電氣化鐵路變電所遭受雷擊的危害及防雷措施

竇義乾

（中鐵十二局集團電氣化工程有限公司，天津 300308）

1 目前電氣化鐵路變電所的一般防雷措施

目前，我國電氣化鐵路變電所在接地、防雷和過電壓方面已形成較為成熟的一套設計和施工標準。接地裝置由水平地網與垂直接地極組成復合式地網，水平接地網為網格布置。除了在避雷針（線）和避雷器需加強分流處裝設垂直接地極外，在接地網周邊和水平接地帶交叉點設置垂直接地極，與水平接地網連接，在變電所地下形成類似半球型的三維立體散流接地網。變電所和接觸網不同位置的接地電阻值都有明確的規范要求。最常見的變電所架設多個獨立避雷針，防護范圍完全覆蓋整個變電所，有效實現戶外設備的雷電防護。牽引變電所220 kV或110kV進線側、牽引變壓器27.5 kV進線側和饋線側，分區所和AT所的進線側和饋線側，10kV所用變壓器進線側都設置避雷器。接觸網供電線和接觸線均架設避雷線[1]，防止雷電侵入變電所一次電氣化設備。

在變電所二次設備方面，變電所交直流系統的進線和母線、室外照明回路、接觸網隔離開關的二次控制回路、綜合自動化系統，由交直流屏引入控制系統端子排電纜連接處。控制回路和信號回路電源端子排連接處，與一次設備存在電纜聯系的二次系統端子排連接處，GPS天線引入綜合自動化系統接口處，與遠程通信接口處，都設有浪涌保護器[2]。這些防雷措施目前已較為完善，為電氣化鐵路設備提供了常規的防雷保護。

2 電氣化鐵路遭受雷擊的危害

目前，雖然電氣化鐵路已具備較為完善的防雷措施，但由于雷電活動極其復雜，沖擊電流較大、能量釋放時間極短、雷電流變化梯度較大、沖擊電壓較高，即使沒有遭受直擊雷的沖擊，雷電活動產生的強大電流形成的交變磁場，其感應電壓也足以造成設備故障。現有的電氣化設備器械很難短時間消耗雷電攜帶的巨大能量，避雷器也只能承受并排放掉較弱的雷電沖擊或者較弱的雷電感應電壓，加之鐵路牽引變電所和鐵路線的特殊運行工況，近年來電氣化鐵路變電所發生了多起雷擊事故，損毀牽引變電所設備，造成多班次列車延誤甚至停運，給鐵路運輸秩序造成了一定影響，直接經濟損失高達上千萬元。

由于雷電活動的劇烈性和無規律性，目前沒有任何設備可以承受強雷電直擊的能量，微弱的雷電感應也是電氣化設備故障頻發的主要因素。面對雷電蘊含無比強大的能量，面對雷電發生時間和地區的隨機性，人類顯得無能為力，只有盡可能降低自然災害帶來的危害。具體地，可以從電氣設備本身著手，從各個電氣設備連接通道思考，研究如何降低雷電造成的損失，探索如何阻斷雷電對設備造成大面積損傷，將雷電造成損失降到最低，以期為電氣化鐵路的正常運營和人民的生命財產安全提供更多保障。

值得重視的是，電氣設備本身之間的電氣連接給雷電侵襲提供了通道，是造成設備大面積故障甚至燒損的一個因素。因此，就如何阻斷強雷電入侵變電所電氣設備，提出了以下幾點防雷措施。

3 增強電氣化鐵路變電所防雷能力的措施

電氣化鐵路變電所防強電侵入技術優化方案按以下原則，從接地、屏蔽、均壓和限幅隔離等多方面綜合采取措施。（1）防止強雷電流通過一次系統侵入牽引變電所；（2）減少因雷擊接觸網隔離開關，損壞接觸網開關控制裝置；（3）防止因強電侵入損壞牽引變電所綜合自動化系統；（4）防止因損壞牽引變電所部分保護裝置后，使整所保護失效；（5）防止因損壞牽引變電所綜合自動化系統后變電所綜合自動化系統保護失效，引起一次設備燒損的次生災害。

3.1 牽引供電設計

進行牽引供電設計時，充分結合周邊地形地貌和當地氣象條件，特別是歷年的雷電活動統計數據，確認該地區雷電活動強度等級，選擇變電所合適的地理位置，提高相應的防雷設計標準。

3.2 加強電氣化鐵路變電所控制室二次設備抗雷電入侵防護能力

基于現行相關設計標準，需加強電氣化鐵路變電所控制室二次設備抗雷電入侵防護能力。結合牽引變電所特點和雷電防護分區的原則，對牽引變電所二次回路加裝電涌保護器，通過分級泄放，將雷擊能量逐步泄放到大地。為監視安裝的電涌保護器的工作狀態，可根據實際情況配各帶有聲光報警或遙信報警等輔助功能的電涌保護器。加強所內所外電氣隔離措施，避免雷電侵入二次系統而出現全所控制保護失效的嚴重后果。

3.3 牽引變電所附近供電線架設避雷線

為限制牽引變電所饋線流經過避雷器的雷電流幅值和入侵波的陡度，平均年雷暴日大于40天的地區，需在牽引變電所饋線供電線一定范圍內架設避雷線，實現進線段保護，且避雷線兼做成排支柱集中接地線用。

避雷線的架設范圍為牽引變電所饋線供電線（最長一般不超1km），安裝方式采用增高肩架柱頂安裝，通過接地引下線將避雷線與接地極相連，接地電阻不大于10Ω。變電所饋線供電線的避雷線不得直接和所內配電裝置架構相連，避雷線的接地裝置應與牽引變電所的主接地網相連。連接線采用裸導線，埋在地中的直線長度不應小于15 m。

3.4 非接觸網合架單獨供電線支柱接地方案

為減小變電所近點接地短路過渡電阻，提高變電所饋線保護裝置動作的可靠性，降低短路工頻續流侵入變電所二次系統風險，牽引變電所饋線出口非接觸網合架單獨供電線支柱應做好接地。每根支柱設獨立接地極，接地電阻不大于30 Ω。成排具備架設集中接地線條件的，應架設集中接地線，架空集中接地線或者零散供電線支柱接地極都應保證至少和接觸網回流線、綜合接地貫通地線、牽引變電所主接地網三者之一可靠相連，構成可靠短路電流回流徑路。安裝有電動隔離開關機構的供電線或接觸網支柱不得架設避雷線或架空地線。

3.5 增加隔離防護措施或就近引接獨立電源

接觸網線路隔離開關操作機構箱內電源不直接引自牽引變電所內交流屏，需增加隔離防護措施或就近引接獨立電源。

3.6 優化牽引變電所所外隔離開關控制方式

將隔離開關的控制線纜由電纜改為光纜，光纜加強芯在設備端增加絕緣節[3]，阻斷戶外隔離開關和戶內二次設備的電氣聯系通道。

3.7 電氣化鐵路變電所二次系統防強電侵入技術優化方案

3.7.1 綜合自動化系統直流電源供電回路的優化方案

將目前牽引變電所綜合自動化系統直流電源經過總開關后接至控制小母線方式，優化為分支或分組供電方式。分組數可根掘具體情況確定，但至少保證2組以上，即主變壓器保護和饋線保護各1組，如圖1所示。

3.7.2 設置直流電源失電后的應急保護裝置

牽引變電所增設獨立的應急保護裝置。應急保護裝置宜用獨立電源，采集綜合自動化裝置控制回路電源監視接點信號。當綜自重要回路失電時，驅動牽引變電所進線高壓側斷路器跳閘，如圖2所示。

圖1 改進接線型式

圖2 牽引變電所應急保護裝置

3.8 接觸網隔離開關控制技術優化方案

3.8.1 接觸網隔離開關的控制采用獨立控制盤控制

牽引變電所遠程監控的外接觸網隔離開關全部采用獨立控制盤控制，不應采用綜自保護模塊控制。

3.8.2 接觸網隔離開關交流電源回路設置防雷隔離措施

從交流屏引出的接觸網隔離開關操作電源回路宜在所內設置隔離變壓器，再由隔離變壓器饋出至接觸網隔離開關，隔離變壓器兩側均不接地。

隔高變壓器采用單相變壓器，宜具有檔位調節功能。容量按考慮接觸網隔離開關操作機構的用電容量。