电气化铁路变电所遭受雷击的危害及防雷措施

窦义乾

（中铁十二局集团电气化工程有限公司，天津 300308）

1 目前电气化铁路变电所的一般防雷措施

目前，我国电气化铁路变电所在接地、防雷和过电压方面已形成较为成熟的一套设计和施工标准。接地装置由水平地网与垂直接地极组成复合式地网，水平接地网为网格布置。除了在避雷针（线）和避雷器需加强分流处装设垂直接地极外，在接地网周边和水平接地带交叉点设置垂直接地极，与水平接地网连接，在变电所地下形成类似半球型的三维立体散流接地网。变电所和接触网不同位置的接地电阻值都有明确的规范要求。最常见的变电所架设多个独立避雷针，防护范围完全覆盖整个变电所，有效实现户外设备的雷电防护。牵引变电所220 kV或110kV进线侧、牵引变压器27.5 kV进线侧和馈线侧，分区所和AT所的进线侧和馈线侧，10kV所用变压器进线侧都设置避雷器。接触网供电线和接触线均架设避雷线[1]，防止雷电侵入变电所一次电气化设备。

在变电所二次设备方面，变电所交直流系统的进线和母线、室外照明回路、接触网隔离开关的二次控制回路、综合自动化系统，由交直流屏引入控制系统端子排电缆连接处。控制回路和信号回路电源端子排连接处，与一次设备存在电缆联系的二次系统端子排连接处，GPS天线引入综合自动化系统接口处，与远程通信接口处，都设有浪涌保护器[2]。这些防雷措施目前已较为完善，为电气化铁路设备提供了常规的防雷保护。

2 电气化铁路遭受雷击的危害

目前，虽然电气化铁路已具备较为完善的防雷措施，但由于雷电活动极其复杂，冲击电流较大、能量释放时间极短、雷电流变化梯度较大、冲击电压较高，即使没有遭受直击雷的冲击，雷电活动产生的强大电流形成的交变磁场，其感应电压也足以造成设备故障。现有的电气化设备器械很难短时间消耗雷电携带的巨大能量，避雷器也只能承受并排放掉较弱的雷电冲击或者较弱的雷电感应电压，加之铁路牵引变电所和铁路线的特殊运行工况，近年来电气化铁路变电所发生了多起雷击事故，损毁牵引变电所设备，造成多班次列车延误甚至停运，给铁路运输秩序造成了一定影响，直接经济损失高达上千万元。

由于雷电活动的剧烈性和无规律性，目前没有任何设备可以承受强雷电直击的能量，微弱的雷电感应也是电气化设备故障频发的主要因素。面对雷电蕴含无比强大的能量，面对雷电发生时间和地区的随机性，人类显得无能为力，只有尽可能降低自然灾害带来的危害。具体地，可以从电气设备本身着手，从各个电气设备连接通道思考，研究如何降低雷电造成的损失，探索如何阻断雷电对设备造成大面积损伤，将雷电造成损失降到最低，以期为电气化铁路的正常运营和人民的生命财产安全提供更多保障。

值得重视的是，电气设备本身之间的电气连接给雷电侵袭提供了通道，是造成设备大面积故障甚至烧损的一个因素。因此，就如何阻断强雷电入侵变电所电气设备，提出了以下几点防雷措施。

3 增强电气化铁路变电所防雷能力的措施

电气化铁路变电所防强电侵入技术优化方案按以下原则，从接地、屏蔽、均压和限幅隔离等多方面综合采取措施。（1）防止强雷电流通过一次系统侵入牵引变电所；（2）减少因雷击接触网隔离开关，损坏接触网开关控制装置；（3）防止因强电侵入损坏牵引变电所综合自动化系统；（4）防止因损坏牵引变电所部分保护装置后，使整所保护失效；（5）防止因损坏牵引变电所综合自动化系统后变电所综合自动化系统保护失效，引起一次设备烧损的次生灾害。

3.1 牵引供电设计

进行牵引供电设计时，充分结合周边地形地貌和当地气象条件，特别是历年的雷电活动统计数据，确认该地区雷电活动强度等级，选择变电所合适的地理位置，提高相应的防雷设计标准。

3.2 加强电气化铁路变电所控制室二次设备抗雷电入侵防护能力

基于现行相关设计标准，需加强电气化铁路变电所控制室二次设备抗雷电入侵防护能力。结合牵引变电所特点和雷电防护分区的原则，对牵引变电所二次回路加装电涌保护器，通过分级泄放，将雷击能量逐步泄放到大地。为监视安装的电涌保护器的工作状态，可根据实际情况配各带有声光报警或遥信报警等辅助功能的电涌保护器。加强所内所外电气隔离措施，避免雷电侵入二次系统而出现全所控制保护失效的严重后果。

3.3 牵引变电所附近供电线架设避雷线

为限制牵引变电所馈线流经过避雷器的雷电流幅值和入侵波的陡度，平均年雷暴日大于40天的地区，需在牵引变电所馈线供电线一定范围内架设避雷线，实现进线段保护，且避雷线兼做成排支柱集中接地线用。

避雷线的架设范围为牵引变电所馈线供电线（最长一般不超1km），安装方式采用增高肩架柱顶安装，通过接地引下线将避雷线与接地极相连，接地电阻不大于10Ω。变电所馈线供电线的避雷线不得直接和所内配电装置架构相连，避雷线的接地装置应与牵引变电所的主接地网相连。连接线采用裸导线，埋在地中的直线长度不应小于15 m。

3.4 非接触网合架单独供电线支柱接地方案

为減小变电所近点接地短路过渡电阻，提高变电所馈线保护装置动作的可靠性，降低短路工频续流侵入变电所二次系统风险，牵引变电所馈线出口非接触网合架单独供电线支柱应做好接地。每根支柱设独立接地极，接地电阻不大于30 Ω。成排具备架设集中接地线条件的，应架设集中接地线，架空集中接地线或者零散供电线支柱接地极都应保证至少和接触网回流线、综合接地贯通地线、牵引变电所主接地网三者之一可靠相连，构成可靠短路电流回流径路。安装有电动隔离开关机构的供电线或接触网支柱不得架设避雷线或架空地线。

3.5 增加隔离防护措施或就近引接独立电源

接触网线路隔离开关操作机构箱内电源不直接引自牵引变电所内交流屏，需增加隔离防护措施或就近引接独立电源。

3.6 优化牵引变电所所外隔离开关控制方式

将隔离开关的控制线缆由电缆改为光缆，光缆加强芯在设备端增加绝缘节[3]，阻断户外隔离开关和户内二次设备的电气联系通道。

3.7 电气化铁路变电所二次系统防强电侵入技术优化方案

3.7.1 综合自动化系统直流电源供电回路的优化方案

将目前牵引变电所综合自动化系统直流电源经过总开关后接至控制小母线方式，优化为分支或分组供电方式。分组数可根掘具体情況确定，但至少保证2组以上，即主变压器保护和馈线保护各1组，如图1所示。

3.7.2 设置直流电源失电后的应急保护装置

牵引变电所增设独立的应急保护装置。应急保护装置宜用独立电源，采集综合自动化装置控制回路电源监视接点信号。当综自重要回路失电时，驱动牵引变电所进线高压侧断路器跳闸，如图2所示。

图1 改进接线型式

图2 牵引变电所应急保护装置

3.8 接触网隔离开关控制技术优化方案

3.8.1 接触网隔离开关的控制采用独立控制盘控制

牵引变电所远程监控的外接触网隔离开关全部采用独立控制盘控制，不应采用综自保护模块控制。

3.8.2 接触网隔离开关交流电源回路设置防雷隔离措施

从交流屏引出的接触网隔离开关操作电源回路宜在所内设置隔离变压器，再由隔离变压器馈出至接触网隔离开关，隔离变压器两侧均不接地。

隔高变压器采用单相变压器，宜具有档位调节功能。容量按考虑接触网隔离开关操作机构的用电容量。