劉繼永

關(guān)于朔黃鐵路牽引變電所防雷擊的探討

劉繼永

分析了朔黃鐵路各牽引變電所防雷設(shè)備，探討了雷擊對(duì)鐵路供電的影響，有針對(duì)性的提出了牽引變電所防雷擊解決方案。

牽引變電所；雷電；解決方案

0 引言

牽引變電所是牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分，沿電氣化鐵道分布。其作用是將來自電力系統(tǒng)的三相高壓電（110 kV或220 kV）經(jīng)降壓和分相后，變成27.5 kV單相交流電供電力機(jī)車使用。牽引變電所在牽引供電系統(tǒng)中具有極為重要的作用，一旦發(fā)生雷擊事故，將會(huì)造成大面積停電，嚴(yán)重危害交通運(yùn)輸?shù)陌踩?。因此，牽引變電所必須具備非?？煽康睦讚暨^電壓防護(hù)措施。

1 電力系統(tǒng)和變電所的防雷保護(hù)

雷害事故在現(xiàn)代電力系統(tǒng)的跳閘停電事故中占有很大的比重，除了那些地處寒帶和那些雷暴日數(shù)很少的國(guó)家和地區(qū)外，各國(guó)對(duì)電力系統(tǒng)的防雷保護(hù)都特別重視。

電力系統(tǒng)中的雷電過電壓雖大多起源于架空輸電線路，但因過電壓波會(huì)沿著線路傳播到變電所，而且變電所本身也有遭受雷擊的可能性，加之變電所作為多條輸電線路的交叉點(diǎn)和電力系統(tǒng)的樞紐，其防雷保護(hù)就顯得尤為重要。

輸電線路雷害事故相對(duì)來說影響面較小，而且現(xiàn)代電網(wǎng)大多具有備用供電電源，所以線路的雷害事故往往只導(dǎo)致局部電網(wǎng)工況的短時(shí)惡化，變電所的雷害事故會(huì)造成大范圍停電，且需要很長(zhǎng)時(shí)間恢復(fù)，危害后果嚴(yán)重。其次變電設(shè)備（主要是電力變壓器）的內(nèi)部絕緣水平往往低于線路絕緣，而且不具備自恢復(fù)功能，一旦因雷電過電壓而造成擊穿，后果十分嚴(yán)重。所以變電所的防雷保護(hù)與輸電線路相比，要求更嚴(yán)格，措施更嚴(yán)密、可靠。

2 牽引變電所防雷措施

經(jīng)驗(yàn)表明變電所中出現(xiàn)的雷電過電壓有 2個(gè)來源：一是雷電直擊變電所；二是沿輸電線路入侵的雷電波。

牽引變電所高壓側(cè)電壓等級(jí)高（110 kV或220 kV），絕緣水平也較高，110 kV線路絕緣子串的沖擊放電電壓為700 kV，220 kV線路絕緣子串的沖擊放電電壓達(dá)1 410 kV，如果牽引變電所進(jìn)線段上發(fā)生近距離落雷，侵入牽引變電所的雷電波幅值就可能很高，對(duì)牽引變電所的電氣設(shè)備威脅極大。同理，牽引變電所27.5 kV側(cè)也存在沿接觸網(wǎng)和饋線侵入雷電波的危險(xiǎn)、電氣設(shè)備絕緣損壞的問題，因此，必須采取措施，限制侵入牽引變電所的雷電波幅值和陡度，使作用到電氣設(shè)備上的雷電過電壓不超過絕緣的沖擊耐受電壓，保證牽引變電所安全運(yùn)行，這就是牽引變電所防雷的重點(diǎn)。

牽引變電所遭受的雷擊是下行雷，主要是雷電直擊在變電所的電氣設(shè)備上，或架空線路的感應(yīng)雷過電壓和直擊雷過電壓形成的雷電波沿線路侵入變電所。因此，避免直擊雷和雷電波對(duì)變電所進(jìn)線及變壓器產(chǎn)生破壞就成為變電所雷電防護(hù)的關(guān)鍵。

（1）裝設(shè)避雷針對(duì)直擊雷進(jìn)行防護(hù)。裝設(shè)避雷針或避雷線是牽引變電所防直擊雷的主要措施，朔黃鐵路的牽引變電所采用 4支獨(dú)立避雷針對(duì)直擊雷進(jìn)行防護(hù)。避雷針是防護(hù)電氣設(shè)備、建筑物不受直接雷擊的雷電接收器，其作用是把雷電吸引到避雷針身上并安全地將雷電流引入大地中，從而起到保護(hù)設(shè)備效果。

（2）裝設(shè)氧化鋅避雷器起保護(hù)作用。朔黃鐵路采用在重點(diǎn)設(shè)備處裝設(shè)氧化鋅避雷器來防止雷電侵入波對(duì)電氣設(shè)備的危害。其原理是利用氧化鋅的伏秒特性來限制過電壓波的幅值達(dá)到保護(hù)電氣設(shè)備的目的。為了得到氧化鋅避雷器的有效保護(hù)，各種變電設(shè)備最好都能裝設(shè)在離避雷器較近的地方，這顯然是不可能的，所以選擇避雷器在母線上的具體安裝點(diǎn)時(shí)，一般遵循“確保重點(diǎn)、兼顧一般”的原則。在諸多電氣設(shè)備中牽引變壓器無疑是重點(diǎn)，大多數(shù)氧化鋅避雷器均裝設(shè)在主變壓器附近，這就造成了其他電氣設(shè)備處的防雷效果比較薄弱。

3 朔黃線變電所遭受雷擊情況分析

目前朔黃線肅寧分公司管內(nèi) 8個(gè)變電所（靈壽、定西、安國(guó)、肅北、行別營(yíng)、滄西、黃驊南、狼坨子）控制室盤柜均多分支接地，信號(hào)引入處均使用光耦隔離開關(guān)，交流盤處裝有防雷裝置可以保證控制室內(nèi)各保護(hù)設(shè)備免遭雷電感應(yīng)影響。裝設(shè)在主變壓器附近的氧化鋅避雷器可以有效保護(hù)牽引變壓器免受雷電侵入波的損害。但防直擊雷的設(shè)備相對(duì)較少僅有高壓場(chǎng)地四角的4個(gè)獨(dú)立避雷針，防雷保護(hù)范圍存在很大的盲區(qū)。

近年來，氣候環(huán)境日漸惡劣，雷電活動(dòng)日趨頻繁。特別是2013年夏季雷雨天氣急劇增加，造成2個(gè)變電所（安國(guó)、行別營(yíng)）因遭雷電直擊導(dǎo)致所內(nèi)絕緣子擊穿，牽引主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳閘，嚴(yán)重影響了供電可靠性和行車安全。

3.1 安國(guó)變電所雷擊跳閘事故分析

（1）故障時(shí)刻：2013年07月04日20時(shí)56分45秒558毫秒。

動(dòng)作類型：差動(dòng)出口 差動(dòng)速斷出口

IA：36.560 A；IB：1.190 A；IC：36.680 A；Ia：0.260 A；Ib：0.420 A

3I：0.000A；I ：0.000°；I ：254.000°； ICJD：175.800°

IaJD：245.700°；IbJD：250.300°；ICDA：36.870 A；IZDA：18.130 A

ICDA2：6.950 A；ICDB：0.070 A；IZDB：1.190 A；ICDB2：0.100 A

ICDC：37.290 A；IZDC：18.090 A；ICDC2：5.490 A

折合一次電流：

主變110 kV側(cè)流互變比：300/5；27.5 kV側(cè)流互變比：2 000/5

IA：2 193.6 A；IB：114 A，IC：2 200.8 A；Iα：104 A；Iβ：168 A

ICDA：1 277.2 A；IZDA：628 A；ICDA2：1.73 A

ICDB：16.1 A；IZDB：274.8 A；ICDB2：3.4 A

ICDC：1 291.7 A；IZDC：626.6 A；ICDC2：190.1 A

從差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作數(shù)據(jù)看，ICDA= 36.560 A、ICDC= 36.680 A的值均大于繼電保護(hù)裝置整定值24.49 A，說明繼電保護(hù)裝置屬于正常出口，切斷故障電流準(zhǔn)確迅速。

（2）視頻畫面中主變2看到的閃光，而饋線側(cè)視頻畫面無閃光，說明當(dāng)時(shí)確有直擊雷對(duì)主變低壓側(cè)A相母線放電，造成7BL計(jì)數(shù)器動(dòng)作一次并將雷擊能量傳遞至高壓室。

（3）視頻畫面中27.5 kV高壓室看到的閃光，為203開關(guān)靜觸指上部支持瓷瓶閃絡(luò)放電，過電壓來自主變低壓側(cè)A相母線。

（4）清掃組于7月2日對(duì)27.5 kV高壓室支持瓷瓶進(jìn)行了清掃。排除因支持瓷瓶臟污造成的閃絡(luò)跳閘。

（5）雷擊（直擊雷）造成2#B低壓側(cè)A相穿墻套管至 203開關(guān)上觸指間的母排支持瓷瓶閃絡(luò)擊穿（圖 1），電流值超過差動(dòng)速斷保護(hù)定值引起主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。

3.2 行別營(yíng)變電所雷擊跳閘事故分析

（1）從跳閘數(shù)據(jù)和跳閘原因分析上基本與安國(guó)變電所類似。

（2）視頻畫面中進(jìn)線2看到的閃光，而饋線側(cè)視頻畫面無閃光，說明當(dāng)時(shí)確有直擊雷對(duì)1#B主變低壓側(cè)A相母線放電。

（3）視頻畫面中27.5 kV高壓室2看到的閃光，為201穿墻套管絕緣子與固定鐵板放電，過電壓來自主變低壓側(cè)A相母線。

（4）雷擊（直擊雷）造成1#B低壓側(cè)A相穿墻套管絕緣子與固定鐵板有電擊燒黑痕跡，瓷瓶有裂紋（圖 2），電流值超過差動(dòng)速斷保護(hù)定值引起主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。

圖1 安國(guó)變電所雷擊例圖

圖2 行別營(yíng)變電所雷擊例圖

從以上2起事故的分析可以看出，雷擊地點(diǎn)均處于牽引主變低壓側(cè)與 27.5 kV高壓室外墻間位置，此處恰為所內(nèi)防雷保護(hù)的盲區(qū)，下面對(duì)避雷針保護(hù)范圍進(jìn)行論證。

4 計(jì)算雷擊變電所所內(nèi)避雷針保護(hù)范圍

已知避雷針的高度h均為25 m、變電所門型架構(gòu)的高度為9 m。兩避雷針之間的距離L根據(jù)圖3計(jì)算可得：L12≈63 m，L23≈68 m，L34= 62 m，L14= 72 m，L13≈95 m，L24≈93 m。

現(xiàn)有避雷針保護(hù)范圍計(jì)算如下：

（1）設(shè)避雷針保護(hù)范圍的高度為hx，單支避雷針在9 m高度的水平面上保護(hù)半徑r：

r = (1.5 h ? 2 hx) p （當(dāng)hx＜(1/2)h時(shí)，該式成立。當(dāng)h≤30 m時(shí)，p = 1）

r = (1.5×25 ? 2×9)×1 = 19.5 m

（2）兩避雷針間保護(hù)范圍最小高度h0：

由h0= h ? (L / 7) p可得：

h0(12)= 25 ? (63 / 7)×1 = 16 m

h0(23)= 25 ? (68 / 7)×1≈15.3 m

h0(34)= 25 ? (62 / 7)×1≈16.1 m

h0(14)= 25 ? (72 / 7)×1≈14.7 m

h0(13)= 25 ? (95 / 7)×1≈11.4 m

h0(24)= 25 ? (93 / 7)×1≈11.7 m

（3）兩避雷針間保護(hù)范圍在9 m高度水平面上的最小寬度b：

由b = 1.5 (h0? hx)可得：

b(12)= 1.5×(16 ? 9) = 10.5 m

b(23)= 1.5×(15.3 ? 9) = 9.45 m

b(34)= 1.5×(16.1 ? 9) = 10.65 m

b(14)= 1.5×(14.7 ? 9) = 8.55 m

b(13)= 1.5×(11.4 ? 9) = 3.6 m

b(24)= 1.5×(11.7 ? 9) = 4.05 m

圖3 變電所獨(dú)立避雷針位置圖

由以上計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)合變電所總平面布置圖分析如下：

（1）2#B門型架構(gòu)（懸掛牽引變壓器引入、引出線的門型架構(gòu)）27.5 kV軟母線至2#、3#BLZ的距離均大于19.5 m（至2#BLZ距離約為37 m、至 3#BLZ距離約為 31 m），所以未在 2#BLZ或3#BLZ單支避雷針在9 m高度水平面上的保護(hù)范圍內(nèi)。

（2）2#B門型架構(gòu)上27.5 kV軟母線至2#、3#BLZ連線的垂直距離約為10.5 m，大于10.08 m，所以未在2#、3#BLZ兩避雷針之間9 m高度水平面上的保護(hù)范圍內(nèi)。

（3）經(jīng)在總平面布置圖，可以看出2#B門型架構(gòu)也沒在3#與4#BLZ、1#與3#BLZ、2#與4#BLZ兩避雷針之間9 m高度水平面上的保護(hù)范圍內(nèi)。

通過上述分析可知2#B門型架構(gòu)27.5 kV軟母線遭受雷擊的原因正是由于其未在現(xiàn)有避雷針的保護(hù)范圍內(nèi)，所處位置為防雷盲區(qū)。

5 牽引變電所防雷改進(jìn)措施

（1）將2#、3#避雷針均增高至26 m。將2#、3#避雷針均增高至26 m后在9 m高度的水平面上兩避雷針間的保護(hù)范圍的一側(cè)最小寬度b(23)為

由于2#B門型架構(gòu)至2#、3#BLZ連線的垂直距離最大約為10.5 m，2#、3#避雷針均增高至26 m后保護(hù)范圍一側(cè)最小寬度 b（23）為 10.94 m，大于10.5 m，所以可將2#B門型架構(gòu)110 kV及27.5 kV軟母線均納入保護(hù)范圍內(nèi)。

（2）在牽引變電所加設(shè)避雷線。在靠近牽引變電所1～2 km的進(jìn)線段上裝設(shè)避雷線，在雷電先導(dǎo)階段，避雷線頂部聚積電荷，在發(fā)展先導(dǎo)和避雷線頂端之間的通道中建立了很大的電場(chǎng)強(qiáng)度，避雷線迎面先導(dǎo)的產(chǎn)生和發(fā)展大大加強(qiáng)了這個(gè)通道中的電場(chǎng)強(qiáng)度，最后選定擊中避雷線，靠近避雷線的被保護(hù)物比避雷線低，由于避雷線的屏蔽和迎面先導(dǎo)作用，使被保護(hù)物遭受雷擊的概率很小。利用避雷線可實(shí)現(xiàn)直擊雷保護(hù)。雖然這種方法不是主動(dòng)的，但能提供99.5%～99.9%的保護(hù)效果。

（3）在牽引變電所高壓場(chǎng)地的門型框架上加裝接閃器。接閃器就是專門用來接收直接雷擊的金屬物體，在各牽引變電所的門型框架頂部?jī)啥思友b接閃器可充分利用門型框架固有高度構(gòu)成一定的防雷保護(hù)半徑，以減少雷電直擊高壓設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)語

通過避雷針、避雷線、接閃器的綜合運(yùn)用，可在牽引變電所內(nèi)構(gòu)成高、中、低搭配的防雷保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，盡最大可能的避免了變電所雷擊危害，在最大程度上保證了供電設(shè)備免遭雷擊而造成事故停電。

[1] 趙智大.高電壓技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社.

[2] 辛磊，聶衛(wèi)東.避雷線的防雷保護(hù)原理及保護(hù)范圍[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2010，（8）.

[3] TB 10009-98 鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

On the basis of the analysis of Shuo-huang railway traction substation lightning protection equipment, the paper discusses the impact to railway power supply caused by lightning strike, puts forward the pertinent solution for lightning protection of traction substation.

Traction substation; lightning; solution

U224.2+5

：B

：1007-936X(2015)04-0024-04

2014-12-09

劉繼永.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，工程師，電話：18832797066。