牵引变电站二次防雷设备现场测试方案的探讨

曹肇非

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

随着铁路电力系统电气化、自动化、信息化的高速发展，高集成度和微电子化的设备被广泛使用，由于微电子设备耐过电压和过电流的能力很低，导致系统遭受外界干扰或冲击时变得脆弱，铁路牵引变电站也不例外。雷电流可能通过各种导体(包括铁轨、导线、电缆等)侵入变电站，使铁路系统设备损坏或失效，影响列车运行的正常秩序，带来较大的直接和间接经济损失。为保证铁路系统的供电安全，牵引变电站的二次防雷起着非常重要的作用。而二次防雷的关键设备防雷保安器的持续、可靠运行则是防雷成败的重中之重。

1 雷电感应及其危害

雷电会导致铁路系统多种不同形式的危害，其主要的雷电形式及雷害情况大致有以下几种。

(1)直击雷:是指雷电直接击在建筑物构架、动植物上，因电效应、热效应和机械效应等造成建筑物等损坏以及人员的伤亡。

(2)感应雷:是指雷电在雷云之间或雷云对地放电时，强大电磁场在附近铁路弱电系统导线或系统设备内产生的电磁感应脉冲，并侵入设备，使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害。雷电感应发生概率较大，一般雷电直击点周围半径1 km左右都会产生雷电电磁脉冲。雷电感应是铁路弱电设备防护的重点。

(3)雷电浪涌:是指由于雷击发生时在电源和弱电线路中感应的电流浪涌引起的。主要形式是电源浪涌。

由于电子设备内部结构的原因造成设备耐过电压、耐过电流的水平下降和来源路径增多，对电磁干扰敏感，系统更容易遭受雷电波侵入。一旦有雷电波侵入，设备损坏一般是巨大的，有的甚至使整个系统瘫痪，造成无可挽回的损失。

2 铁路牵引变电站的二次防雷

铁道线路跨越范围广大，很容易遭受雷击或雷电的危害。当铁道设施遭到直接雷击或设施附近产生雷击时，雷电暂态过电压、过电流和雷电电磁脉冲会通过供电线路、控制保护线路、钢轨和金属管道等途径侵入电子信息设备。如果防护不当，轻则会出现电子信息设备工作失灵或工作误动，重则会导致电子信息设备的永久性损坏。

在铁道系统中，通常是采用避雷网和避雷带来防止铁路站、段建筑物和户外设施免受直接雷击，采用各种电涌保护器来抑制雷电暂态过电压，保护电子信息设备。

铁道部铁运［2006］26号文件“关于印发《铁路信号设备雷电及电磁兼容综合防护实施指导意见》的通知”，对铁路系统二次防雷的技术指标、生产、施工等起到指导性作用。防雷保安器是重要的防雷元件，铁道部行业标准TB/T2311—2008《铁路电子设备用防雷保安器》中要求“分区分级设置防雷保安器”。从电磁兼容的观点来看，防雷保护由外到内应划分为多级保护区。从0级保护区到最内层保护区，必须实行分层多级保护，根据电气、微电子设备的不同功能及不同受保护程序和所属保护层确定保护要点，进行分类保护;根据雷电和操作瞬间过电压危害的可能通道，从电源线到控制保护线路都应做多级层保护，从而将过电压降到设备能承受的水平。

防雷保安器是电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置，在接地网符合规程要求的前提下，二次防雷的关键在于使雷电流在侵入变电站的设备前被顺利泄放到接地网，而完成此项任务的正是防雷保安器。防雷保安器的作用是把窜入电力线、控制保护传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入地，保护被保护的设备或系统不受冲击而损坏。

在指导意见中要求“防雷保安器并联应用时，在正常工作情况下不得成为短路状态;串联应用时，在正常工作情况下不得成为开路状态。防雷保安器对地有连接的，除了放电状态，其他时间不得构成导通状态;否则必须辅以接地检测报警装置。”防雷保安器作为重要的防雷设备，定期检测、试验并确保其工作可靠性就成为日常维护工作的重点。规程规定，每年在雷雨季节到来之前，应对防雷保安器进行一次全面检测，并且在雷击之后，亦需检测防雷保安器的状态，以保证下一次雷击到来时防雷保安器能有效动作。要正确检测防雷保安器的状态，必须对其原理与性能有深入了解。

3 防雷保安器原理与性能

一般来说，防雷保安器的基本元器件有:放电间隙、气体放电管、压敏电阻、抑制二极管和扼流线圈等。其关键部件是气体放电管和压敏电阻。气体放电管是将相互分离的一对冷阴板封装在充有一定惰性气体的管内。外施电压低于放电电压时，气体放电管两端相当于开路;外施电压高于放电电压时，会出现气体放电现象，相当于短路，故气体放电管为开关型元件。压敏电阻是以氧化锌为主要成分的金属氧化物半导体非线性电阻，它对电压十分敏感。当外施电压低于阈值电压时，电阻值极大;当外施电压高于阈值电压时，电阻值随电压的增高而急速下降，从而形成低阻通道，故压敏电阻为限压型元件。

气体放电管的主要缺点是有续流，切不断;压敏电阻的主要缺点是有漏流，易劣化。两者串联可以较好的弥补各自的缺点。在铁路系统中，一般要求这两种元器件串联使用(如图1)。故铁路系统变电站二次防雷使用的防雷保安器的性能，既取决于气体放电管的性能，又取决于压敏电阻的性能。

图1 防雷保安器原理

4 防雷保安器的现场测试

当防雷保安器中的气体放电管或压敏电阻存在老化或内部受潮等缺陷时，一般通过停电试验可以检查出来。但是，防雷保安器为非线性设备，在电网络或环境等因素长期作用下产生劣化，以至于有时在停电试验时未能发现任何问题，而在正常运行时突然导通或爆炸，导致严重的事故。这充分说明对防雷保安器性能的判断仅仅依赖停电试验是不够的。这一方面是因为停电试验所加电压、环境因素与防雷保安器正常工作时所承受的电压、所处的环境是不同的，这时测得的实验数据就不能准确而有效地反映防雷保安器的工作状况;另一方面是停电试验的间隔周期可能较长，而防雷保安器的性能是逐渐变化的，这个变化达到一定程度后其劣化速度会加快，可能在下次检测前即故障;再一方面是若频繁拆装或拆装不当也可能引发防雷保安器新的故障，在雷电活动频发期尤其如此。因此，在不停电的情况下对防雷保安器进行现场测试，可以随时、真实地了解其运行状态，及时发现异常现象和事故隐患，对于牵引变电站的安全运行有着重大的意义。

从整体上看，对防雷保安器的性能测试适用直流法和冲击法。

现场测试防雷保安器的第一步是目测，及时处理有故障指示、接触不良、发热、积尘等情况。

规程规定，对防雷保安器应进行 U1mA及0.75U1mA下泄漏电流等直流检测方法。如果直流1 mA电压U1 mA为0，则防雷保安器已损坏(短路);如果0.75U1mA下泄漏电流0，则防雷保安器已损坏(开路)。但在遭受过雷击或有压敏电阻均匀性不好等缺陷时，使用直流法就无法确定防雷保安器的状态，这时，需要进行冲击试验。

为保证供电的连续性以及测试的准确性与便捷性，需采用一种防雷保安器的现场测试设备，既能满足现场直流试验的要求，又能满足现场冲击试验的要求。

该测试设备应可以输出0～1.2 kV的直流电压，用于测量防雷保安器的直流1 mA电压和0.75U1mA下泄漏电流，又可以输出最大幅值为6 kV的1.2/50μs冲击电压波、最大幅值为3 kA的8/20μs冲击电流波的组合波，用于测量防雷保安器遭受冲击后的残压。其测试原理如图2所示。

图2 防雷保安器测试原理

工频电源电压经过开关电源整流滤波后，变成直流电压，经过单端反激变换升压给高压储能电容充电。电容上的电阻分压电路实时监测电容的充电电压，并与单片机预置的充电电压进行反馈比较，根据比较结果控制充电电路的终止时刻，达到稳定的充电幅值，产生直流高压。增大加在试品上的直流电流达到1 mA，测量此时试品上的电压，即为直流1 mA电压。查看存储器，调整电压为0.75倍的直流1 mA电压，测量此时试品上的电流值，即为泄漏电流。完成此次防雷保安器的直流测量。

高压电容充好电后合上高压开关。电压波的宽度主要由波形形成电阻决定。阻抗匹配电阻则决定发生器的开路电压峰值与短路电流峰值的比例，也被称为输出阻抗。电流波的上升与持续时间主要由波形形成电感决定。这些元件的参数可有多种方式确定。最终产生1.2/50μs的电压浪涌(开路状态)和8/20μs的电流浪涌(短路状态)。冲击电压的测量采用两级电容分压器的方式，将高压冲击电压信号线性分压到单片机可以处理的电压范围，分压电路实测效果优良，频带特性好，输入输出波形一致性好。冲击电流的测量采用罗戈夫斯基线圈的方式，利用被测电流产生的磁场在线圈内感应的电压来测量电流。其一次侧为单根载流导线，二次侧为罗戈夫斯基线圈，因为所测电流的等效频率很高，所以采用空心互感器，这样可以避免铁心饱和所带来的损耗及非线性影响。断开充电回路对试品放电。若试品阻抗很高，则为冲击电压试验;若试品阻抗很低，则为冲击电流试验。测量试品上的残压，完成此次防雷保安器的冲击测量。

测量设备应具有自检判别功能，可在测量过程中对超量程测试发出声响提示;具有高压短路保护、过流保护、高压预置、量程调节等功能;具有记忆、运算、保持、控制、连续测试功能;实现自动控制、数据采集和显示，整合接线、读数、计算等步骤。测量结果通过液晶屏显示出来。

防雷保安器进行现场测试的接线方法如图3所示。相邻两次冲击测试的时间间隔应足以使防雷保安器冷却到室温。

冲击试验时，记录试验过程中不同冲击电流下防雷保安器两端的残压，可对防雷保安器进行伏安特性分析。图4为某次冲击电流3 kA试验时记录的防雷保安器两端的电压波形。

图3 现场测试接线示意

图4 某次冲击试验电压波形

5 结束语

本文所论及的防雷保安器现场测试方案能满足铁路牵引变电站二次防雷现场测试的要求，能正确判断防雷保安器的实时工作状态，保持防雷保安器的实时工作状态正常是设备防雷工作的关键，是铁路安全运营的重要保证。

总的来说，防雷问题是一个综合性的工作，尤其是加强弱电系统的雷电浪涌防护，免其而引起设备的损坏，所以在完善弱电系统外部防护的同时，要加强弱电系统的内部防护:

(1)首先要完善弱电外部雷电防护，将绝大部分雷电流直接引入地下泄散。

(2)其次要阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压波。

(3)第三限制钳位被保护设备上浪涌过压过流幅值在设备可承受的范围。

(4)确保防雷保安器的性能良好，将防雷保安器现场测试这一环节制度化、常规化。

［1］铁道部铁运［2006］26号 关于印发《铁路信号设备雷电及电磁兼容综合防护实施指导意见》的通知［S］

［2］IEC 61643 －12(2002):Low-voltage surge protective devices—Part 12:Surge Protective devices connected to low-voltage power distribution systems_Selection and application principles，Annex I，Sub clause I．1.2“Sharing of surge current．”

［3］袁龙海．浅析防雷技术在铁路上的应用［J］．机电信息，2011，21

［4］叶蜚誉．电涌保护技术讲座:第二讲 电涌保护器的原理［J］．低压电器，2004(3):54-56

［5］GB/T18802.12—2006 低压配电系统的电涌保护器(SPD)第12部分:选择和使用导则［S］

［6］邵涛，周文俊，等．金属氧化物避雷器检测方法的现状与发展［J］．高电压技术，2002，28(6):34-37

［7］杨大晟，张小青．低压供电系统中SPD的失效模式及失效原因［J］．电瓷避雷器，2007(4):43-46

［8］姚学玲，陈景亮，孙伟．浪涌保护器带电试验用组合波发生器的设计［J］．高电压技术，2004，30(5):42-45

［9］刘洋，周文俊，等．智能冲击电流试验系统［J］．电力自动化设备，2008，28(5)

［10］张仁豫，陈昌渔，王昌长．高电压试验技术:第2版［M］．北京:清华大学出版社，2002