牽引變電所雷擊仿真分析

丁 峰

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司電氣化處，西安 710043)

雷電是自然界中頻繁發生的一種放電現象，其特點是電壓高、電流大、能量釋放時間短，具有很大的危害性。在我國多數地區，每年都有因雷擊造成的種種危害。最新統計資料表明，雷電造成的損失已經上升到自然災害的第三位。正是由于雷電的巨大危害性及其影響面積大，因而受到了各行業的廣泛關注。對于鐵路部門而言，由于雷擊而造成牽引變電所設備燒損，致使牽引供電系統癱瘓的事故也時有發生;根據路局統計，每年因雷害而造成的牽引供電系統跳閘事故可占到年事故總量的4%～5%以上。因此，如何采取有效措施來防止雷擊災害的發生，以確保牽引供電系統的安全可靠運行，越來越彰顯出其重要性［1-2]。

目前，關于牽引變電所防雷設計，《鐵路電力牽引供電設計規范》(TB 10009—2005)中僅對所內電氣設備如何防止雷擊進行了規定，而對如何進行防雷接地并未作出相關要求［3]。本文通過對牽引變電所直擊雷及入侵雷電波的電磁暫態仿真，分析雷電流的暫態作用在地表造成的地表電位分布，研究雷擊對牽引變電所造成的不確定性危害及如何通過有效接地消除雷電產生的瞬時過電壓，以期為變電所防雷接地設計提供理論依據。

1 雷電流波形參數選擇

雷電流具有沖擊特性及非周期特性。為研究雷電放電對牽引供電系統的危害，對雷電流波形的確定顯得尤為重要。雷電流波形主要取決于幅值、波頭、波長等參數。實測數據表明，盡管每次雷擊的雷電流幅值都存在很大差異，但雷電流的波形卻基本一致:一次雷擊的波頭時間為1～4 μs，平均為 2～2.6 μs;波長(半峰值時間)為 20～100 μs，平均為 40～50 μs［4-5]。

工程設計中，為便于對雷電流進行分析、計算，常將雷電流波形等值為一典型化的、可以用解析式表達的波形形式。目前采用的雷電流等值波形一般有雙指數波、斜角波及半余弦波等3種形式，就此3種波形而言，由于雙指數波與實際雷電流波形最為接近，因此常被應用于表征雷電波。雙指數波表達式如下

式中 A——常量;

Im——峰值電流，A;

e——自然對數的底;

α——波前時間常數的倒數，s-1;

β——波尾時間常數的倒數，s-1;

t——時間，s。

由式(1)可知，當 A、Im、α、β等值確定后，即可對雷電流波形進行擬合。對于雷電流來說，其主放電形成的初始高峰電流一般為10～30 kA，最高可達200 kA或更高;參考《軍用飛機雷電防護》(GJB2639—96)，取 A=1.094，Im=200 kA，α =11 354 s-1，β =647 265 s-1，可得雷電波形擬合曲線［6-8]，如圖1所示。

圖1 雷電流波形曲線(雙指數波)

2 雷擊電流暫態計算分析

牽引變電所作為牽引供電系統的重要供電設施，一旦遭受雷電侵害而引起雷電過電壓，致使地表電位分布不均、造成雷電擊穿，將導致人員傷亡及設備損壞，引起供電中斷，直接影響運輸安全。因此，變電所的防雷保護至關重要。

對牽引變電所而言，其遭受雷擊的方式，主要有兩種途徑:直擊雷及雷電波侵入。就此兩種雷擊方式下的牽引變電所場坪地表電位分布進行分析計算。

2.1 分析計算基本邊界條件

雷電波基本參數見圖1。

大地電阻率:按均勻分布考慮，取均值100 Ω·m。

牽引變電所接地系統基本參數:地網面積70 m×70 m，埋深0.8 m;水平接地體采用TJ-185;垂直接地極采用φ25 mm銅棒，L=2.5 m。

2.2 直擊雷仿真

為保護牽引變電所內變、配電設備及運行環境不直接遭受雷擊，通常采用避雷針作為防護手段。對避雷針遭受雷擊后變電所區地表電位分布進行仿真計算如下。

(1)直擊雷仿真計算模型

變電所避雷針高度按針高30 m考慮，并獨立設置地網，其與主地網間距3 m，繪制結構模型如圖2所示。

圖2 牽引變電所避雷針—地網結構計算模型

(2)仿真計算

對該模型進行仿真計算，得當雷電流峰值200 kA時，其擊中避雷針后引起的地表電位突變在4.15 μs時達到峰值3.7×103kV，位于避雷針安裝處;其后地表電位逐漸衰減，直至0。接地網敷設處地表電位(峰值)A點800 kV，B點170 kV。仿真結果如圖3～圖6所示。

圖3 變電所地表電位(最大值)三維圖

圖4 避雷針處地表電位(最大值)二維圖

圖5 接地網A點地表電位(最大值)二維圖

圖6 接地網B點地表電位(最大值)二維圖

2.3 入侵雷電波仿真

牽引變電所作為電能生產及變換的重要環節，由于具有較長的進、饋線，當雷擊線路或大氣放電而使線路感應雷電流，雷電流波將沿線路侵入變電所。當雷電波由線路遠端侵入時，由于沖擊電暈、大地效應等的影響，雷電波的幅值會有所衰減［5];而當變電所進線段遭受雷擊，雷電波幅值將達到很高，會對所內電氣設備造成極大損害。對牽引變電所進線段避雷線遭受雷擊后變電所區地表電位分布進行仿真計算。

(1)入侵雷電波仿真計算模型

變電所進線門形架按高14 m，寬14 m考慮，采用格構式鋼橫梁;地線架高4 m，GJ-70避雷線，經接地引下線直接與地網相連，繪制結構模型見圖7。

圖7 牽引變電進線門架—地網結構計算模型

(2)仿真計算

經計算，得a點地表電位峰值3.55×103kV，b點地表電位峰值3.09×103kV，峰值時刻分別出現于4.15 μs及5 μs;接地網 c 點地表電位(峰值)529 kV，d點地表電位(峰值)156.5 kV。結果如圖8～圖11所示。

圖8 變電所地表電位(最大值)三維圖

圖9 進線門形架處地表電位(最大值)二維圖

2.4 仿真結果分析

圖10 接地網c點地表電位(最大值)二維圖

圖11 接地網d點地表電位(最大值)二維圖

根據上述仿真結果，牽引變電所遭受雷擊后，雷電沖擊電流入地點處地電位急劇升高，數值可達數千千伏(雷電流峰值200 kA時);并且，沖擊電流在極短的時間內迅速沿地網向四周擴散，引起周圍地表電位抬升。又因牽引變電所內地網的感抗性質，其阻礙作用使得地網電位分布不均，因而導致所內地表電位由近至遠呈遞減趨勢;以入侵雷電波為例，距雷電流注入點10 m處地表電位已由3.55×103kV降至430 kV，15 m處降至365.38 kV，42.5 m處降至202.5 kV。依據《高壓輸變電設備的絕緣配合》(GB311.1—2012)及《電氣化鐵路牽引變壓器技術條件》(TB/T3159—2007)中關于110、27.5 kV變配電設備雷電沖擊耐受電壓(峰值)450、200 kV 的規定［9-10]，也即是說，當牽引變電所遭受雷擊時，所內110 kV(27.5 kV)設備及接地體與雷電流注入地網點間距分別大于10、43 m，即可滿足其不遭受雷擊反擊過電壓的損壞，亦即可滿足安全運行的需要。但此值仍可造成所內跨步電壓和接觸電壓過高，使二次電纜外皮產生環流，從而導致人員傷亡及二次弱電系統損壞。

另由仿真結果還可看出，由于變電所內入侵雷電波注入處地網面積遠大于直擊雷注入的地網面積，因而入侵雷電波在牽引變電所地表各處引起的地表電位升普遍低于直擊雷的影響值，但降低效果不明顯(兩者地網面積相差249.68倍，而地表電位卻僅降低了4%)。其原因在于，由于地網接地體自身存在的電感屬性，在雷電沖擊電流的作用下，盡管所內地網面積很大，但其有效面積卻是一定的，即僅在電流注入點附近有限區域內的導體起到了散流作用，區域以外并不能收到什么效果，從而使得降壓效果并不明顯［11-12]。為此，在進行接地設計時，應根據雷電流注入點位置，在有效的散流范圍內設置接地體，以增大散流效果，從而降低地表電位。

3 結語

牽引變電所是鐵道供電工程的重要設施，集中有各種高、低壓電氣設備，其遭受雷擊，將引起鐵路供電中斷，因此牽引變電所的防雷，就要求防護措施應更加完善，防護的可靠性應更高。

對于雷電的防護，不論是直擊雷還是雷電波入侵，最終都是把雷電沖擊電流導入大地;因此，牽引變電所的接地設計是防雷工程的最重要環節，沒有良好的接地，就不可能有良好的防雷過程。牽引變電所的接地設計，應充分考慮雷電流沖擊性的特點，根據現場實際情況，結合所內其他用途的接地設計，有針對性地采取安全措施，以使得變電所的雷電防護工程安全可靠，技術先進，經濟合理。

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