鐵路牽引變電所現代防雷設計理念與應用方案

周 瑤

鐵路牽引變電所現代防雷設計理念與應用方案

周 瑤

基于現代防雷理論的技術原則，通過對變電所等建筑物雷電的入侵途徑與機理研究，探討并提出了典型的牽引變電所防雷設計方案。理論和實踐均證明，通過分區(qū)分級等電位連接、與合理的設備接地方式、傳統(tǒng)的防雷設備應用相結合的技術原則，系目前最好的系統(tǒng)解決方案，且具備良好的工程可實施性。

牽引變電所；防雷；分區(qū)；等電位

0 引言

雷電所引起的大氣過電壓將會對電氣設備和變電站的建筑物產生嚴重的危害，因此，在變電所和高/低壓輸電線路中，必須采取有效的防雷措施，以保證電氣設備的安全。隨著越來越多的微電子設備在工業(yè)大電網的變電站和鐵路牽引變電所中推廣應用，受雷電沖擊而損壞的事故發(fā)生率亦大幅上升，即使在新建的高等級鐵路中，雷電引起的牽引變電所弱電設備故障仍時有發(fā)生。這也說明，單靠傳統(tǒng)的避雷針、避雷帶等外部避雷設施已不足以防護雷電過電壓對微電子設備的沖擊，深化研究雷電的入侵途徑，采用現代防雷設計理念重新審視傳統(tǒng)的防雷設計方案十分必要。

1 變電所等建筑物雷電的入侵途徑與機理

雷害發(fā)生時，在雷電未擊穿大氣時，將呈現出高壓電場形式。電力線上的交變磁場對雷云的吸引小于大地的靜電吸引，雷擊高壓電場向大地方向運動。如果雷云擊穿供電線或電力架空線對地空氣距離入地，首先擊在電力線上，并從電力線的負載保護地線入地釋放，一般電子設備包括25 kV的中壓設備耐壓遠遠不夠，因而導致設備被擊穿。所以，防雷方案需首先考慮遠點雷擊導致沿電力線入侵變電所的途徑[1]，牽引變電所通常采取的措施是設置進口端避雷器或抗雷圈、避雷線，實用效果較好。

當發(fā)生雷電近點襲擊時，將帶來雷電電磁脈沖的保護問題。通常認為避雷針范圍內的電氣設備是安全的，即使偶爾防護失效也是范圍失效導致的小概率事件，其實不然?，F代雷電科學規(guī)律研究表明，雷電流具有高頻特征，避雷器引下線的線路電感作用不應被忽視。根據IEC61312[2]的定義，避雷器引下線最多只能將50%的電流引入大地。對于避雷針或避雷線直接構筑在建筑物上的情況，其建筑物內的變電所、配電所房屋，余下的雷電流將部分通過建筑物金屬構件如電力線屏蔽槽、水管、暖氣管、金屬門窗等與大地有連接的金屬物質分流，更有可能多達總電流的25%在建筑物內流竄至輸入輸出負載的電源線、控制信號電纜、局域網線等，擊穿用電設備最終由邏輯地線處下泄入地[2]。同時，根據電學基本原理，磁場與電場之間是相互共存可逆變化的。對于通常避雷針單獨設置但位于在建筑物如變電所房屋鄰近的情況，因為雷電流無法100%瞬間入地，除了產生雷電作用下的二次效應—雷電高壓反擊外，還可能產生二次高壓電場、交變磁場。特別是，雷電直接擊中避雷針或附近其他建筑物或地點時的過程中，其自上而下產生的變化旋轉快速運動磁場都可能在附近較長的金屬導體上（包括避雷針保護范圍內的導體如母線、高壓進出饋線或控制電纜等金屬物）感應出足夠高的電壓并沿線路傳輸擊毀設備，該感應雷電流雖然強度比直接雷擊強度大為降低，對高中壓設備絕緣已經危害不大但仍足以引起脆弱的低壓或弱電設備絕緣破壞。以往，對這種感應雷的危害認識不足，對臨近的雷電流入地過程引起的高壓電場、交變磁場帶來的危害和入侵途徑及原因認識不清，這正是導致現代防雷設計與傳統(tǒng)的防雷設計系統(tǒng)理念差異原因所在。理論與實踐都證明，既有的變電站傳統(tǒng)意義上的防雷措施對電子設備的防護效果并不理想，必須在原防雷設計方法上進一步加強防范措施。只有堵死一切雷電導入的端口，包括從空間交變磁場的感應入口，才能有效保護設備免受雷電的侵害。

2 現代防雷設計的技術原則與強制性要求

現代防雷理念和可行的技術措施已在IEC國際電工委員會的有關防雷技術標準中加以定義和說明，如IEC61024-1《建筑物防雷》和IEC61312-1《雷電電磁脈沖的防護通則》標準[2]中，概括了防雷分區(qū)和等電位連接的現代防雷技術核心理念，并要求根據不同區(qū)域雷擊的特點、被防護設施的需求歸算電場脈沖強度與發(fā)生概率，合理設計、劃分多極防雷區(qū)域。我國主要的防雷設計規(guī)范GB50057-2010《建筑物防雷設計規(guī)范》[3]、GB50343-2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》[4]，近年來也據此進行了重新修訂，基本等效地采用了國際標準。實踐證明，這種現代防雷理念所倡導的分區(qū)分級等電位連接、與合理的設備接地方式、防雷設備應用相結合的技術原則是目前最好的系統(tǒng)技術解決方案并具備良好的可實施性。軌道交通牽引變電所的防雷設計有待更新設計理念，深化防雷系統(tǒng)設計研究，滿足國家強制性規(guī)范的安全防護要求。美國研究報告[AD-722675]指出：當磁感應強度B = 0.07 Gs時，無屏蔽的計算機會發(fā)生誤動作，當磁感應強度B = 2.4 Gs時，無屏蔽的計算機就會永久性損壞。由此：作為同樣大量應用計算機技術和自動化控制設備的鐵路牽引變電所和三相電網變電站，GB50343-2012防雷技術規(guī)范完全適用。需要而是設計、國家強制性外的等電位等詳細實施說明的是，GB50343-2012并不僅僅是設計規(guī)范，施工和設施運用管理部門均需要遵循的規(guī)范，其中，已經對分區(qū)之間和分區(qū)內、連接和設備接地方式、防雷連接線規(guī)格要求給出了具體而明確的規(guī)定。

3 牽引變電所的防雷設計方案

防雷保護設計工作不是簡單的避雷設施的安裝，原理上，防雷與接地密切相關。防雷保護的技術措施可歸結為分流、屏蔽、等電位連接、接地、過電壓保護等5大類。牽引變電所的防雷設計研究應當結合本身的系統(tǒng)工作要求和內部構造，重點解決防雷區(qū)域科學劃分和分區(qū)定義的問題，分層、分區(qū)的綜合采用與接閃器等避雷設施應用相結合的防雷保護5類技術措施。

3.1 防雷分區(qū)的劃分

按照一般的功能性定義，牽引變電所類屬于GB50057定義的第二類防雷建筑物。通常，牽引變電所的電源來自于高壓110 kV等級以上的大工業(yè)電網并變壓后饋出27.5 kV的中壓給接觸網，牽引變電所的高、中壓設備通常均置于戶外；無論預計雷擊次數和土壤電阻率ρ 值如何，目前的標準設計均要求變電所附近設置避雷針或避雷線，二次控制設備傳統(tǒng)上設置在變電所房屋內或箱體內，并已基本采用以綜合自動化系統(tǒng)為主的微電子設備。因此，對于當前應用的標準鐵路牽引變電所，參照如表1的IEC的分區(qū)定義[4]，其附近設置避雷針或避雷線防護范圍內外可以對應理解為LPZ0A與LPZ0B區(qū)分界，同理，因為設計正確的變電所鋼筋混凝土房屋建筑物或獨立的金屬箱體具有天然的電磁屏蔽衰減作用，當可被利用作為防雷分區(qū)的自然分界即成為LPZ0B與LPZ1的分界，分區(qū)防護的研究可以此為重點建立空間防護的第一屏障，在這里將雷電入侵渠道全部“切斷”。根據鐵路牽引供電控制設備的電磁敏感度，依據需要，在戶內或箱體內還可以進一步設置具備衰減空間感應干擾和進線等電位防護的LPZ2、3、..n分區(qū)，比如充分利用戶內的“二次控制室”和設備箱體作為明確的定義分區(qū)。以上僅僅是針對現有標準變電所的結構特點進行的簡要分析，科學的分區(qū)劃分，需要具體結合每一個工程的雷電環(huán)境和區(qū)域性的發(fā)生概率進行差異化設計和評估。

表1 IEC標準定義的防雷分區(qū)與說明[4]一覽表

3.2 加強分區(qū)內外的進線防護措施

牽引變電所的接地有別于一般的三相電網變電站，鋼軌和牽引回流作為牽引網工作回路一部分，它并不是完全的直接接地[3]，因此還需要注意防雷設施的接地、主接地系統(tǒng)（大地零電位）和牽引回流接地之間的絕緣配合關系。在雷害較為嚴重的地區(qū)，牽引變電所，與高壓電源進線和接觸網供電饋出線之間，均有必要設置必要的進線段防護。

對于各分區(qū)之間的各種架空或電纜進出線包括電源進出饋線、控制信號電纜或自用電電源等，應靈活采用多種雷電入侵渠道的防護措施。雷害嚴重地區(qū)，應盡量采用電纜進出線?？紤]到鐵路牽引供電對運輸組織和社會影響的重要程度，而且所采取的加強技術措施代價很小，建議比照GB50343定義的第一類建筑物的標準實施跨區(qū)進線段的防護措施。如，低壓電源或控制電纜線路全部采用埋地電纜或應改換一段埋地金屬錯裝電纜或護套電纜，穿鋼管直接埋地引入戶內并在跨界分區(qū)處作低阻等電位連接，其埋地長度應符合GB50343規(guī)范（4.2.3）表達式L≥2√ρ的要求（且電纜埋地長度L不應小于15 m）。站在防雷的角度考慮，在重雷區(qū)，最好高、中壓亦采用電纜方式入戶。相對直埋方式的良好防雷效果，對目前較多采用的半絕緣混凝土電纜溝敷設電纜的入戶方式值得反思和檢討。對于鐵路變電所、開閉所，通常地處相當平坦寬闊的地理環(huán)境，處于LPZ0a區(qū)的接閃器，其接地有條件時宜與變電站的低阻大型接地系統(tǒng)相對獨立。對有構成牽引回路或故障跳閘保護通道的系統(tǒng)設計需求，可比照跨區(qū)線纜的等電位連接方式，以地埋導體的方式實現低阻等電位基礎上的相互導通[5]。

相對于電纜入土直埋后入戶的經濟安全模式，SPD通?？芍蛔鳛樵O備自身的防浪涌保護裝置而不宜簡單地當作系統(tǒng)設計或防雷工程的主要措施，因為除了進入戶內或箱內的電纜數量極多導致總造價較高以外，該方式通常只能適合于電源線路而無法解決沿著控制信號電纜傳導的雷電入侵問題。對在交直流電源柜或操作開關箱體內等重要設備處采用的SPD，根據經驗，其容量選取需足夠大。

4 結語

在今后的防雷設計、施工過程中，應按照現代防雷設計思想，重新審視并加強電子信息系統(tǒng)的空間磁場脈沖防護，深化合理的防護分區(qū)劃分研究。

牽引變電所和開閉所等鐵路供電設備，系統(tǒng)的綜合雷電防護主要技術措施，可按重要性和優(yōu)先順序采用措施，即建立合理的空間布局及屏蔽分區(qū)、合理的綜合布線、正確的等電位連接和重要設備電涌保護器等綜合防護措施。應特別強調做好防護分區(qū)的建設和穿越雷電防護區(qū)交界處的跨區(qū)低阻等電位連接，對照防雷設計規(guī)范的強制性要求，在具體工程設計中采用有效的系統(tǒng)設計方案，有已建成并安全運行著的廣深港客專、海南東環(huán)線等雷害嚴重地區(qū)的高鐵工程成功案例可供借鑒。

[1] 徐祝勤.菲尼克斯AEC技術及應用[J]. 電工技術雜志，2003，（6）.

[2] 國際電工委員會TC81,中國國家標準化管理委員會. GB/T19271.1-2003/IEC61312-1:1995-02雷電電磁脈沖的防護通則[S]. 北京：中國標準出版社，2003.

[3] 中國機械工業(yè)聯(lián)合會. GB50057:2010建筑物防雷設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2011.

[4] 中國建筑標準設計研究院.GB50343:2012建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范[S].北京 中國建筑工業(yè)出版社，2012.

Based on modern technical principles for lightning protection, with reference of study of lightning invasion paths and mechanism of substation buildings, the typical traction substation lightning protection design scheme is discussed and put forward. It shows theoretically and practically that the technical principle, by combing equipotential connection section by section and grade by grade, rational equipment earthing and traditional lightning protection equipment, is the best system solution and feasible for engineering application.

Traction substation; lightning protection; section by section; equipotential

U224.2+5

B

1007-936X(2015)02-0022-03

2014-09-09

周 瑤.中鐵二院工程集團有限責任公司電氣化設計研究院，工程師，電話：13980866903。