多雷区牵引变电所防雷设计探讨

2014-03-13程军

电气化铁道 2014年3期

程军

0 引言

随着国内铁路的快速发展，在南方亚热带雷电活动频繁地区，电气化铁路及其牵引变电所遭受雷击的事故时有发生，甬温客专动车追尾、合武客专某牵引变电所主控室设备烧毁、广深线开通初期多次停电均与雷击灾害有关，因此，有必要对处于多雷区的牵引变电所防雷设计进行探讨。

据气象部门统计资料，湘桂铁路柳州至南宁段（以下简称“湘桂线”）沿线主要城市柳州及南宁均处于年雷暴日60 d 以上的多雷区，因此，本文针对该线牵引变电所防雷设计方案进行重点探讨。

1 直击雷防护

雷电起源于雷云的形成，具有时间短、电流变化梯度大、冲击电压高等特点，直击雷模拟波形如图1 所示。根据《工业与民用配电设计手册》，年预计雷击次数按式（1）计算，经计算湘桂线牵引变电所年预计雷击次数约达12 次。

式中，N 为年预计雷击次数；k 为校正系数，旷野孤立建筑物取2；Td为年平均雷暴日数；Ae为接收雷击次数的等效面积。

直击雷的特点决定了任何电压等级的系统绝缘都将难以耐受，通过对多雷区年预计雷击次数计算可知，牵引变电所内必须采取直击雷防护措施。

图1 直击雷模拟波形图

直击雷防护一般可采取设置避雷线、避雷带（网）、避雷针等措施。避雷线主要用于110 kV 及以上电力线路直击雷防护，当然，也有少数国外牵引变电所采取在所内架构顶端设避雷线的方案。避雷带（网）主要用于建筑房屋顶部雷击率较高的部位进行重点保护。避雷针是人为设立突出的引导雷电流泄放的优良导体，最适合于电气设备较为集中的区域内直击雷防护。

经上述比较分析，该线牵引变电所的直击雷防护方案：在每座牵引变电所的围墙四角均设置独立避雷针、每回110 kV 进线均设置架空避雷线并引入所内进线架构；另外，本线分区所、开闭所虽然采用全箱式户外布置方案，因该线处于多雷区，所内也设置1 座独立避雷针。经计算，牵引变电所内4 座25 m 高度的避雷针保护范围如图2 所示，能对所内所有电气设备、架构及房屋等设施的直击雷防护起到有效作用。

图2 避雷针保护范围示意图

2 感应雷防护

伴随雷击发生过程，除直击雷带来的危害外，由感应雷所引发的强烈过电压会给临近的电气及电子设备造成极大危害。感应雷模拟波形如图3 所示。感应雷过电压包括雷电击中所外电力线路形成的侵入波过电压、云地间静电感应过电压、雷电流回击通道辐射电磁波感应过电压。

图3 感应雷模拟波形图

2.1 一次设备感应雷防护

（1）设置避雷器。装设避雷器是限制系统可能出现感应雷过电压的最主要防护措施。牵引变电所内避雷器设置方案如图4 所示。

设置避雷器时应注意其安装位置及相关参数的选择。避雷器应安装在主变高压侧（进线隔离开关外侧）、低压侧及馈线侧。所内110 kV 及27.5 kV避雷器保护的最大电气距离根据《高电压技术》要求，应按式（2）计算；其标称放电电流（8/20 µs）应分别不低于10 kA 和5 kA；其残压选择应与各电压等级设备绝缘水平相配合。式中，Lmax为避雷器保护的最大电气距离；Up为设备额定雷电冲击耐压，kV；Ures为避雷器残压；a为变电所计算用雷电进波陡度，kV/m。

图4 变电所内避雷器及抗雷圈设置方案示意图

（2）设置抗雷圈。结合《铁路电力牵引供电设计规范》要求，为进一步削减多雷区雷电侵入波过电压，在每回27.5 kV 馈出线首端增设抗雷圈，连接位置见图4。抗雷圈的作用是在高频雷电波侵入瞬间呈现极高阻抗，使侵入波发生全反射后幅值双倍叠加返回，导致前端馈线避雷器加速放电，最终达到降低雷电侵入波陡度及过电压幅值目的。

2.2 二次设备感应雷防护

室内交、直流电源系统及综自、通信等弱电设备的雷电过电压主要通过电力配电线路、通信及控制回路、接地回路、直击雷电磁场辐射等方式传输。

（1）交、直流电源系统防雷保护。根据GB50057《建筑物防雷设计规范》，牵引变电所交、直流电源系统可划分为不同的雷电防护区（LPZ0~3），结合被保护对象的绝缘耐压水平，可选择相应等级电源电涌保护器（SPD）进行防护，其基本配合原则如图5。

图5 SPD 配合原则示意图

SPD 的工作原理：当系统中出现瞬时过电压时，SPD 通过其内部器件（压敏电阻、二极管或放电间隙等）以ns 级速度泄放电流，使其呈现低阻状态，以将过电压幅值限制到合理水平。所内交、直流电源系统SPD 分级配置如下：

a.第一级防护。交流盘两路进线均配置SPD（B+C 级），它综合了第一级和第二级电源电涌保护器的优点，具有吸收能量大、响应速度快、残压低的特点，要求雷电通流量不低于60 kA（8/20 µs），可防范10/350 µs 雷电冲击电流。

b.第二级防护。交流盘输出回路中直流装置充电回路、滤油机供电回路、动照回路、室外设备加热回路等出口处均设置C 级SPD，其雷电通流量不低于40 kA。

c.第三级防护。室外操动机构箱内二次回路交、直流电源入口处，动照配电箱室外照明馈线出口处均设置C 级SPD，雷电通流量不小于20 kA；直流盘两路进线、室外电机馈出回路均配置直流电源SPD，雷电通流量不低于10 kA。

（2）综自及通信等弱电设备防雷保护。所内综自及通信等弱电设备工作电压（电平）较电源电涌保护器低得多，有些甚至在1 V 以下，故应在设备内部设专用SPD。选择该SPD 时，应对最大持续工作电压、电压保护水平、频率匹配、接口类型进行选择，无需分级防护（通流量满足不低于5 kA要求），安装位置应尽量靠近设备前端。

3 防雷接地的要求

接地是防雷设计的关键环节，无论是直击雷还是感应雷防护均需经可靠的接地系统引入大地。多雷区牵引变电所防雷接地设计应做到以下几点：

（1）设置水平接地体为主、垂直接地体相结合的，网格形铜材质主接地网。在避雷针、避雷线、避雷器、抗雷圈的接地位置要增加垂直接地极以改善冲击电位分布，防止局部电位升高。避雷针及主接地网接地电阻不宜大于10 Ω和0.5 Ω，当降低接地电阻特别困难时，在校核接触电压及跨步电压满足要求前提下，可适当提高接地电阻。

（2）为避免直击雷沿接地体引起的过电压对被保护设备造成反击，独立避雷针与被保护设备应满足规范要求的空气距离不小于5 m、其接地装置与主接地网的地中距离不小于3 m。

（3）变电所应使用屏蔽电缆，二次电缆屏蔽层双端接地。电缆沟内应设置接地带，并在电缆沟附近平行敷设水平接地体，以防止地电位不均对沟内二次电缆回路的干扰。

（4）等电位连接。控制室盘柜内二次设备、SPD、盘柜外壳、底部槽钢、配电箱PE 线及其他需要接地的设施均与主控室内墙上接地干线等电位连接。高压设备及金属网栅等需要接地的设施均与高压室内墙上接地干线等电位连接。主控室及高压室内接地干线分别通过两处接地体引至室外与主接地网等电位连接。