高鐵雷電防護措施探討

文 / 王漪波

高鐵站場雷電防護分析

概念

防雷技術是指高鐵正常運行的常見雷擊事故，因供電系統遭受雷擊造成間接經濟損失，從而在高鐵牽引供電系統中需要加強防雷體系。在高鐵牽引供電系統中，主要有三方面構成，包括變電設備、接觸網設備及運動系統設備，構成中變電設備的主要組成部分又包括變電所、開閉所及區分所。高鐵的牽引供電系統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斷電情況，保證列車行駛的速度及對重量的要求。目前，我國的高鐵牽引供電系統在防雷方面的技術已經取得了一定的成果，但是在安裝避雷裝置方面還存在缺陷，只在關鍵部位進行了避雷裝置的安裝，如隧道兩端或者變壓所入口處，而高鐵在建設時一般都會依靠高架等方式來進行跨越河流，在高架施工時接觸網的支柱又是依靠橋墩的鋼筋混凝土結構，也就是說，在當前情況下，接地的電阻存在一定的不合格現象，從而導致絕緣體閃爍。由此可以看出，避雷裝置也應當安置于高架橋兩端。

重要性

高鐵牽引供電系統在高鐵運輸中占據著尤為重要的地位，一旦供電系統出現問題或者遭受雷劈，輕則會導致斷電，情況嚴重則會導致列車發生事故。所以在牽引供電系統中建設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，地勢比較平坦，因此所內避雷針是主要的落雷點，遭受直擊雷的概率很高。直擊雷電流在通過避雷針、塔體入地時如果接地網的接地電阻偏大或接地網的均壓效果不好時，在雷電流的入地路徑上通過阻性耦合將形成瞬態高電位，必將會對與其有直接聯系各個設備產生高電位反擊，很容易造成電子設備的損壞。

線路來波

牽引變電所稍遠處其他與變電所有關聯的設備，如接觸網設備、10KV設備落雷后，雷電流會沿著各自路線，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。

軌道衡雷擊途徑

軌道衡設備分為室外設備和室內設備：室外設備主要包括機械秤臺、傳感器、車號識別天線等；室內設備主要包括稱重儀表、工控機和隔離變壓器等。每當雨季來臨，軌道衡設備都會不同程度遭受雷電侵害，尤其是山區和低洼地。

根據以往雷害設備損壞統計，傳感器、稱重儀表、工控機損壞頻率最高。根據雷擊故障統計分析，軌道衡室內外設備遭受雷擊主要有4種途徑，即電源側雷擊、傳感器側雷擊、視頻監控端雷擊、設備網絡側雷擊。其中，電源側雷擊占比39%；傳感器側雷擊占比35%；視頻監控端雷擊占比15%；設備網絡側雷擊占比 8%；其他占比3%。4種雷擊途徑對應軌道衡系統與外部環境的4條主要聯通途徑，占雷擊總數97%。

高鐵雷電防護措施

保護絕緣子永久性破壞的方法

在高鐵運輸中一旦發生雷擊事件，就會導致絕緣子出現永久性毀損，產生這一現象的原因是由于絕緣子在受到雷擊時會不斷出現閃爍的現象，絕緣子中的工頻會逐一被燒毀，最終導致絕緣子徹底被燒毀。所以，在高鐵牽引供電系統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，在牽引供電系統中對于絕緣子的保護經常采用的方法就是在水平絕緣子和懸式絕緣子的兩端設置保護間隔，一旦絕緣子遭受雷擊而出現閃爍的現象，系統將自動對工頻電弧進行有效的疏導，從而使得絕緣子受到一定的保護。但是這種保護方式存在弊端，也就是在發生雷擊事故時會發生跳閘現象，一旦跳閘就會引起整個供電系統失效，從而導致列車出現不安全的問題。

提高變電所的防雷效果

在牽引供電系統中，對于變電所的防護要采取獨立的防雷設施，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范圍內的所有設備進行保護，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，并與地網保持一定的距離，避免出現反擊事件。在變電所進電的位置也可以設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入，避免變壓器遭受損害。在饋線出線的一端要設置符合規定的抗雷線圈，利用抗雷線圈與避雷器相互配合，以此來對雷電波的入侵進行有效的抵制。

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

加強雷電預警監控

高鐵運輸單位應該與氣象部門加強聯系，借鑒雷電監測預警技術，在對高鐵周圍雷電互動密切監測的基礎上，開發出更適合于監測高鐵走廊的雷電監測系統，并不斷進行了優化。這對于高鐵運輸的平穩運行具有重要意義。

牽引變電所綜合防雷屏的防雷設置

裝置柜體配置

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

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

（3）防雷柜分為前、后SPD布置區，側面端子排、等電位匯集線布置區，底部反擊抑制裝置區，頂部滅火、照明、開關電源區 ，正面襯板設檢測單元、柜門設人機交互屏。弱電信號保護和電源類保護分區，區域之間用隔板隔離。

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

（5）防雷屏內設線纜屏蔽層接地區，安裝電纜屏蔽層環流接地保護器，防止電纜屏蔽層絕緣擊穿，對于外部光纖加強筋或鎧裝進行統一接地，防止電涌沿屏蔽層及加強筋侵入。

（6）屏體所采用的鋼板和骨架鋼性要符合規定，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有足夠的機械強度。

（7）防雷屏底部裝設接地排并與柜體相連，其分離或活動金屬構件與屏體之間應用符合規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）被保護設備電源線路的前端均需安裝浪涌保護器（SPD），根據現場實際情況應應分級、分別安裝，浪涌保護器 的接線端與被保護設備電源線路的相線相連。浪涌保護器的接地端與保護接地排相連，接地排應與所內大地網相連。為防止雷電流泄放引起感抗的變化而導致設備故障 ，因此浪涌保護器的連接導線應盡量短和直，其長度不大于0.5m，并固定牢靠。

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

（4）所有電源SPD都應內置短路保護裝置。

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

（6）工頻耐壓值。防雷設備接線端子與殼體之間絕緣：3kV/min。

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

（8）所有電纜鋼帶進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

防雷設備狀態監測：對防雷系統中所使用的防雷設備狀態實時監測，并提供防雷設備的壽命狀態，在防雷設備接近損壞時，給出更換防雷設備的預警信息。雷電信息監測：記錄雷擊發生的時間、幅值、波形等信息。環境信息：監測機房、接線箱等的環境參數，比如供電質量、環境溫濕度等，可實時了解系統運行環境是否滿足要求。現場查詢與遠程終端查詢：設置智能屏用來顯示監測、報警、上傳等所有信息方便維護人員查看。現場的監測信息可以上傳到牽引變電所現場的監控終端工控機上，也可以通過現有傳輸網絡，在監測中心設置后臺終端，進行實時狀態監測。預留外部新增模塊端口：預留AI/DI端口，可外接其它監測模塊，擴展系統監測功能。

結語

我國高鐵建設的快速發展，給高鐵運輸提供了更加便利的渠道。但作為電能的機車來說，電源的可靠是尤為關鍵的，在我國高鐵發展的建設過程中，雷電一直都是需要關注的重點。因此，對于高鐵道路牽引供電系統的防雷技術的研究力度及強度應當不斷地提升。