牽引變電所防雷技術淺析

石文婷

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司四電設計院，北京 102600)

1 引言

隨著電力系統的快速發展，電氣化鐵路也取得了飛速發展。電力牽引供電系統是由牽引變電所、牽引網以及其他輔助供電設施組成的供電系統。牽引變電所將電力系統的三相高壓電轉換成兩個單相電，通過饋線分別供給兩側的接觸網，起到了降壓和分相的作用。牽引供電系統屬于一級負荷，如果發生雷擊事故，則會導致鐵路運輸的中斷，造成重大經濟損失和嚴重的社會影響。因此要求變電所的防雷措施必須十分可靠。

2 過電壓的類型及分類

過電壓是由于系統中的電磁場能量發生變化而引起的，電力系統的過電壓可分為內部過電壓和外部過電壓。內部過電壓可分為暫時過電壓和操作過電壓，是由于電力系統中的電場慣性元件和磁場慣性元件進行開關操作時，電力系統從一種穩定狀態過渡到另一種穩定狀態，系統內部參數發生變化導致電磁能量振蕩和積累所引起的。而外部過電壓也稱為雷電(大氣)過電壓，是由于大氣環境中雷電放電所引起的過電壓，其可分為直擊雷過電壓和感應雷過電壓。

3 雷電的電氣參數

3.1 雷電的形成

雷電是大自然中的一種氣體放電現象，雷電放電是由于雷云引起的放電現象。地面上的水分在太陽的照射下不斷的蒸發形成上升的熱氣流，隨著熱氣流的上升，空氣溫度不斷下降，熱氣流在低溫下逐步凝結成水滴或冰晶。水滴和冰晶中復雜的電荷分離過程及強烈的氣流作用便會形成帶電的雷云。一般而言，在5～10km的高空中主要為正電荷云層，在1～5km的高度中主要為負電荷云層，但在云層底部也有少量的正電荷聚集，如圖1所示。

2.2 雷電流的等值電路

雷電的極性主要是指雷云下行到大地的電荷極性，因此絕大多數的雷擊都是負極性的。由于雷云及先導電場的作用，大地被感應出與雷云極性相反的電荷。當先導發展到離大地一定距離時，先導頭部與大地之間的空氣間隙會被擊穿。因此，可以認為雷云放電就是一種超長間隙的火花，并且主放電自雷擊點沿通道向上發展。雷擊大地時的主放電過程可見圖2所示。

圖1 雷云中的電荷分布

圖2 雷擊大地時的主放電過程

為先導中的電荷線密度，vL為主放電速度，則雷擊土壤電阻率為零的大地時，流入大地的電流為·vL。并且，雷電通道具有分布參數的特征，其波阻抗為Z0。若雷擊于避雷針、線路桿塔、地線或導線時，則流經物體的電流波iz可用下式計算:iz=·vL，zj為被擊物體的波阻抗。等值電路如圖3所示。

圖3 雷電流的等值電路

4 變電所的防雷保護措施

4.1 避雷針

牽引變電所圍墻內一般設置四支獨立避雷針以防止直擊雷對變電所內設備的侵害，開閉所或分區所內可設置一支獨立避雷針進行防護，避雷針將雷電吸引到避雷針上并安全地將雷電流引入大地從而保護了設備。但要求避雷針必須要有良好的接地，并且要求被保護物體必須處于避雷針的保護范圍內。避雷針的保護范圍簡要分析如下:

4.1.1 單支避雷針的保護范圍

(1)當hx≥時 rx=(h－hx)p=hap

式中，rx為避雷針在 hx水平面上的保護半徑(m);h為避雷針的高度(m);hx為被保護物的高度(m);ha為避雷針的有效高度(m);p為高度影響系數(h≤30m，p=1;30m ＜h≤120m，p=;h＞120m，p=0.5)

(2)當hx＜時 rx=(1.5h－2hx)p

4.1.2 雙支等高避雷針的保護范圍

(1)兩針外側的保護范圍應按單支避雷針的計算方法確定。

(2)兩針間的保護范圍按下式計算

h0=h－

式中，h0為兩針間保護范圍上部邊緣最低點高度(m);D為兩避雷針間的距離(m)

兩針間hx水平面上保護范圍的一側最小寬度bx按下式計算:bx=1.5(h0－hx)

當D=7hap時，bx=0

4.1.3 多支等高避雷針的保護范圍

(1)三支等高避雷針所形成的三角形的外側保護范圍分別按兩支等高避雷針的方法確定。如在三針內側各相鄰避雷針間保護范圍的一側最小寬度bx≥0時，則全部面積均可受到保護。

(2)四支及以上等高避雷針所形成的四角形或多角形，分別按三支等高避雷針的方法計算。如各邊的保護范圍一側最小寬度bx≥0時，則全部面積均可受到保護。

4.1.4 工程實例

(1)牽引變電所

巴準線四道柳牽引變電所總平面設計長70m，寬58m，變電所內110kV側桿塔及架構最高為10m，因此hx為10m，本所設計采用四支等高25m獨立避雷針來保護全所架構、牽引變壓器以及附屬生產房屋，避雷針保護范圍計算如表1所示。

該牽引變電所的防雷保護范圍設計圖如圖4所示。

(2)開閉所

某煤炭鐵路專用線設計采用箱式開閉所供電，箱式開閉所總平面設計長16m，寬16m，被保護物的高度為7.3m，設計采用單支20m高獨立避雷針進行防雷保護。由Rx=(1.5H－2Hx)P計算得出，本箱式開閉所避雷針的保護半徑為15.4m。因此該箱式開閉所的防雷保護范圍設計圖如圖5所示。

表1 避雷針保護范圍計算表(單位:米)

圖4

圖5

4.2 避雷器

4.2.1 氧化鋅避雷器

雖然牽引變電所內裝設避雷針可有效防止直擊雷的損害，但是變電所內電氣設備仍有被雷擊的可能性。由于雷電的繞擊和反擊，當雷擊線路和線路附近的大地時，在牽引網上就會產生過電壓，它們將以流動波的形式沿線路傳到牽引變電所內，危機變電所內牽引變壓器等電氣設備的安全運行。因此在牽引變電所內27.5kV側還需裝設相應電壓等級的氧化鋅避雷器以限制雷電波的幅值，從而保證牽引變電所的安全運行。

近年來使用的避雷器主要有四種類型:①保護間隙;②排氣式避雷器;③閥式避雷器;④氧化鋅避雷器。目前電氣化鐵路牽引變電所內一般使用氧化鋅避雷器作為所內設備的保護裝置。氧化鋅避雷器是一種全新的避雷器，其具有極其優異的非線性特性，在正常工作電壓下，其阻值很大，通過的漏電流很小;而在過電壓的作用下，阻值會急劇變小。

4.2.2 氧化鋅避雷器的優點

(1)ZnO避雷器可以省去串聯的火花間隙，是一種無間隙避雷器，可以有效提高對變電所內設備保護的可靠性。

(2)ZnO避雷器無續流，在雷電的作用下，只吸收過電壓能量，不吸收續流能量，因此具有耐受多重雷擊的能力。

(3)ZnO閥片的流通能力大，提高了避雷器的動作負載能力，可以有效限制內部過電壓。

(4)ZnO避雷器結構簡單，尺寸小，重量輕，造價低，可有效減少牽引變電所的占地面積，節省工程投資。

5 結束語

牽引變電所的防雷保護與電氣化鐵路的安全運行息息相關，因此，我們要對牽引變電所的設備進行全面、可靠的防雷保護，以保證牽引變電所供電的穩定性、安全性、可靠性，為電氣化鐵路的安全運行提供可靠的保障。

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

[2]趙智大.高電壓技術[M].中國電力出版社，1999.

[3]吳國宏.變電所防雷技術[J].現代建筑電氣，2012.

[4]張小青.建筑防雷與接地技術[J].中國電力出版社，2003.