鐵路變配電所的雷擊危害及防雷技術分析

摘 要：鐵路變配電所的防雷是一個綜合的系統工程，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。

關鍵詞：鐵路變配電所；雷害；防雷技術

鐵路變配電所作為鐵路電力供應的樞紐集中了多種高壓電氣設備，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，雷擊不但對電氣設備造成損害，而且會因此導致鐵路供電中斷，影響鐵路運輸的安全性和穩定性。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象，雷電會對建筑物或其他設備產生嚴重的破壞。通常情況下，從雷害發生的途徑上來講，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設備上感應產生的過電壓。

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備，在強大的雷電流作用下，會在該電力設備上產生較高的直擊雷過電壓，在此過程中會產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，燒斷輸電導線，摧毀用電設備，甚至引起火災或爆炸；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以及對附近物體的閃絡放電，引起絕緣子燒壞，斷路器跳閘等問題，導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）當云塊接近避雷針時，避雷針可以將因靜電感應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線中流入大地，避免損壞設備或建筑物。需要注意的是，要設法降低接地地阻以及保持避雷針與電氣設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的區域或設備絕緣水平不高（如110kV以下的配電設備）的情況，因為獨立式避雷針距離電氣設備的距離比構架式避雷針遠，不易發生電氣設備的反擊事故。

架設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）裝設避雷線作為保護，避免該段線路遭受直接雷擊。當前避雷線主要有兩種布置形式：一種是避雷線的一端經配電裝置構架接地，另一端經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。

裝設避雷針、避雷線都需要計算過電壓，我國標準推薦使用以下的公式校驗獨立避雷針、避雷線與被保護設備之間的空氣距離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為雷擊點至構架的距離。

對于非獨立的比較復雜的避雷網絡，則還需要計算各點的過電壓并加以逐一校驗。

1.1.2 變配電所接地網的作用與設計

變配電所接地網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生的雷電流，為電氣設備發生故障時產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備提供良好的等電位系統，保證電力系統安全穩定的運行，以便能有效地保證設備和出運行人員的安全。

變配電所接地網的設計是否全面、合理關系到接地網是否能穩定安全的運行，設計參數決定了變配電所接地網的基本情況。因此在變配電所的地網設計中在變配電所接地網的設計中主要采用經驗公式估算與數值計算相結合的方式來計算接地參數。同時變配電所地網的設計還可以因地制宜，根據變配電所所處位置的實際情況來進行綜合設計，比如：如果變配電所附近有大型公共設施，可以與公共設施的地下鋼結構相連接以便擴大接地網的接地面積，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，避雷器的裝設位置和防護距離在防雷標準中已經給出，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一組避雷器。據統計，變配電所雷電侵入波過電壓事故中由雷擊變配電所1km以內線路引起的約有50%，由雷擊3km以內線路引起的約有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，被保護設備上的侵入波過電壓則越小。從它們之間的關系可以看出要降低被保護設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備和侵入波過電壓的影響因素之間關系的研究大多通過磁暫態計算程序EMTP進行仿真計算實現的。

1.2.2 GIS變配電所的侵入波防護

與常規變配電所相比，氣體絕緣變配電所（Gas Insulated Substation簡稱：GIS）具有占地面積小，與周圍環境隔絕、運行可靠、維護方便等優點而得到了廣泛的應用。除了與常規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。因此變配電所裝設的避雷器伏秒特性、放電穩定性等這些技術指標一定要達到要求，通常變配電所架設的是保護性能比較優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內部設備的防護。（3）GIS的結構緊湊，設備之間的電氣距離小，避雷器與被保護設備之間的距離近，更有利于保護設備。（4）GIS內的絕緣一旦發生電暈將無法恢復原有的電氣強度，甚至導致整個GIS系統的損壞，因此要求GIS內的絕緣裕度要足夠大，過電壓防護措施要更為可靠。

根據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置能起到關鍵的作用，一般來說，是通過在GIS入端和出端，或者在GIS內部裝設避雷器來實現對GIS雷電過電壓進行防護的。而避雷器的裝設位置以及裝設在不同位置的避雷器參數等，則需要根據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 雷電二次效應防護

1.3.1 設計思路

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感應、大氣靜電瞬態感應、電磁脈沖輻射、束縛電荷的二次弧閃等原因而產生的二次效應。雷電二次效應雖然不會在短時間內釋放巨大的能量，但是出現的概率比較高、防護相對困難，危害也比較大。為了防止雷電二次效應對電子設備造成的損壞，國際電工委員會IEC標準（《雷電電磁脈沖的防護》IEC 61312）和我國GB標準（《建筑物防雷設計規范》GB 50057-1994）中指出現代意義的防雷工作應該以建筑物為保護重點，發展到以電子信息系統為保護核心；強調綜合治理、整體防御、分級泄流、層層防設的思路，將防雷看成是一個系統工程。

1.3.2 防護方式

在實際工作中，鐵路變配電所二次系統主要采用以下防雷設計進行防護：

將變配電所的雷電保護區進行分級保護。變配電所外部是暴露區，暴露區是直接雷擊區域，危險性最高，定為0區（LPZ0），變配電所內部所處的位置為非暴露區，可以定為1區（LPZ1）、2區（LPZ2）等，越往里則危險程度越低。在0區、1區、2區等各保護區間的鋼筋混凝土、金屬外殼形成等電位屏蔽層，當電氣通道或金屬管道穿過這些屏蔽層時，各級雷電保護區的金屬構件必須與之相連接，從而將過電壓降到設備能承受的水平。此外，進入變配電所內的各種電源進線、通信信號線以及天線饋線等應該在各雷電保護區交界處及其終端設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備的總配電盤間的電纜內芯線兩端對地處加裝保護器作一級防護，在二次低壓設備的總配電盤到二次低壓設備的配電箱間電纜內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 結束語

鐵路變配電所的雷電防護工作是一項系統工程，雷電的危害形式多樣，并且隨著科學技術的發展，還可能出現新的雷害形式，這就需要我們在變配電所的防雷工程設計中充分了解雷電的活動規律，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，使系統能安全穩定的運行。

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計院有限公司，工學碩士，研究方向：輸變電。