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，促進各地區協調發展，速度快、節約能源又舒適平穩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高壓輸電線傳輸至牽引變電所內，牽引變電所是進行電能轉換的設備集合，經過牽引變電所降壓和分相后傳輸至鐵路上方架設的接觸網，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的核心[1]。而作為核心，牽引變電所設備運行的可靠性關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生的瞬間劇烈放電現象。帶負電的雷云在地表感應出正電荷，使得雷云與大地之間類似于一個電容器。當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備之上，另一種情況是架空線路上的雷電感應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，當其發生時，強大的電流可能會造成變電所內一次設備燒毀、二次設備損壞、自動化系統退出等問題，導致牽引變電所無法正常供電，進而導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，除了做好變電所設備日常的檢修維護工作之外，防雷問題也是至關重要。

2 鐵路牽引變電所的防雷措施

現階段我國電氣化鐵路處于迅猛發展階段，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 變電所內一次設備的防雷堯接地及回流

避雷針是人為設立的優良導體，適用于電氣設備相對集中的區域，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。所內避雷針在安裝過程中要注意和變電所電氣設備、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格控制在10Ω之內。

必要時在牽引變電所外進線終端桿塔至變電所之間設置獨立的避雷針，配合變電所原有的避雷針進行聯合防雷保護，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生一定的防護作用。這種避雷針可設置在所內或所外，在所內方便維護，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設備的安全距離都要根據實際的土壤電阻率嚴格計算。經驗證，該方法相較于避雷線單一保護，具有明顯優勢。

在牽引變電所27.5kV側裝設避雷器，以避免雷電波繞擊、反擊等現象對電氣設備安全運行的影響。牽引變電所內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，還應在每回27.5kV饋線的首端，即變電所設備和避雷器與饋線供電線之間裝設抗雷線圈，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電氣設備的影響[2]。

在變電所供電線首端架設避雷線，可有效防止雷電波無衰減地引入所內集中接地箱，進而通過地網泄流。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備造成損壞[3]。同時，集中接地箱的安裝位置還應遠離耐壓低的設備。

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

2.2 變電所內二次系統防雷

現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生的影響，對感應雷有良好的防護作用。牽引變電所二次系統的防雷可以考慮在交直流屏、室外照明配電箱內設置相應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的電源設備，造成電源模塊故障或損壞；在綜自裝置、接觸網開關控制屏等內部也要按規范要求設置專用的浪涌保護器，且安裝位置應盡量靠近設備前端，防止對測控保護回路造成影響；由于部分接觸網上網隔開由鄰近的牽引變電所提供交流電源，還要對接觸網開關的電源回路進行隔離，防止強電侵入所內電源系統。同時，控制室屏柜內需要接地的設施，如二次設備、屏柜外殼、底座槽鋼等均應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為屏蔽電纜，且屏蔽層兩端均應接地。

2.3 變電所外接觸網防雷

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

接觸網防雷應綜合考慮站場、區間的不同，根據氣候條件、地理位置，對防雷設施的強度、密度做綜合設計，確定最佳的防雷方案，比如在適當位置加裝絕緣子、避雷器、避雷線等，采取多種防雷手段，并做好隔離開關、支柱等設備及架構的接地工作，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揮。

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