摘 要：鐵路變配電所的防雷是一個(gè)綜合的系統(tǒng)工程，文章通過(guò)對(duì)鐵路變配電所可能遭受的雷電危害的分析以及相應(yīng)的雷害防護(hù)措施進(jìn)行分析研究，以期達(dá)到減輕雷擊對(duì)鐵路變配電所危害的目的。

關(guān)鍵詞：鐵路變配電所；雷害；防雷技術(shù)

鐵路變配電所作為鐵路電力供應(yīng)的樞紐集中了多種高壓電氣設(shè)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(yùn)營(yíng)。而雷擊事故對(duì)鐵路變配電所影響最大，雷擊不但對(duì)電氣設(shè)備造成損害，而且會(huì)因此導(dǎo)致鐵路供電中斷，影響鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性。因此，為了確保鐵路的安全運(yùn)輸、正常運(yùn)營(yíng)，必須不斷提高鐵路變配電所防雷技術(shù)水平。

1 變配電所的雷電防護(hù)

雷電是由雷云（帶電的云層）對(duì)地面建筑物及大地自然放電引起的一種放電現(xiàn)象，雷電會(huì)對(duì)建筑物或其他設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞。通常情況下，從雷害發(fā)生的途徑上來(lái)講，鐵路變配電所的雷害主要分為三種：直擊雷、雷電過(guò)電壓波沿輸電線路侵入和雷擊在所內(nèi)設(shè)備上感應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)電壓。

1.1 直擊雷防護(hù)

1.1.1 防護(hù)措施

如果雷電直接擊中變配電所的電力設(shè)備，在強(qiáng)大的雷電流作用下，會(huì)在該電力設(shè)備上產(chǎn)生較高的直擊雷過(guò)電壓，在此過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的熱能以及強(qiáng)大的電動(dòng)力，強(qiáng)大的熱能會(huì)使金屬熔化，燒斷輸電導(dǎo)線，摧毀用電設(shè)備，甚至引起火災(zāi)或爆炸；強(qiáng)大的電動(dòng)力會(huì)擊毀桿塔，破壞建筑物，此外還伴隨有電磁效應(yīng)以及對(duì)附近物體的閃絡(luò)放電，引起絕緣子燒壞，斷路器跳閘等問(wèn)題，導(dǎo)致供電線路大面積停電等，所以必須加以防護(hù)。

避雷針的作用：（1）當(dāng)云塊接近避雷針時(shí)，避雷針可以將因靜電感應(yīng)所帶的電放入空氣中與云中的電進(jìn)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(dǎo)線中流入大地，避免損壞設(shè)備或建筑物。需要注意的是，要設(shè)法降低接地地阻以及保持避雷針與電氣設(shè)備間要有足夠的安全距離來(lái)防止反擊事故。避雷針有獨(dú)立式和構(gòu)架式兩種避雷針，獨(dú)立避雷針主要使用在土壤電阻率大于1000？贅/m的區(qū)域或設(shè)備絕緣水平不高（如110kV以下的配電設(shè)備）的情況，因?yàn)楠?dú)立式避雷針距離電氣設(shè)備的距離比構(gòu)架式避雷針遠(yuǎn)，不易發(fā)生電氣設(shè)備的反擊事故。

架設(shè)避雷線也是一種很有效的防雷裝置。但是由于造價(jià)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(shè)避雷線，而在35KV及以下的電力線路上一般只在進(jìn)出變電所的一段線路（1～2Km段內(nèi)）裝設(shè)避雷線作為保護(hù)，避免該段線路遭受直接雷擊。當(dāng)前避雷線主要有兩種布置形式：一種是避雷線的一端經(jīng)配電裝置構(gòu)架接地，另一端經(jīng)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(gè)架空地網(wǎng)。

裝設(shè)避雷針、避雷線都需要計(jì)算過(guò)電壓，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)推薦使用以下的公式校驗(yàn)獨(dú)立避雷針、避雷線與被保護(hù)設(shè)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(diǎn)至構(gòu)架的距離。

對(duì)于非獨(dú)立的比較復(fù)雜的避雷網(wǎng)絡(luò)，則還需要計(jì)算各點(diǎn)的過(guò)電壓并加以逐一校驗(yàn)。

1.1.2 變配電所接地網(wǎng)的作用與設(shè)計(jì)

變配電所接地網(wǎng)的主要作用是降低接地電阻，加強(qiáng)泄放雷擊變配電所建筑物時(shí)產(chǎn)生的雷電流，為電氣設(shè)備發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)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(shè)備提供良好的等電位系統(tǒng)，保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行，以便能有效地保證設(shè)備和出運(yùn)行人員的安全。

變配電所接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)是否全面、合理關(guān)系到接地網(wǎng)是否能穩(wěn)定安全的運(yùn)行，設(shè)計(jì)參數(shù)決定了變配電所接地網(wǎng)的基本情況。因此在變配電所的地網(wǎng)設(shè)計(jì)中在變配電所接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)中主要采用經(jīng)驗(yàn)公式估算與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方式來(lái)計(jì)算接地參數(shù)。同時(shí)變配電所地網(wǎng)的設(shè)計(jì)還可以因地制宜，根據(jù)變配電所所處位置的實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，比如：如果變配電所附近有大型公共設(shè)施，可以與公共設(shè)施的地下鋼結(jié)構(gòu)相連接以便擴(kuò)大接地網(wǎng)的接地面積，以此來(lái)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(guò)加垂直地極的方法以此來(lái)減小接地網(wǎng)的接地電阻。

1.2 侵入波過(guò)電壓防護(hù)

由于鐵路變配電所大多裝設(shè)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(hù)措施

裝設(shè)避雷器的主要作用是限制侵入波過(guò)電壓的波幅，目前是防護(hù)變配電所雷電侵入波過(guò)電壓的常用措施，避雷器的裝設(shè)位置和防護(hù)距離在防雷標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)給出，而對(duì)于變配電所的防護(hù)接線，不管其電氣主接線如何，要使整個(gè)主接線得到保護(hù)則需要保證每段可單獨(dú)運(yùn)行的母線上都裝設(shè)一組避雷器。據(jù)統(tǒng)計(jì)，變配電所雷電侵入波過(guò)電壓事故中由雷擊變配電所1km以內(nèi)線路引起的約有50%，由雷擊3km以內(nèi)線路引起的約有71%。這說(shuō)明變配電所需要將保護(hù)范圍延伸至1～2km的輸電線路上，同時(shí)對(duì)變配電所外進(jìn)線段線路加強(qiáng)防護(hù)，減小侵入波過(guò)電壓。

影響雷電侵入波過(guò)電壓高低的因素有：避雷器的保護(hù)特性、侵入波的陡度、與避雷器的距離、被保護(hù)設(shè)備的入口電壓。避雷器的保護(hù)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(hù)設(shè)備上的侵入波過(guò)電壓則越小。從它們之間的關(guān)系可以看出要降低被保護(hù)設(shè)備上的過(guò)電壓就需要提高避雷器的保護(hù)特性。事實(shí)上，對(duì)變配電所被保護(hù)設(shè)備和侵入波過(guò)電壓的影響因素之間關(guān)系的研究大多通過(guò)磁暫態(tài)計(jì)算程序EMTP進(jìn)行仿真計(jì)算實(shí)現(xiàn)的。

1.2.2 GIS變配電所的侵入波防護(hù)

與常規(guī)變配電所相比，氣體絕緣變配電所（Gas Insulated Substation簡(jiǎn)稱：GIS）具有占地面積小，與周圍環(huán)境隔絕、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。除了與常規(guī)變配電所的防雷保護(hù)具有共同的特點(diǎn)外，氣體絕緣變配電所的過(guò)電壓防護(hù)還具有以下特點(diǎn)：

（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(shè)的避雷器伏秒特性、放電穩(wěn)定性等這些技術(shù)指標(biāo)一定要達(dá)到要求，通常變配電所架設(shè)的是保護(hù)性能比較優(yōu)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(yuǎn)低于架空線路的波阻抗（一般為370-410？贅）。從架空線侵入的過(guò)電壓波經(jīng)過(guò)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(nèi)部設(shè)備的防護(hù)。（3）GIS的結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)備之間的電氣距離小，避雷器與被保護(hù)設(shè)備之間的距離近，更有利于保護(hù)設(shè)備。（4）GIS內(nèi)的絕緣一旦發(fā)生電暈將無(wú)法恢復(fù)原有的電氣強(qiáng)度，甚至導(dǎo)致整個(gè)GIS系統(tǒng)的損壞，因此要求GIS內(nèi)的絕緣裕度要足夠大，過(guò)電壓防護(hù)措施要更為可靠。

根據(jù)GIS以上的特點(diǎn)可以看出對(duì)于GIS的雷電過(guò)電壓的防護(hù)避雷器的設(shè)置能起到關(guān)鍵的作用，一般來(lái)說(shuō)，是通過(guò)在GIS入端和出端，或者在GIS內(nèi)部裝設(shè)避雷器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)GIS雷電過(guò)電壓進(jìn)行防護(hù)的。而避雷器的裝設(shè)位置以及裝設(shè)在不同位置的避雷器參數(shù)等，則需要根據(jù)GIS的實(shí)際情況進(jìn)行仿真計(jì)算以便找到適合該站的最佳方案。

1.3 雷電二次效應(yīng)防護(hù)

1.3.1 設(shè)計(jì)思路

對(duì)于鐵路變配電所而言，除了直擊雷、雷電侵入波過(guò)電壓造成的雷害外，還有雷電在放電過(guò)程中由于地電流瞬態(tài)感應(yīng)、大氣靜電瞬態(tài)感應(yīng)、電磁脈沖輻射、束縛電荷的二次弧閃等原因而產(chǎn)生的二次效應(yīng)。雷電二次效應(yīng)雖然不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)釋放巨大的能量，但是出現(xiàn)的概率比較高、防護(hù)相對(duì)困難，危害也比較大。為了防止雷電二次效應(yīng)對(duì)電子設(shè)備造成的損壞，國(guó)際電工委員會(huì)IEC標(biāo)準(zhǔn)（《雷電電磁脈沖的防護(hù)》IEC 61312）和我國(guó)GB標(biāo)準(zhǔn)（《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50057-1994）中指出現(xiàn)代意義的防雷工作應(yīng)該以建筑物為保護(hù)重點(diǎn)，發(fā)展到以電子信息系統(tǒng)為保護(hù)核心；強(qiáng)調(diào)綜合治理、整體防御、分級(jí)泄流、層層防設(shè)的思路，將防雷看成是一個(gè)系統(tǒng)工程。

1.3.2 防護(hù)方式

在實(shí)際工作中，鐵路變配電所二次系統(tǒng)主要采用以下防雷設(shè)計(jì)進(jìn)行防護(hù)：

將變配電所的雷電保護(hù)區(qū)進(jìn)行分級(jí)保護(hù)。變配電所外部是暴露區(qū)，暴露區(qū)是直接雷擊區(qū)域，危險(xiǎn)性最高，定為0區(qū)（LPZ0），變配電所內(nèi)部所處的位置為非暴露區(qū)，可以定為1區(qū)（LPZ1）、2區(qū)（LPZ2）等，越往里則危險(xiǎn)程度越低。在0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)等各保護(hù)區(qū)間的鋼筋混凝土、金屬外殼形成等電位屏蔽層，當(dāng)電氣通道或金屬管道穿過(guò)這些屏蔽層時(shí)，各級(jí)雷電保護(hù)區(qū)的金屬構(gòu)件必須與之相連接，從而將過(guò)電壓降到設(shè)備能承受的水平。此外，進(jìn)入變配電所內(nèi)的各種電源進(jìn)線、通信信號(hào)線以及天線饋線等應(yīng)該在各雷電保護(hù)區(qū)交界處及其終端設(shè)備的前端加裝不同類型的浪涌過(guò)壓保護(hù)器（Surge Protection Device，SPD）。比如在高壓變壓器后端到二次低壓設(shè)備的總配電盤(pán)間的電纜內(nèi)芯線兩端對(duì)地處加裝保護(hù)器作一級(jí)防護(hù)，在二次低壓設(shè)備的總配電盤(pán)到二次低壓設(shè)備的配電箱間電纜內(nèi)芯線兩端對(duì)地處加保護(hù)器作二級(jí)防護(hù)，在變配電所所有精密重要設(shè)備和UPS的前端對(duì)地處加保護(hù)器作三級(jí)防護(hù)。加裝浪涌過(guò)壓保護(hù)器進(jìn)行分級(jí)保護(hù)的主要目的是通過(guò)分流（限幅）技術(shù)將雷電過(guò)電壓（脈沖）能量分流泄入大地，達(dá)到變配電所防護(hù)雷電二次效應(yīng)的目的。此外，還可以采用加裝屏蔽等方式對(duì)一些精密電子儀器進(jìn)行特殊防護(hù)，以此來(lái)提高精密電子儀器抗擊雷電的干擾能力。

2 結(jié)束語(yǔ)

鐵路變配電所的雷電防護(hù)工作是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，雷電的危害形式多樣，并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，還可能出現(xiàn)新的雷害形式，這就需要我們?cè)谧兣潆娝姆览坠こ淘O(shè)計(jì)中充分了解雷電的活動(dòng)規(guī)律，遵循“整體防御、綜合治理、多重保護(hù)”的方針，從變配電所的初期設(shè)計(jì)、選址、施工、運(yùn)行等各個(gè)階段進(jìn)行全面綜合考慮防雷措施，以此來(lái)減少雷擊對(duì)鐵路變配電所造成的危害，使系統(tǒng)能安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

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[3]陳賢彬，明哲.變配電所二次系統(tǒng)防雷保護(hù)初探[J].廣東電力，2004，17（5）：15-18.

作者簡(jiǎn)介：甘超（1990-），男，上海人，中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，工學(xué)碩士，研究方向：輸變電。