周 瑤

鐵路牽引變電所現(xiàn)代防雷設(shè)計(jì)理念與應(yīng)用方案

周 瑤

基于現(xiàn)代防雷理論的技術(shù)原則，通過對(duì)變電所等建筑物雷電的入侵途徑與機(jī)理研究，探討并提出了典型的牽引變電所防雷設(shè)計(jì)方案。理論和實(shí)踐均證明，通過分區(qū)分級(jí)等電位連接、與合理的設(shè)備接地方式、傳統(tǒng)的防雷設(shè)備應(yīng)用相結(jié)合的技術(shù)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(shí)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(huì)對(duì)電氣設(shè)備和變電站的建筑物產(chǎn)生嚴(yán)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(shè)備的安全。隨著越來越多的微電子設(shè)備在工業(yè)大電網(wǎng)的變電站和鐵路牽引變電所中推廣應(yīng)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(jí)鐵路中，雷電引起的牽引變電所弱電設(shè)備故障仍時(shí)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(shè)施已不足以防護(hù)雷電過電壓對(duì)微電子設(shè)備的沖擊，深化研究雷電的入侵途徑，采用現(xiàn)代防雷設(shè)計(jì)理念重新審視傳統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)方案十分必要。

1 變電所等建筑物雷電的入侵途徑與機(jī)理

雷害發(fā)生時(shí)，在雷電未擊穿大氣時(shí)，將呈現(xiàn)出高壓電場(chǎng)形式。電力線上的交變磁場(chǎng)對(duì)雷云的吸引小于大地的靜電吸引，雷擊高壓電場(chǎng)向大地方向運(yùn)動(dòng)。如果雷云擊穿供電線或電力架空線對(duì)地空氣距離入地，首先擊在電力線上，并從電力線的負(fù)載保護(hù)地線入地釋放，一般電子設(shè)備包括25 kV的中壓設(shè)備耐壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因而導(dǎo)致設(shè)備被擊穿。所以，防雷方案需首先考慮遠(yuǎn)點(diǎn)雷擊導(dǎo)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(shè)置進(jìn)口端避雷器或抗雷圈、避雷線，實(shí)用效果較好。

當(dāng)發(fā)生雷電近點(diǎn)襲擊時(shí)，將帶來雷電電磁脈沖的保護(hù)問題。通常認(rèn)為避雷針范圍內(nèi)的電氣設(shè)備是安全的，即使偶爾防護(hù)失效也是范圍失效導(dǎo)致的小概率事件，其實(shí)不然。現(xiàn)代雷電科學(xué)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(yīng)被忽視。根據(jù)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(duì)于避雷針或避雷線直接構(gòu)筑在建筑物上的情況，其建筑物內(nèi)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(gòu)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(zhì)分流，更有可能多達(dá)總電流的25%在建筑物內(nèi)流竄至輸入輸出負(fù)載的電源線、控制信號(hào)電纜、局域網(wǎng)線等，擊穿用電設(shè)備最終由邏輯地線處下泄入地[2]。同時(shí)，根據(jù)電學(xué)基本原理，磁場(chǎng)與電場(chǎng)之間是相互共存可逆變化的。對(duì)于通常避雷針單獨(dú)設(shè)置但位于在建筑物如變電所房屋鄰近的情況，因?yàn)槔纂娏鳠o法100%瞬間入地，除了產(chǎn)生雷電作用下的二次效應(yīng)—雷電高壓反擊外，還可能產(chǎn)生二次高壓電場(chǎng)、交變磁場(chǎng)。特別是，雷電直接擊中避雷針或附近其他建筑物或地點(diǎn)時(shí)的過程中，其自上而下產(chǎn)生的變化旋轉(zhuǎn)快速運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)都可能在附近較長的金屬導(dǎo)體上（包括避雷針保護(hù)范圍內(nèi)的導(dǎo)體如母線、高壓進(jìn)出饋線或控制電纜等金屬物）感應(yīng)出足夠高的電壓并沿線路傳輸擊毀設(shè)備，該感應(yīng)雷電流雖然強(qiáng)度比直接雷擊強(qiáng)度大為降低，對(duì)高中壓設(shè)備絕緣已經(jīng)危害不大但仍足以引起脆弱的低壓或弱電設(shè)備絕緣破壞。以往，對(duì)這種感應(yīng)雷的危害認(rèn)識(shí)不足，對(duì)臨近的雷電流入地過程引起的高壓電場(chǎng)、交變磁場(chǎng)帶來的危害和入侵途徑及原因認(rèn)識(shí)不清，這正是導(dǎo)致現(xiàn)代防雷設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)系統(tǒng)理念差異原因所在。理論與實(shí)踐都證明，既有的變電站傳統(tǒng)意義上的防雷措施對(duì)電子設(shè)備的防護(hù)效果并不理想，必須在原防雷設(shè)計(jì)方法上進(jìn)一步加強(qiáng)防范措施。只有堵死一切雷電導(dǎo)入的端口，包括從空間交變磁場(chǎng)的感應(yīng)入口，才能有效保護(hù)設(shè)備免受雷電的侵害。

2 現(xiàn)代防雷設(shè)計(jì)的技術(shù)原則與強(qiáng)制性要求

現(xiàn)代防雷理念和可行的技術(shù)措施已在IEC國際電工委員會(huì)的有關(guān)防雷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(hù)通則》標(biāo)準(zhǔn)[2]中，概括了防雷分區(qū)和等電位連接的現(xiàn)代防雷技術(shù)核心理念，并要求根據(jù)不同區(qū)域雷擊的特點(diǎn)、被防護(hù)設(shè)施的需求歸算電場(chǎng)脈沖強(qiáng)度與發(fā)生概率，合理設(shè)計(jì)、劃分多極防雷區(qū)域。我國主要的防雷設(shè)計(jì)規(guī)范GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]、GB50343-2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》[4]，近年來也據(jù)此進(jìn)行了重新修訂，基本等效地采用了國際標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)踐證明，這種現(xiàn)代防雷理念所倡導(dǎo)的分區(qū)分級(jí)等電位連接、與合理的設(shè)備接地方式、防雷設(shè)備應(yīng)用相結(jié)合的技術(shù)原則是目前最好的系統(tǒng)技術(shù)解決方案并具備良好的可實(shí)施性。軌道交通牽引變電所的防雷設(shè)計(jì)有待更新設(shè)計(jì)理念，深化防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，滿足國家強(qiáng)制性規(guī)范的安全防護(hù)要求。美國研究報(bào)告[AD-722675]指出：當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B = 0.07 Gs時(shí)，無屏蔽的計(jì)算機(jī)會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B = 2.4 Gs時(shí)，無屏蔽的計(jì)算機(jī)就會(huì)永久性損壞。由此：作為同樣大量應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化控制設(shè)備的鐵路牽引變電所和三相電網(wǎng)變電站，GB50343-2012防雷技術(shù)規(guī)范完全適用。需要而是設(shè)計(jì)、國家強(qiáng)制性外的等電位等詳細(xì)實(shí)施說明的是，GB50343-2012并不僅僅是設(shè)計(jì)規(guī)范，施工和設(shè)施運(yùn)用管理部門均需要遵循的規(guī)范，其中，已經(jīng)對(duì)分區(qū)之間和分區(qū)內(nèi)、連接和設(shè)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(shè)計(jì)方案

防雷保護(hù)設(shè)計(jì)工作不是簡(jiǎn)單的避雷設(shè)施的安裝，原理上，防雷與接地密切相關(guān)。防雷保護(hù)的技術(shù)措施可歸結(jié)為分流、屏蔽、等電位連接、接地、過電壓保護(hù)等5大類。牽引變電所的防雷設(shè)計(jì)研究應(yīng)當(dāng)結(jié)合本身的系統(tǒng)工作要求和內(nèi)部構(gòu)造，重點(diǎn)解決防雷區(qū)域科學(xué)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(shè)施應(yīng)用相結(jié)合的防雷保護(hù)5類技術(shù)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(jí)以上的大工業(yè)電網(wǎng)并變壓后饋出27.5 kV的中壓給接觸網(wǎng)，牽引變電所的高、中壓設(shè)備通常均置于戶外；無論預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)和土壤電阻率ρ 值如何，目前的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)均要求變電所附近設(shè)置避雷針或避雷線，二次控制設(shè)備傳統(tǒng)上設(shè)置在變電所房屋內(nèi)或箱體內(nèi)，并已基本采用以綜合自動(dòng)化系統(tǒng)為主的微電子設(shè)備。因此，對(duì)于當(dāng)前應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)置避雷針或避雷線防護(hù)范圍內(nèi)外可以對(duì)應(yīng)理解為LPZ0A與LPZ0B區(qū)分界，同理，因?yàn)樵O(shè)計(jì)正確的變電所鋼筋混凝土房屋建筑物或獨(dú)立的金屬箱體具有天然的電磁屏蔽衰減作用，當(dāng)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(hù)的研究可以此為重點(diǎn)建立空間防護(hù)的第一屏障，在這里將雷電入侵渠道全部“切斷”。根據(jù)鐵路牽引供電控制設(shè)備的電磁敏感度，依據(jù)需要，在戶內(nèi)或箱體內(nèi)還可以進(jìn)一步設(shè)置具備衰減空間感應(yīng)干擾和進(jìn)線等電位防護(hù)的LPZ2、3、..n分區(qū)，比如充分利用戶內(nèi)的“二次控制室”和設(shè)備箱體作為明確的定義分區(qū)。以上僅僅是針對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)變電所的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行的簡(jiǎn)要分析，科學(xué)的分區(qū)劃分，需要具體結(jié)合每一個(gè)工程的雷電環(huán)境和區(qū)域性的發(fā)生概率進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)和評(píng)估。

表1 IEC標(biāo)準(zhǔn)定義的防雷分區(qū)與說明[4]一覽表

3.2 加強(qiáng)分區(qū)內(nèi)外的進(jìn)線防護(hù)措施

牽引變電所的接地有別于一般的三相電網(wǎng)變電站，鋼軌和牽引回流作為牽引網(wǎng)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(shè)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(guān)系。在雷害較為嚴(yán)重的地區(qū)，牽引變電所，與高壓電源進(jìn)線和接觸網(wǎng)供電饋出線之間，均有必要設(shè)置必要的進(jìn)線段防護(hù)。

對(duì)于各分區(qū)之間的各種架空或電纜進(jìn)出線包括電源進(jìn)出饋線、控制信號(hào)電纜或自用電電源等，應(yīng)靈活采用多種雷電入侵渠道的防護(hù)措施。雷害嚴(yán)重地區(qū)，應(yīng)盡量采用電纜進(jìn)出線?？紤]到鐵路牽引供電對(duì)運(yùn)輸組織和社會(huì)影響的重要程度，而且所采取的加強(qiáng)技術(shù)措施代價(jià)很小，建議比照GB50343定義的第一類建筑物的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施跨區(qū)進(jìn)線段的防護(hù)措施。如，低壓電源或控制電纜線路全部采用埋地電纜或應(yīng)改換一段埋地金屬錯(cuò)裝電纜或護(hù)套電纜，穿鋼管直接埋地引入戶內(nèi)并在跨界分區(qū)處作低阻等電位連接，其埋地長度應(yīng)符合GB50343規(guī)范（4.2.3）表達(dá)式L≥2√ρ的要求（且電纜埋地長度L不應(yīng)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(duì)直埋方式的良好防雷效果，對(duì)目前較多采用的半絕緣混凝土電纜溝敷設(shè)電纜的入戶方式值得反思和檢討。對(duì)于鐵路變電所、開閉所，通常地處相當(dāng)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(shí)宜與變電站的低阻大型接地系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立。對(duì)有構(gòu)成牽引回路或故障跳閘保護(hù)通道的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，可比照跨區(qū)線纜的等電位連接方式，以地埋導(dǎo)體的方式實(shí)現(xiàn)低阻等電位基礎(chǔ)上的相互導(dǎo)通[5]。

相對(duì)于電纜入土直埋后入戶的經(jīng)濟(jì)安全模式，SPD通?？芍蛔鳛樵O(shè)備自身的防浪涌保護(hù)裝置而不宜簡(jiǎn)單地當(dāng)作系統(tǒng)設(shè)計(jì)或防雷工程的主要措施，因?yàn)槌诉M(jìn)入戶內(nèi)或箱內(nèi)的電纜數(shù)量極多導(dǎo)致總造價(jià)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(hào)電纜傳導(dǎo)的雷電入侵問題。對(duì)在交直流電源柜或操作開關(guān)箱體內(nèi)等重要設(shè)備處采用的SPD，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，其容量選取需足夠大。

4 結(jié)語

在今后的防雷設(shè)計(jì)、施工過程中，應(yīng)按照現(xiàn)代防雷設(shè)計(jì)思想，重新審視并加強(qiáng)電子信息系統(tǒng)的空間磁場(chǎng)脈沖防護(hù)，深化合理的防護(hù)分區(qū)劃分研究。

牽引變電所和開閉所等鐵路供電設(shè)備，系統(tǒng)的綜合雷電防護(hù)主要技術(shù)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(shè)備電涌保護(hù)器等綜合防護(hù)措施。應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)做好防護(hù)分區(qū)的建設(shè)和穿越雷電防護(hù)區(qū)交界處的跨區(qū)低阻等電位連接，對(duì)照防雷設(shè)計(jì)規(guī)范的強(qiáng)制性要求，在具體工程設(shè)計(jì)中采用有效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，有已建成并安全運(yùn)行著的廣深港客專、海南東環(huán)線等雷害嚴(yán)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(shù)及應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)雜志，2003，（6）.

[2] 國際電工委員會(huì)TC81,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB/T19271.1-2003/IEC61312-1:1995-02雷電電磁脈沖的防護(hù)通則[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

[3] 中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì). GB50057:2010建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2011.

[4] 中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.GB50343:2012建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)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(tuán)有限責(zé)任公司電氣化設(shè)計(jì)研究院，工程師，電話：13980866903。