環(huán)境參數(shù)，比如供電質(zhì)量、環(huán)境溫濕度等，可實(shí)時(shí)了解系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境是否滿足要求?，F(xiàn)場(chǎng)查詢與遠(yuǎn)程終端查詢：設(shè)置智能屏用來顯示監(jiān)測(cè)、報(bào)警、上傳等所有信息方便維護(hù)人員查看。現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)信息可以上傳到牽引變電所現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控終端工控機(jī)上，也可以通過現(xiàn)有傳輸網(wǎng)絡(luò)，在監(jiān)測(cè)中心設(shè)置后臺(tái)終端，進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。預(yù)留外部新增模塊端口：預(yù)留AI/DI端口，可外接其它監(jiān)測(cè)模塊，擴(kuò)展系統(tǒng)監(jiān)測(cè)功能。

結(jié)語

我國(guó)高鐵建設(shè)的快速發(fā)展，給高鐵運(yùn)輸提供了更加便利的渠道。但作為電能的機(jī)車來說，電源的可靠是尤為關(guān)鍵的，在我國(guó)高鐵發(fā)展的建設(shè)過程中，雷電一直都是需要關(guān)注的重點(diǎn)。因此，對(duì)于高鐵道路牽引供電系統(tǒng)的防雷技術(shù)的研究力度及強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)不斷地提升。