牽引變電站二次防雷設備現場測試方案的探討

曹肇非

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

隨著鐵路電力系統電氣化、自動化、信息化的高速發展，高集成度和微電子化的設備被廣泛使用，由于微電子設備耐過電壓和過電流的能力很低，導致系統遭受外界干擾或沖擊時變得脆弱，鐵路牽引變電站也不例外。雷電流可能通過各種導體(包括鐵軌、導線、電纜等)侵入變電站，使鐵路系統設備損壞或失效，影響列車運行的正常秩序，帶來較大的直接和間接經濟損失。為保證鐵路系統的供電安全，牽引變電站的二次防雷起著非常重要的作用。而二次防雷的關鍵設備防雷保安器的持續、可靠運行則是防雷成敗的重中之重。

1 雷電感應及其危害

雷電會導致鐵路系統多種不同形式的危害，其主要的雷電形式及雷害情況大致有以下幾種。

(1)直擊雷:是指雷電直接擊在建筑物構架、動植物上，因電效應、熱效應和機械效應等造成建筑物等損壞以及人員的傷亡。

(2)感應雷:是指雷電在雷云之間或雷云對地放電時，強大電磁場在附近鐵路弱電系統導線或系統設備內產生的電磁感應脈沖，并侵入設備，使串聯在線路中間或終端的電子設備遭到損害。雷電感應發生概率較大，一般雷電直擊點周圍半徑1 km左右都會產生雷電電磁脈沖。雷電感應是鐵路弱電設備防護的重點。

(3)雷電浪涌:是指由于雷擊發生時在電源和弱電線路中感應的電流浪涌引起的。主要形式是電源浪涌。

由于電子設備內部結構的原因造成設備耐過電壓、耐過電流的水平下降和來源路徑增多，對電磁干擾敏感，系統更容易遭受雷電波侵入。一旦有雷電波侵入，設備損壞一般是巨大的，有的甚至使整個系統癱瘓，造成無可挽回的損失。

2 鐵路牽引變電站的二次防雷

鐵道線路跨越范圍廣大，很容易遭受雷擊或雷電的危害。當鐵道設施遭到直接雷擊或設施附近產生雷擊時，雷電暫態過電壓、過電流和雷電電磁脈沖會通過供電線路、控制保護線路、鋼軌和金屬管道等途徑侵入電子信息設備。如果防護不當，輕則會出現電子信息設備工作失靈或工作誤動，重則會導致電子信息設備的永久性損壞。

在鐵道系統中，通常是采用避雷網和避雷帶來防止鐵路站、段建筑物和戶外設施免受直接雷擊，采用各種電涌保護器來抑制雷電暫態過電壓，保護電子信息設備。

鐵道部鐵運［2006］26號文件“關于印發《鐵路信號設備雷電及電磁兼容綜合防護實施指導意見》的通知”，對鐵路系統二次防雷的技術指標、生產、施工等起到指導性作用。防雷保安器是重要的防雷元件，鐵道部行業標準TB/T2311—2008《鐵路電子設備用防雷保安器》中要求“分區分級設置防雷保安器”。從電磁兼容的觀點來看，防雷保護由外到內應劃分為多級保護區。從0級保護區到最內層保護區，必須實行分層多級保護，根據電氣、微電子設備的不同功能及不同受保護程序和所屬保護層確定保護要點，進行分類保護;根據雷電和操作瞬間過電壓危害的可能通道，從電源線到控制保護線路都應做多級層保護，從而將過電壓降到設備能承受的水平。

防雷保安器是電子設備雷電防護中不可缺少的一種裝置，在接地網符合規程要求的前提下，二次防雷的關鍵在于使雷電流在侵入變電站的設備前被順利泄放到接地網，而完成此項任務的正是防雷保安器。防雷保安器的作用是把竄入電力線、控制保護傳輸線的瞬時過電壓限制在設備或系統所能承受的電壓范圍內，或將強大的雷電流泄流入地，保護被保護的設備或系統不受沖擊而損壞。

在指導意見中要求“防雷保安器并聯應用時，在正常工作情況下不得成為短路狀態;串聯應用時，在正常工作情況下不得成為開路狀態。防雷保安器對地有連接的，除了放電狀態，其他時間不得構成導通狀態;否則必須輔以接地檢測報警裝置。”防雷保安器作為重要的防雷設備，定期檢測、試驗并確保其工作可靠性就成為日常維護工作的重點。規程規定，每年在雷雨季節到來之前，應對防雷保安器進行一次全面檢測，并且在雷擊之后，亦需檢測防雷保安器的狀態，以保證下一次雷擊到來時防雷保安器能有效動作。要正確檢測防雷保安器的狀態，必須對其原理與性能有深入了解。

3 防雷保安器原理與性能

一般來說，防雷保安器的基本元器件有:放電間隙、氣體放電管、壓敏電阻、抑制二極管和扼流線圈等。其關鍵部件是氣體放電管和壓敏電阻。氣體放電管是將相互分離的一對冷陰板封裝在充有一定惰性氣體的管內。外施電壓低于放電電壓時，氣體放電管兩端相當于開路;外施電壓高于放電電壓時，會出現氣體放電現象，相當于短路，故氣體放電管為開關型元件。壓敏電阻是以氧化鋅為主要成分的金屬氧化物半導體非線性電阻，它對電壓十分敏感。當外施電壓低于閾值電壓時，電阻值極大;當外施電壓高于閾值電壓時，電阻值隨電壓的增高而急速下降，從而形成低阻通道，故壓敏電阻為限壓型元件。

氣體放電管的主要缺點是有續流，切不斷;壓敏電阻的主要缺點是有漏流，易劣化。兩者串聯可以較好的彌補各自的缺點。在鐵路系統中，一般要求這兩種元器件串聯使用(如圖1)。故鐵路系統變電站二次防雷使用的防雷保安器的性能，既取決于氣體放電管的性能，又取決于壓敏電阻的性能。

圖1 防雷保安器原理

4 防雷保安器的現場測試

當防雷保安器中的氣體放電管或壓敏電阻存在老化或內部受潮等缺陷時，一般通過停電試驗可以檢查出來。但是，防雷保安器為非線性設備，在電網絡或環境等因素長期作用下產生劣化，以至于有時在停電試驗時未能發現任何問題，而在正常運行時突然導通或爆炸，導致嚴重的事故。這充分說明對防雷保安器性能的判斷僅僅依賴停電試驗是不夠的。這一方面是因為停電試驗所加電壓、環境因素與防雷保安器正常工作時所承受的電壓、所處的環境是不同的，這時測得的實驗數據就不能準確而有效地反映防雷保安器的工作狀況;另一方面是停電試驗的間隔周期可能較長，而防雷保安器的性能是逐漸變化的，這個變化達到一定程度后其劣化速度會加快，可能在下次檢測前即故障;再一方面是若頻繁拆裝或拆裝不當也可能引發防雷保安器新的故障，在雷電活動頻發期尤其如此。因此，在不停電的情況下對防雷保安器進行現場測試，可以隨時、真實地了解其運行狀態，及時發現異常現象和事故隱患，對于牽引變電站的安全運行有著重大的意義。

從整體上看，對防雷保安器的性能測試適用直流法和沖擊法。

現場測試防雷保安器的第一步是目測，及時處理有故障指示、接觸不良、發熱、積塵等情況。

規程規定，對防雷保安器應進行 U1mA及0.75U1mA下泄漏電流等直流檢測方法。如果直流1 mA電壓U1 mA為0，則防雷保安器已損壞(短路);如果0.75U1mA下泄漏電流0，則防雷保安器已損壞(開路)。但在遭受過雷擊或有壓敏電阻均勻性不好等缺陷時，使用直流法就無法確定防雷保安器的狀態，這時，需要進行沖擊試驗。

為保證供電的連續性以及測試的準確性與便捷性，需采用一種防雷保安器的現場測試設備，既能滿足現場直流試驗的要求，又能滿足現場沖擊試驗的要求。

該測試設備應可以輸出0～1.2 kV的直流電壓，用于測量防雷保安器的直流1 mA電壓和0.75U1mA下泄漏電流，又可以輸出最大幅值為6 kV的1.2/50μs沖擊電壓波、最大幅值為3 kA的8/20μs沖擊電流波的組合波，用于測量防雷保安器遭受沖擊后的殘壓。其測試原理如圖2所示。

圖2 防雷保安器測試原理

工頻電源電壓經過開關電源整流濾波后，變成直流電壓，經過單端反激變換升壓給高壓儲能電容充電。電容上的電阻分壓電路實時監測電容的充電電壓，并與單片機預置的充電電壓進行反饋比較，根據比較結果控制充電電路的終止時刻，達到穩定的充電幅值，產生直流高壓。增大加在試品上的直流電流達到1 mA，測量此時試品上的電壓，即為直流1 mA電壓。查看存儲器，調整電壓為0.75倍的直流1 mA電壓，測量此時試品上的電流值，即為泄漏電流。完成此次防雷保安器的直流測量。

高壓電容充好電后合上高壓開關。電壓波的寬度主要由波形形成電阻決定。阻抗匹配電阻則決定發生器的開路電壓峰值與短路電流峰值的比例，也被稱為輸出阻抗。電流波的上升與持續時間主要由波形形成電感決定。這些元件的參數可有多種方式確定。最終產生1.2/50μs的電壓浪涌(開路狀態)和8/20μs的電流浪涌(短路狀態)。沖擊電壓的測量采用兩級電容分壓器的方式，將高壓沖擊電壓信號線性分壓到單片機可以處理的電壓范圍，分壓電路實測效果優良，頻帶特性好，輸入輸出波形一致性好。沖擊電流的測量采用羅戈夫斯基線圈的方式，利用被測電流產生的磁場在線圈內感應的電壓來測量電流。其一次側為單根載流導線，二次側為羅戈夫斯基線圈，因為所測電流的等效頻率很高，所以采用空心互感器，這樣可以避免鐵心飽和所帶來的損耗及非線性影響。斷開充電回路對試品放電。若試品阻抗很高，則為沖擊電壓試驗;若試品阻抗很低，則為沖擊電流試驗。測量試品上的殘壓，完成此次防雷保安器的沖擊測量。

測量設備應具有自檢判別功能，可在測量過程中對超量程測試發出聲響提示;具有高壓短路保護、過流保護、高壓預置、量程調節等功能;具有記憶、運算、保持、控制、連續測試功能;實現自動控制、數據采集和顯示，整合接線、讀數、計算等步驟。測量結果通過液晶屏顯示出來。

防雷保安器進行現場測試的接線方法如圖3所示。相鄰兩次沖擊測試的時間間隔應足以使防雷保安器冷卻到室溫。

沖擊試驗時，記錄試驗過程中不同沖擊電流下防雷保安器兩端的殘壓，可對防雷保安器進行伏安特性分析。圖4為某次沖擊電流3 kA試驗時記錄的防雷保安器兩端的電壓波形。

圖3 現場測試接線示意

圖4 某次沖擊試驗電壓波形

5 結束語

本文所論及的防雷保安器現場測試方案能滿足鐵路牽引變電站二次防雷現場測試的要求，能正確判斷防雷保安器的實時工作狀態，保持防雷保安器的實時工作狀態正常是設備防雷工作的關鍵，是鐵路安全運營的重要保證。

總的來說，防雷問題是一個綜合性的工作，尤其是加強弱電系統的雷電浪涌防護，免其而引起設備的損壞，所以在完善弱電系統外部防護的同時，要加強弱電系統的內部防護:

(1)首先要完善弱電外部雷電防護，將絕大部分雷電流直接引入地下泄散。

(2)其次要阻塞沿電源線或數據、信號線引入的過電壓波。

(3)第三限制鉗位被保護設備上浪涌過壓過流幅值在設備可承受的范圍。

(4)確保防雷保安器的性能良好，將防雷保安器現場測試這一環節制度化、常規化。

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