铁路变配电所的雷击危害及防雷技术分析

摘 要：铁路变配电所的防雷是一个综合的系统工程，文章通过对铁路变配电所可能遭受的雷电危害的分析以及相应的雷害防护措施进行分析研究，以期达到减轻雷击对铁路变配电所危害的目的。

关键词：铁路变配电所；雷害；防雷技术

铁路变配电所作为铁路电力供应的枢纽集中了多种高压电气设备，如果铁路变配电所一旦供电中断，这将极大地影响铁路的正常运营。而雷击事故对铁路变配电所影响最大，雷击不但对电气设备造成损害，而且会因此导致铁路供电中断，影响铁路运输的安全性和稳定性。因此，为了确保铁路的安全运输、正常运营，必须不断提高铁路变配电所防雷技术水平。

1 变配电所的雷电防护

雷电是由雷云（带电的云层）对地面建筑物及大地自然放电引起的一种放电现象，雷电会对建筑物或其他设备产生严重的破坏。通常情况下，从雷害发生的途径上来讲，铁路变配电所的雷害主要分为三种：直击雷、雷电过电压波沿输电线路侵入和雷击在所内设备上感应产生的过电压。

1.1 直击雷防护

1.1.1 防护措施

如果雷电直接击中变配电所的电力设备，在强大的雷电流作用下，会在该电力设备上产生较高的直击雷过电压，在此过程中会产生强大的热能以及强大的电动力，强大的热能会使金属熔化，烧断输电导线，摧毁用电设备，甚至引起火灾或爆炸；强大的电动力会击毁杆塔，破坏建筑物，此外还伴随有电磁效应以及对附近物体的闪络放电，引起绝缘子烧坏，断路器跳闸等问题，导致供电线路大面积停电等，所以必须加以防护。

避雷针的作用：（1）当云块接近避雷针时，避雷针可以将因静电感应所带的电放入空气中与云中的电进行中和，变剧烈的放电为缓和的多次放电，减少雷击；（2）把雷电吸引到避雷针身上，使雷电流从避雷针导线中流入大地，避免损坏设备或建筑物。需要注意的是，要设法降低接地地阻以及保持避雷针与电气设备间要有足够的安全距离来防止反击事故。避雷针有独立式和构架式两种避雷针，独立避雷针主要使用在土壤电阻率大于1000？赘/m的区域或设备绝缘水平不高（如110kV以下的配电设备）的情况，因为独立式避雷针距离电气设备的距离比构架式避雷针远，不易发生电气设备的反击事故。

架设避雷线也是一种很有效的防雷装置。但是由于造价比较高，所以只有在60KV及以上的电力线路上才采用全线装设避雷线，而在35KV及以下的电力线路上一般只在进出变电所的一段线路（1～2Km段内）装设避雷线作为保护，避免该段线路遭受直接雷击。当前避雷线主要有两种布置形式：一种是避雷线的一端经配电装置构架接地，另一端经绝缘子串与建筑物绝缘；第二种是避雷线两端都接地形成一个架空地网。

装设避雷针、避雷线都需要计算过电压，我国标准推荐使用以下的公式校验独立避雷针、避雷线与被保护设备之间的空气距离Sa和地中距离Se：

Sa≥0.2Ri+0.1h Se≥0.3Ri （1）

（此式适用于避雷针；Ri为接地装置冲击电阻，h为避雷针的高度）

Sa≥0.2Ri+0.1（h+？驻l） Se≥0.3Ri （2）

Sa≥？茁'[0.2Ri+0.1（h+？驻l）] Se≥0.3？茁'Ri （3）

注：公式（2）、公式（3）适用于上述两种避雷线的布置形式，？茁'≈（l-？驻l+h）/（l+2h）；？驻l为雷击点至构架的距离。

对于非独立的比较复杂的避雷网络，则还需要计算各点的过电压并加以逐一校验。

1.1.2 變配电所接地网的作用与设计

变配电所接地网的主要作用是降低接地电阻，加强泄放雷击变配电所建筑物时产生的雷电流，为电气设备发生故障时产生的短路电流提供流散通道，改善变配电所地表电位的分布，为变配电所的电力设备提供良好的等电位系统，保证电力系统安全稳定的运行，以便能有效地保证设备和出运行人员的安全。

变配电所接地网的设计是否全面、合理关系到接地网是否能稳定安全的运行，设计参数决定了变配电所接地网的基本情况。因此在变配电所的地网设计中在变配电所接地网的设计中主要采用经验公式估算与数值计算相结合的方式来计算接地参数。同时变配电所地网的设计还可以因地制宜，根据变配电所所处位置的实际情况来进行综合设计，比如：如果变配电所附近有大型公共设施，可以与公共设施的地下钢结构相连接以便扩大接地网的接地面积，以此来减小接地电阻；如果变配电所所处位置的土壤电阻率比较大的话，还可以通过加垂直地极的方法以此来减小接地网的接地电阻。

1.2 侵入波过电压防护

由于铁路变配电所大多装设了避雷针、避雷线和接地装置，所以遭受直击雷的概率很小，因此雷电侵入波是变配电所的主要雷害。

1.2.1 防护措施

装设避雷器的主要作用是限制侵入波过电压的波幅，目前是防护变配电所雷电侵入波过电压的常用措施，避雷器的装设位置和防护距离在防雷标准中已经给出，而对于变配电所的防护接线，不管其电气主接线如何，要使整个主接线得到保护则需要保证每段可单独运行的母线上都装设一组避雷器。据统计，变配电所雷电侵入波过电压事故中由雷击变配电所1km以内线路引起的约有50%，由雷击3km以内线路引起的约有71%。这说明变配电所需要将保护范围延伸至1～2km的输电线路上，同时对变配电所外进线段线路加强防护，减小侵入波过电压。

影响雷电侵入波过电压高低的因素有：避雷器的保护特性、侵入波的陡度、与避雷器的距离、被保护设备的入口电压。避雷器的保护特性越高、侵入波越平缓，与避雷器的电气距离越短，入口电容越小，被保护设备上的侵入波过电压则越小。从它们之间的关系可以看出要降低被保护设备上的过电压就需要提高避雷器的保护特性。事实上，对变配电所被保护设备和侵入波过电压的影响因素之间关系的研究大多通过磁暂态计算程序EMTP进行仿真计算实现的。

1.2.2 GIS变配电所的侵入波防护

与常规变配电所相比，气体绝缘变配电所（Gas Insulated Substation简称：GIS）具有占地面积小，与周围环境隔绝、运行可靠、维护方便等优点而得到了广泛的应用。除了与常规变配电所的防雷保护具有共同的特点外，气体绝缘变配电所的过电压防护还具有以下特点：

（1）雷电冲击水平是决定GIS绝缘水平的重要因素。因此变配电所装设的避雷器伏秒特性、放电稳定性等这些技术指标一定要达到要求，通常变配电所架设的是保护性能比较优异的金属氧化物避雷器，比如氧化锌避雷器。（2）GIS的同轴母线的波阻抗（一般为60～100？赘）远低于架空线路的波阻抗（一般为370-410？赘）。从架空线侵入的过电压波经过折射，其陡度和幅值都小于入口处的侵入波，这样有利于GIS内部设备的防护。（3）GIS的结构紧凑，设备之间的电气距离小，避雷器与被保护设备之间的距离近，更有利于保护设备。（4）GIS内的绝缘一旦发生电晕将无法恢复原有的电气强度，甚至导致整个GIS系统的损坏，因此要求GIS内的绝缘裕度要足够大，过电压防护措施要更为可靠。

根据GIS以上的特点可以看出对于GIS的雷电过电压的防护避雷器的设置能起到关键的作用，一般来说，是通过在GIS入端和出端，或者在GIS内部装设避雷器来实现对GIS雷电过电压进行防护的。而避雷器的装设位置以及装设在不同位置的避雷器参数等，则需要根据GIS的实际情况进行仿真计算以便找到适合该站的最佳方案。

1.3 雷电二次效应防护

1.3.1 设计思路

对于铁路变配电所而言，除了直击雷、雷电侵入波过电压造成的雷害外，还有雷电在放电过程中由于地电流瞬态感应、大气静电瞬态感应、电磁脉冲辐射、束缚电荷的二次弧闪等原因而产生的二次效应。雷电二次效应虽然不会在短时间内释放巨大的能量，但是出现的概率比较高、防护相对困难，危害也比较大。为了防止雷电二次效应对电子设备造成的损坏，国际电工委员会IEC标准（《雷电电磁脉冲的防护》IEC 61312）和我国GB标准（《建筑物防雷设计规范》GB 50057-1994）中指出现代意义的防雷工作应该以建筑物为保护重点，发展到以电子信息系统为保护核心；强调综合治理、整体防御、分级泄流、层层防设的思路，将防雷看成是一个系统工程。

1.3.2 防护方式

在实际工作中，铁路变配电所二次系统主要采用以下防雷设计进行防护：

将变配电所的雷电保护区进行分级保护。变配电所外部是暴露区，暴露区是直接雷击区域，危险性最高，定为0区（LPZ0），变配电所内部所处的位置为非暴露区，可以定为1区（LPZ1）、2区（LPZ2）等，越往里则危险程度越低。在0区、1区、2区等各保护区间的钢筋混凝土、金属外壳形成等电位屏蔽层，当电气通道或金属管道穿过这些屏蔽層时，各级雷电保护区的金属构件必须与之相连接，从而将过电压降到设备能承受的水平。此外，进入变配电所内的各种电源进线、通信信号线以及天线馈线等应该在各雷电保护区交界处及其终端设备的前端加装不同类型的浪涌过压保护器（Surge Protection Device，SPD）。比如在高压变压器后端到二次低压设备的总配电盘间的电缆内芯线两端对地处加装保护器作一级防护，在二次低压设备的总配电盘到二次低压设备的配电箱间电缆内芯线两端对地处加保护器作二级防护，在变配电所所有精密重要设备和UPS的前端对地处加保护器作三级防护。加装浪涌过压保护器进行分级保护的主要目的是通过分流（限幅）技术将雷电过电压（脉冲）能量分流泄入大地，达到变配电所防护雷电二次效应的目的。此外，还可以采用加装屏蔽等方式对一些精密电子仪器进行特殊防护，以此来提高精密电子仪器抗击雷电的干扰能力。

2 结束语

铁路变配电所的雷电防护工作是一项系统工程，雷电的危害形式多样，并且随着科学技术的发展，还可能出现新的雷害形式，这就需要我们在变配电所的防雷工程设计中充分了解雷电的活动规律，遵循“整体防御、综合治理、多重保护”的方针，从变配电所的初期设计、选址、施工、运行等各个阶段进行全面综合考虑防雷措施，以此来减少雷击对铁路变配电所造成的危害，使系统能安全稳定的运行。

参考文献

[1]张纬钹，何金良，高玉明.过电压防护及绝缘配合[M].北京：清华大学出版社，2002.

[2]何金良.电磁兼容导论[M].北京：清华大学出版社，2005.

[3]陈贤彬，明哲.变配电所二次系统防雷保护初探[J].广东电力，2004，17（5）：15-18.

作者简介：甘超（1990-），男，上海人，中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，工学硕士，研究方向：输变电。