浅析牵引变电所电涌保护

(中铁第五勘察设计院集团有限公司电化通号设计处，北京 102600)

1 引言

近年来，随着铁路建设事业的跨越式发展，电气化铁路在国家铁路建设中的作用已越来越重要。虽然牵引变电所会在所内装设避雷针以防止直击雷的伤害，同时在进、出线装设氧化锌避雷器以防止雷电侵入波的感应雷过电压，然而各类雷击事件仍时有发生，不但造成大量一次设备烧毁，也造成了部分二次设备损坏，甚至可能引起综合自动化系统退出等事故，这对于牵引变电所的安全运行及供电的可靠性构成了严重威胁。因此，有必要深化研究雷电的入侵途径，提出防雷加强保护措施，减少雷击事故的发生。

2 雷电的分类及防雷的必要性

雷电是带有电荷的雷云之间或雷云对大地(或物体)之间产生急剧放电的一种自然现象，雷电导致铁路系统设备损坏的主要形式有直击雷和感应雷。直击雷是雷云直接对建筑物或其他物体放电，其过电压可引起强大的雷电流，雷电流流经电气设备产生极高的热量，可烧断变电所内导线，烧毁设备，甚至引起火灾或爆炸事故。感应雷可分为静电感应和电磁感应。静电感应是雷云接近地面时，在比较突出的建筑物顶端会被感应出大量的异性电荷，一旦雷云与其他异性雷云放电，建筑物顶端的感应电荷就失去束缚，以雷电波的形式高速传播。电磁感应是发生雷击后，雷电流在周围空间产生迅速变化的磁场，在附近的金属导体上就会感应出很高的电压。实际运营中，感应雷发生的机率常比直击雷高，其主要危害对象是变电所综自系统弱电设备。

目前，对于现代电气化铁路雷电防护，已逐步向综合防雷系统发展。综合防雷系统可对控制室内综自、视频以及通信网络设备的浪涌侵入进行全方位防护，有效防止雷电过电压给铁路牵引变电所二次系统造成的危害，保障人身和设备安全。综合防雷系统有内部防雷措施和外部防雷措施，在内部防雷措施中可采用安装电涌保护器的方法，同时对电涌保护器进行实时监视，以达到对雷电的有效防护，本文重点研究安装电涌保护器的防雷措施。

3 电涌保护器的原理及配置

3.1 电涌保护器的基本原理

电涌保护器(SPD)又称浪涌保护器，可用于保护耐压水平低的电子器件免遭雷击、雷击电磁脉冲或操作过电压损害的防护器件。在感应雷的防护中，电涌保护器(SPD)是不可缺少的装置，它能根据各种线路中出现的过电压过电流及时做出反应，把因雷击而产生的的大量脉冲能量泄放到大地，从而达到保护电气设备的目的。

图1 电涌保护器工作原理图

3.2 电涌保护器的分类

电涌保护器可分为电压开关型、限压型及组合型。电压开关型SPD：核心保护元件是各种开关型器件，在没有瞬时过电压时呈现高阻抗，一旦流过雷电瞬时过电压，其阻抗就突变为低阻抗，允许雷电流通过，从而有效保护了设备。限压型SPD：核心保护元件为各种非线性电阻性元件，当没有瞬时过电压时为高阻抗，但随电涌电流和电压的增加，其阻抗会不断减小，其电流电压特性为强烈非线性。组合型SPD：组合型SPD是前两者组合而成，两者既可并联也可串联，SPD可显示为两者兼有的特性或某一单独特性。

3.3 电涌保护器的配置

根据规定，对于牵引变电所二次系统电源回路电涌保护器建议按照如下要求进行配置：

(1) 在牵引变电所交流配电屏进线入口处安装具有相对地、中对地保护模式的第一级(开关型或限压型)电涌保护器；

(2) 在室外照明回路配电箱及接触网隔离开关交流出线处装设相对地、中对地保护模式的第一级电涌保护器；

(3) 在充电模块电源入口、综合自动化系统交流电源入口、安全监控屏交流电源入口、接触网隔离开关控制屏交流电源入口安装一组具有相对地、中对地保护模式的第二级电涌保护器；

(4) 在直流屏的直流母线(合母、控母)安装一组具有正负极间、正负极对地保护模式的第一级直流电涌保护器，正负极对地保护应采用压敏电阻串联气体放电管模式；

(5) 在综合自动化系统直流电源入口安装一组具有正负极间、正负极对地保护模式的第二级直流电涌保护器。

各级电涌保护器(SPD)配置见表1。

表1 牵引变电所电源回路各级SPD配置要求

3.4 电涌保护器的安装

(1) 电涌保护器的连接导线应短直，其长度不宜超过0.5m，并固定牢靠，电涌保护器的接地端应以最短距离与所处防雷区的等电位接地端子板连接。

(2) 电涌保护器的连接导线最小截面一般应符合表2。

表2

(3)目前鉴于现场分散安装SPD的数量较多，且受空间和布局影响，不便于对所有SPD的运行状态进行实时监测，也可设置一面综合防雷屏，将SPD采用集中布置方式，进行集中监控。

4 工程实例

例1：某一牵引变电所控制室内安装了感温感烟探测器、碎窗探测器、温湿探测器、水浸探测器等各类监控设备，监控设备均由控制室内的安全监控屏进行集中监控，为保障所内安全监控系统免受雷电过电压的危害，在安全监控屏与室外监控线间就需加装电涌保护器。

例2：某牵引变电所交流一次系统中，所用变低压侧至交流屏的三根相线，在交流配电屏进线入口处安装具有相对地、中对地保护模式的第一级(开关型或限压型)电涌保护器。

图2

图3

5 结束语

由于雷电会对电气化铁路的安全可靠运行造成极为不利的影响，因此我们必须要重视对雷电的有效监控与防护。对于现代电气化铁路进行雷电防护仅依靠装设避雷针、避雷器已不能达到对雷电的良好防护作用，还要充分考虑对浪涌电压的防护，从而更有效的保护牵引变电所二次系统免受雷击。并且可结合工程实际，考虑设置综合防雷屏，将电涌保护器采用集中布置方式，进行集中监控。