铁路牵引变电所现代防雷设计理念与应用方案

周 瑶

铁路牵引变电所现代防雷设计理念与应用方案

周 瑶

基于现代防雷理论的技术原则，通过对变电所等建筑物雷电的入侵途径与机理研究，探讨并提出了典型的牵引变电所防雷设计方案。理论和实践均证明，通过分区分级等电位连接、与合理的设备接地方式、传统的防雷设备应用相结合的技术原则，系目前最好的系统解决方案，且具备良好的工程可实施性。

牵引变电所；防雷；分区；等电位

0 引言

雷电所引起的大气过电压将会对电气设备和变电站的建筑物产生严重的危害，因此，在变电所和高/低压输电线路中，必须采取有效的防雷措施，以保证电气设备的安全。随着越来越多的微电子设备在工业大电网的变电站和铁路牵引变电所中推广应用，受雷电冲击而损坏的事故发生率亦大幅上升，即使在新建的高等级铁路中，雷电引起的牵引变电所弱电设备故障仍时有发生。这也说明，单靠传统的避雷针、避雷带等外部避雷设施已不足以防护雷电过电压对微电子设备的冲击，深化研究雷电的入侵途径，采用现代防雷设计理念重新审视传统的防雷设计方案十分必要。

1 变电所等建筑物雷电的入侵途径与机理

雷害发生时，在雷电未击穿大气时，将呈现出高压电场形式。电力线上的交变磁场对雷云的吸引小于大地的静电吸引，雷击高压电场向大地方向运动。如果雷云击穿供电线或电力架空线对地空气距离入地，首先击在电力线上，并从电力线的负载保护地线入地释放，一般电子设备包括25 kV的中压设备耐压远远不够，因而导致设备被击穿。所以，防雷方案需首先考虑远点雷击导致沿电力线入侵变电所的途径[1]，牵引变电所通常采取的措施是设置进口端避雷器或抗雷圈、避雷线，实用效果较好。

当发生雷电近点袭击时，将带来雷电电磁脉冲的保护问题。通常认为避雷针范围内的电气设备是安全的，即使偶尔防护失效也是范围失效导致的小概率事件，其实不然。现代雷电科学规律研究表明，雷电流具有高频特征，避雷器引下线的线路电感作用不应被忽视。根据IEC61312[2]的定义，避雷器引下线最多只能将50%的电流引入大地。对于避雷针或避雷线直接构筑在建筑物上的情况，其建筑物内的变电所、配电所房屋，余下的雷电流将部分通过建筑物金属构件如电力线屏蔽槽、水管、暖气管、金属门窗等与大地有连接的金属物质分流，更有可能多达总电流的25%在建筑物内流窜至输入输出负载的电源线、控制信号电缆、局域网线等，击穿用电设备最终由逻辑地线处下泄入地[2]。同时，根据电学基本原理，磁场与电场之间是相互共存可逆变化的。对于通常避雷针单独设置但位于在建筑物如变电所房屋邻近的情况，因为雷电流无法100%瞬间入地，除了产生雷电作用下的二次效应—雷电高压反击外，还可能产生二次高压电场、交变磁场。特别是，雷电直接击中避雷针或附近其他建筑物或地点时的过程中，其自上而下产生的变化旋转快速运动磁场都可能在附近较长的金属导体上（包括避雷针保护范围内的导体如母线、高压进出馈线或控制电缆等金属物）感应出足够高的电压并沿线路传输击毁设备，该感应雷电流虽然强度比直接雷击强度大为降低，对高中压设备绝缘已经危害不大但仍足以引起脆弱的低压或弱电设备绝缘破坏。以往，对这种感应雷的危害认识不足，对临近的雷电流入地过程引起的高压电场、交变磁场带来的危害和入侵途径及原因认识不清，这正是导致现代防雷设计与传统的防雷设计系统理念差异原因所在。理论与实践都证明，既有的变电站传统意义上的防雷措施对电子设备的防护效果并不理想，必须在原防雷设计方法上进一步加强防范措施。只有堵死一切雷电导入的端口，包括从空间交变磁场的感应入口，才能有效保护设备免受雷电的侵害。

2 现代防雷设计的技术原则与强制性要求

现代防雷理念和可行的技术措施已在IEC国际电工委员会的有关防雷技术标准中加以定义和说明，如IEC61024-1《建筑物防雷》和IEC61312-1《雷电电磁脉冲的防护通则》标准[2]中，概括了防雷分区和等电位连接的现代防雷技术核心理念，并要求根据不同区域雷击的特点、被防护设施的需求归算电场脉冲强度与发生概率，合理设计、划分多极防雷区域。我国主要的防雷设计规范GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》[3]、GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》[4]，近年来也据此进行了重新修订，基本等效地采用了国际标准。实践证明，这种现代防雷理念所倡导的分区分级等电位连接、与合理的设备接地方式、防雷设备应用相结合的技术原则是目前最好的系统技术解决方案并具备良好的可实施性。轨道交通牵引变电所的防雷设计有待更新设计理念，深化防雷系统设计研究，满足国家强制性规范的安全防护要求。美国研究报告[AD-722675]指出：当磁感应强度B = 0.07 Gs时，无屏蔽的计算机会发生误动作，当磁感应强度B = 2.4 Gs时，无屏蔽的计算机就会永久性损坏。由此：作为同样大量应用计算机技术和自动化控制设备的铁路牵引变电所和三相电网变电站，GB50343-2012防雷技术规范完全适用。需要而是设计、国家强制性外的等电位等详细实施说明的是，GB50343-2012并不仅仅是设计规范，施工和设施运用管理部门均需要遵循的规范，其中，已经对分区之间和分区内、连接和设备接地方式、防雷连接线规格要求给出了具体而明确的规定。

3 牵引变电所的防雷设计方案

防雷保护设计工作不是简单的避雷设施的安装，原理上，防雷与接地密切相关。防雷保护的技术措施可归结为分流、屏蔽、等电位连接、接地、过电压保护等5大类。牵引变电所的防雷设计研究应当结合本身的系统工作要求和内部构造，重点解决防雷区域科学划分和分区定义的问题，分层、分区的综合采用与接闪器等避雷设施应用相结合的防雷保护5类技术措施。

3.1 防雷分区的划分

按照一般的功能性定义，牵引变电所类属于GB50057定义的第二类防雷建筑物。通常，牵引变电所的电源来自于高压110 kV等级以上的大工业电网并变压后馈出27.5 kV的中压给接触网，牵引变电所的高、中压设备通常均置于户外；无论预计雷击次数和土壤电阻率ρ 值如何，目前的标准设计均要求变电所附近设置避雷针或避雷线，二次控制设备传统上设置在变电所房屋内或箱体内，并已基本采用以综合自动化系统为主的微电子设备。因此，对于当前应用的标准铁路牵引变电所，参照如表1的IEC的分区定义[4]，其附近设置避雷针或避雷线防护范围内外可以对应理解为LPZ0A与LPZ0B区分界，同理，因为设计正确的变电所钢筋混凝土房屋建筑物或独立的金属箱体具有天然的电磁屏蔽衰减作用，当可被利用作为防雷分区的自然分界即成为LPZ0B与LPZ1的分界，分区防护的研究可以此为重点建立空间防护的第一屏障，在这里将雷电入侵渠道全部“切断”。根据铁路牵引供电控制设备的电磁敏感度，依据需要，在户内或箱体内还可以进一步设置具备衰减空间感应干扰和进线等电位防护的LPZ2、3、..n分区，比如充分利用户内的“二次控制室”和设备箱体作为明确的定义分区。以上仅仅是针对现有标准变电所的结构特点进行的简要分析，科学的分区划分，需要具体结合每一个工程的雷电环境和区域性的发生概率进行差异化设计和评估。

表1 IEC标准定义的防雷分区与说明[4]一览表

3.2 加强分区内外的进线防护措施

牵引变电所的接地有别于一般的三相电网变电站，钢轨和牵引回流作为牵引网工作回路一部分，它并不是完全的直接接地[3]，因此还需要注意防雷设施的接地、主接地系统（大地零电位）和牵引回流接地之间的绝缘配合关系。在雷害较为严重的地区，牵引变电所，与高压电源进线和接触网供电馈出线之间，均有必要设置必要的进线段防护。

对于各分区之间的各种架空或电缆进出线包括电源进出馈线、控制信号电缆或自用电电源等，应灵活采用多种雷电入侵渠道的防护措施。雷害严重地区，应尽量采用电缆进出线。考虑到铁路牵引供电对运输组织和社会影响的重要程度，而且所采取的加强技术措施代价很小，建议比照GB50343定义的第一类建筑物的标准实施跨区进线段的防护措施。如，低压电源或控制电缆线路全部采用埋地电缆或应改换一段埋地金属错装电缆或护套电缆，穿钢管直接埋地引入户内并在跨界分区处作低阻等电位连接，其埋地长度应符合GB50343规范（4.2.3）表达式L≥2√ρ的要求（且电缆埋地长度L不应小于15 m）。站在防雷的角度考虑，在重雷区，最好高、中压亦采用电缆方式入户。相对直埋方式的良好防雷效果，对目前较多采用的半绝缘混凝土电缆沟敷设电缆的入户方式值得反思和检讨。对于铁路变电所、开闭所，通常地处相当平坦宽阔的地理环境，处于LPZ0a区的接闪器，其接地有条件时宜与变电站的低阻大型接地系统相对独立。对有构成牵引回路或故障跳闸保护通道的系统设计需求，可比照跨区线缆的等电位连接方式，以地埋导体的方式实现低阻等电位基础上的相互导通[5]。

相对于电缆入土直埋后入户的经济安全模式，SPD通常可只作为设备自身的防浪涌保护装置而不宜简单地当作系统设计或防雷工程的主要措施，因为除了进入户内或箱内的电缆数量极多导致总造价较高以外，该方式通常只能适合于电源线路而无法解决沿着控制信号电缆传导的雷电入侵问题。对在交直流电源柜或操作开关箱体内等重要设备处采用的SPD，根据经验，其容量选取需足够大。

4 结语

在今后的防雷设计、施工过程中，应按照现代防雷设计思想，重新审视并加强电子信息系统的空间磁场脉冲防护，深化合理的防护分区划分研究。

牵引变电所和开闭所等铁路供电设备，系统的综合雷电防护主要技术措施，可按重要性和优先顺序采用措施，即建立合理的空间布局及屏蔽分区、合理的综合布线、正确的等电位连接和重要设备电涌保护器等综合防护措施。应特别强调做好防护分区的建设和穿越雷电防护区交界处的跨区低阻等电位连接，对照防雷设计规范的强制性要求，在具体工程设计中采用有效的系统设计方案，有已建成并安全运行着的广深港客专、海南东环线等雷害严重地区的高铁工程成功案例可供借鉴。

[1] 徐祝勤.菲尼克斯AEC技术及应用[J]. 电工技术杂志，2003，（6）.

[2] 国际电工委员会TC81,中国国家标准化管理委员会. GB/T19271.1-2003/IEC61312-1:1995-02雷电电磁脉冲的防护通则[S]. 北京：中国标准出版社，2003.

[3] 中国机械工业联合会. GB50057:2010建筑物防雷设计规范[S].北京：中国计划出版社，2011.

[4] 中国建筑标准设计研究院.GB50343:2012建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].北京 中国建筑工业出版社，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 瑶.中铁二院工程集团有限责任公司电气化设计研究院，工程师，电话：13980866903。