鐵路牽引變電所的防雷措施研究

張琛

中鐵十二局集團電氣化工程有限公司, 天津 300308

我國人口眾多，國土遼闊，東部與西部、南部與北部資源分布不均，為促進我國資源文化交流，促進各地區(qū)協(xié)調(diào)發(fā)展，速度快、節(jié)約能源又舒適平穩(wěn)的鐵路成為我國最大眾化的交通工具。目前鐵路已向高速化、智能化、電氣化方向發(fā)展，而鐵路離不開牽引變電所，因此牽引變電所的防雷已成為鐵路發(fā)展的重中之重，本文將針對此問題進行分析討論。

1 鐵路牽引變電所防雷的重要性

為提高運輸能力、加快行駛速度、減少能源消耗和降低運營成本，電氣化鐵路應(yīng)運而生。電氣化鐵路就是利用電力牽引來工作的鐵路。電氣化鐵路所需要的電力電能經(jīng)高壓輸電線傳輸至牽引變電所內(nèi)，牽引變電所是進行電能轉(zhuǎn)換的設(shè)備集合，經(jīng)過牽引變電所降壓和分相后傳輸至鐵路上方架設(shè)的接觸網(wǎng)，才能被電力機車所利用，因此牽引變電所是鐵路牽引供電系統(tǒng)的核心[1]。而作為核心，牽引變電所設(shè)備運行的可靠性關(guān)乎鐵路運行的正常與否。

雷電作為一種較為常見的天氣，是天空中的雷云之間或者雷云對地之間由于電位差而產(chǎn)生的瞬間劇烈放電現(xiàn)象。帶負(fù)電的雷云在地表感應(yīng)出正電荷，使得雷云與大地之間類似于一個電容器。當(dāng)電容器的電場強度超過大氣的擊穿強度時，雷云對大地放電，即為雷擊。一般情況下，變電所雷擊大致分為兩種情況，一種為雷擊直接作用于變電所的設(shè)備之上，另一種情況是架空線路上的雷電感應(yīng)過電壓和直擊雷過電壓形成的雷電波沿線路侵入變電所。無論哪種情況，若未能采取有效的防范措施，當(dāng)其發(fā)生時，強大的電流可能會造成變電所內(nèi)一次設(shè)備燒毀、二次設(shè)備損壞、自動化系統(tǒng)退出等問題，導(dǎo)致牽引變電所無法正常供電，進而導(dǎo)致鐵路運行可靠性降低。因此要保證牽引變電所的正常運行，除了做好變電所設(shè)備日常的檢修維護工作之外，防雷問題也是至關(guān)重要。

2 鐵路牽引變電所的防雷措施

現(xiàn)階段我國電氣化鐵路處于迅猛發(fā)展階段，對于牽引變電所的防雷措施也有待完善和改進。針對牽引變電所防雷，可采取的保護措施有以下一些。

2.1 變電所內(nèi)一次設(shè)備的防雷堯接地及回流

避雷針是人為設(shè)立的優(yōu)良導(dǎo)體，適用于電氣設(shè)備相對集中的區(qū)域，對于泄放雷電流具有突出作用，對直擊雷有很好的防護作用。所內(nèi)避雷針在安裝過程中要注意和變電所電氣設(shè)備、接地裝置之間保持足夠的安全距離，同時避雷針的接地電阻也要嚴(yán)格控制在10Ω之內(nèi)。

必要時在牽引變電所外進線終端桿塔至變電所之間設(shè)置獨立的避雷針，配合變電所原有的避雷針進行聯(lián)合防雷保護，也可有效地對雷擊高壓線路終端桿塔或雷電繞擊輸電線路時產(chǎn)生一定的防護作用。這種避雷針可設(shè)置在所內(nèi)或所外，在所內(nèi)方便維護，在所外可提高防雷保護裕度，無論哪種方式，避雷針的高度及與所內(nèi)設(shè)備的安全距離都要根據(jù)實際的土壤電阻率嚴(yán)格計算。經(jīng)驗證，該方法相較于避雷線單一保護，具有明顯優(yōu)勢。

在牽引變電所27.5kV側(cè)裝設(shè)避雷器，以避免雷電波繞擊、反擊等現(xiàn)象對電氣設(shè)備安全運行的影響。牽引變電所內(nèi)常用的氧化鋅避雷器沒有放電間隙，利用氧化鋅的非線性特性起到泄流和開斷的作用，具有良好的保護性能。在多雷區(qū)，還應(yīng)在每回27.5kV饋線的首端，即變電所設(shè)備和避雷器與饋線供電線之間裝設(shè)抗雷線圈，可明顯限制雷電波的波前陡度，并且降低雷電波入侵過電壓幅值，從而進一步削弱過電壓對變電所內(nèi)電氣設(shè)備的影響[2]。

在變電所供電線首端架設(shè)避雷線，可有效防止雷電波無衰減地引入所內(nèi)集中接地箱，進而通過地網(wǎng)泄流。由于進入變電所的架空回流線一般由兩段組成，架空部分一般為鋼芯鋁絞線，進入變電所部分一般為電纜，此時可以采取三級防護的措施，即加裝避雷器或浪涌保護器限壓元件，并通過計算得出最優(yōu)的集中接地箱安裝位置，來避免雷電波侵入過電壓對集中接地箱甚至與之相連的電氣設(shè)備造成損壞[3]。同時，集中接地箱的安裝位置還應(yīng)遠(yuǎn)離耐壓低的設(shè)備。

在對既有牽引變電所進行增容改造時，對主地網(wǎng)進行更新補強，根據(jù)牽引變電所的土壤電阻率，在有限的空間內(nèi)，采用先進的耐腐蝕的接地材料或接地裝置，保證主地網(wǎng)接地電阻達到規(guī)范要求，還要注意校核接地干線的截面積。

2.2 變電所內(nèi)二次系統(tǒng)防雷

現(xiàn)代電氣化鐵路牽引變電所僅靠避雷器、避雷針等進行防雷已不能滿足要求，還需考慮對浪涌電壓的防護。浪涌保護器可保護電子器件免遭雷擊產(chǎn)生的影響，對感應(yīng)雷有良好的防護作用。牽引變電所二次系統(tǒng)的防雷可以考慮在交直流屏、室外照明配電箱內(nèi)設(shè)置相應(yīng)等級的電源浪涌保護器，避免雷擊過電壓引起的瞬時大電流侵入自動化系統(tǒng)的電源設(shè)備，造成電源模塊故障或損壞；在綜自裝置、接觸網(wǎng)開關(guān)控制屏等內(nèi)部也要按規(guī)范要求設(shè)置專用的浪涌保護器，且安裝位置應(yīng)盡量靠近設(shè)備前端，防止對測控保護回路造成影響；由于部分接觸網(wǎng)上網(wǎng)隔開由鄰近的牽引變電所提供交流電源，還要對接觸網(wǎng)開關(guān)的電源回路進行隔離，防止強電侵入所內(nèi)電源系統(tǒng)。同時，控制室屏柜內(nèi)需要接地的設(shè)施，如二次設(shè)備、屏柜外殼、底座槽鋼等均應(yīng)與接地干線等電位可靠連接，避免不同接地點之間形成電位差，影響自動化系統(tǒng)的正常運行，造成保護誤動作或者功能模塊的損壞。變電所使用的二次電纜應(yīng)為屏蔽電纜，且屏蔽層兩端均應(yīng)接地。

2.3 變電所外接觸網(wǎng)防雷

鐵路接觸網(wǎng)常年暴露在外，受雷擊的可能性較大，接觸網(wǎng)采取防雷措施，可間接減少牽引變電所正常運行受雷擊影響的概率，同樣應(yīng)得到足夠的重視。

接觸網(wǎng)防雷應(yīng)綜合考慮站場、區(qū)間的不同，根據(jù)氣候條件、地理位置，對防雷設(shè)施的強度、密度做綜合設(shè)計，確定最佳的防雷方案，比如在適當(dāng)位置加裝絕緣子、避雷器、避雷線等，采取多種防雷手段，并做好隔離開關(guān)、支柱等設(shè)備及架構(gòu)的接地工作，日常檢修中注重對防雷及接地裝置的維護更換工作，確保防雷效果的充分發(fā)揮。

綜上所述，要保證鐵路牽引變電所的安全穩(wěn)定運行，既要保證變電所接地電阻滿足規(guī)范要求，并定期檢測地網(wǎng)阻值，還要依據(jù)變電所的防雷條件、防雷要求等采取有效的防雷措施，比如加裝抗雷線圈、浪涌保護器等設(shè)備或裝置，保證一二次設(shè)備都能得到良好的防雷保護效果。同時，還應(yīng)重視變電所外高壓輸電線以及接觸網(wǎng)供電線的防雷。