丁 峰

(中铁第一勘察设计院集团有限公司电气化处，西安 710043)

雷电是自然界中频繁发生的一种放电现象，其特点是电压高、电流大、能量释放时间短，具有很大的危害性。在我国多数地区，每年都有因雷击造成的种种危害。最新统计资料表明，雷电造成的损失已经上升到自然灾害的第三位。正是由于雷电的巨大危害性及其影响面积大，因而受到了各行业的广泛关注。对于铁路部门而言，由于雷击而造成牵引变电所设备烧损，致使牵引供电系统瘫痪的事故也时有发生;根据路局统计，每年因雷害而造成的牵引供电系统跳闸事故可占到年事故总量的4%～5%以上。因此，如何采取有效措施来防止雷击灾害的发生，以确保牵引供电系统的安全可靠运行，越来越彰显出其重要性［1-2]。

目前，关于牵引变电所防雷设计，《铁路电力牵引供电设计规范》(TB 10009—2005)中仅对所内电气设备如何防止雷击进行了规定，而对如何进行防雷接地并未作出相关要求［3]。本文通过对牵引变电所直击雷及入侵雷电波的电磁暂态仿真，分析雷电流的暂态作用在地表造成的地表电位分布，研究雷击对牵引变电所造成的不确定性危害及如何通过有效接地消除雷电产生的瞬时过电压，以期为变电所防雷接地设计提供理论依据。

1 雷电流波形参数选择

雷电流具有冲击特性及非周期特性。为研究雷电放电对牵引供电系统的危害，对雷电流波形的确定显得尤为重要。雷电流波形主要取决于幅值、波头、波长等参数。实测数据表明，尽管每次雷击的雷电流幅值都存在很大差异，但雷电流的波形却基本一致:一次雷击的波头时间为1～4 μs，平均为 2～2.6 μs;波长(半峰值时间)为 20～100 μs，平均为 40～50 μs［4-5]。

工程设计中，为便于对雷电流进行分析、计算，常将雷电流波形等值为一典型化的、可以用解析式表达的波形形式。目前采用的雷电流等值波形一般有双指数波、斜角波及半余弦波等3种形式，就此3种波形而言，由于双指数波与实际雷电流波形最为接近，因此常被应用于表征雷电波。双指数波表达式如下

式中 A——常量;

Im——峰值电流，A;

e——自然对数的底;

α——波前时间常数的倒数，s-1;

β——波尾时间常数的倒数，s-1;

t——时间，s。

由式(1)可知，当 A、Im、α、β等值确定后，即可对雷电流波形进行拟合。对于雷电流来说，其主放电形成的初始高峰电流一般为10～30 kA，最高可达200 kA或更高;参考《军用飞机雷电防护》(GJB2639—96)，取 A=1.094，Im=200 kA，α =11 354 s-1，β =647 265 s-1，可得雷电波形拟合曲线［6-8]，如图1所示。

图1 雷电流波形曲线(双指数波)

2 雷击电流暂态计算分析

牵引变电所作为牵引供电系统的重要供电设施，一旦遭受雷电侵害而引起雷电过电压，致使地表电位分布不均、造成雷电击穿，将导致人员伤亡及设备损坏，引起供电中断，直接影响运输安全。因此，变电所的防雷保护至关重要。

对牵引变电所而言，其遭受雷击的方式，主要有两种途径:直击雷及雷电波侵入。就此两种雷击方式下的牵引变电所场坪地表电位分布进行分析计算。

2.1 分析计算基本边界条件

雷电波基本参数见图1。

大地电阻率:按均匀分布考虑，取均值100 Ω·m。

牵引变电所接地系统基本参数:地网面积70 m×70 m，埋深0.8 m;水平接地体采用TJ-185;垂直接地极采用φ25 mm铜棒，L=2.5 m。

2.2 直击雷仿真

为保护牵引变电所内变、配电设备及运行环境不直接遭受雷击，通常采用避雷针作为防护手段。对避雷针遭受雷击后变电所区地表电位分布进行仿真计算如下。

(1)直击雷仿真计算模型

变电所避雷针高度按针高30 m考虑，并独立设置地网，其与主地网间距3 m，绘制结构模型如图2所示。

图2 牵引变电所避雷针—地网结构计算模型

(2)仿真计算

对该模型进行仿真计算，得当雷电流峰值200 kA时，其击中避雷针后引起的地表电位突变在4.15 μs时达到峰值3.7×103kV，位于避雷针安装处;其后地表电位逐渐衰减，直至0。接地网敷设处地表电位(峰值)A点800 kV，B点170 kV。仿真结果如图3～图6所示。

图3 变电所地表电位(最大值)三维图

图4 避雷针处地表电位(最大值)二维图

图5 接地网A点地表电位(最大值)二维图

图6 接地网B点地表电位(最大值)二维图

2.3 入侵雷电波仿真

牵引变电所作为电能生产及变换的重要环节，由于具有较长的进、馈线，当雷击线路或大气放电而使线路感应雷电流，雷电流波将沿线路侵入变电所。当雷电波由线路远端侵入时，由于冲击电晕、大地效应等的影响，雷电波的幅值会有所衰减［5];而当变电所进线段遭受雷击，雷电波幅值将达到很高，会对所内电气设备造成极大损害。对牵引变电所进线段避雷线遭受雷击后变电所区地表电位分布进行仿真计算。

(1)入侵雷电波仿真计算模型

变电所进线门形架按高14 m，宽14 m考虑，采用格构式钢横梁;地线架高4 m，GJ-70避雷线，经接地引下线直接与地网相连，绘制结构模型见图7。

图7 牵引变电进线门架—地网结构计算模型

(2)仿真计算

经计算，得a点地表电位峰值3.55×103kV，b点地表电位峰值3.09×103kV，峰值时刻分别出现于4.15 μs及5 μs;接地网 c 点地表电位(峰值)529 kV，d点地表电位(峰值)156.5 kV。结果如图8～图11所示。

图8 变电所地表电位(最大值)三维图

图9 进线门形架处地表电位(最大值)二维图

2.4 仿真结果分析

图10 接地网c点地表电位(最大值)二维图

图11 接地网d点地表电位(最大值)二维图

根据上述仿真结果，牵引变电所遭受雷击后，雷电冲击电流入地点处地电位急剧升高，数值可达数千千伏(雷电流峰值200 kA时);并且，冲击电流在极短的时间内迅速沿地网向四周扩散，引起周围地表电位抬升。又因牵引变电所内地网的感抗性质，其阻碍作用使得地网电位分布不均，因而导致所内地表电位由近至远呈递减趋势;以入侵雷电波为例，距雷电流注入点10 m处地表电位已由3.55×103kV降至430 kV，15 m处降至365.38 kV，42.5 m处降至202.5 kV。依据《高压输变电设备的绝缘配合》(GB311.1—2012)及《电气化铁路牵引变压器技术条件》(TB/T3159—2007)中关于110、27.5 kV变配电设备雷电冲击耐受电压(峰值)450、200 kV 的规定［9-10]，也即是说，当牵引变电所遭受雷击时，所内110 kV(27.5 kV)设备及接地体与雷电流注入地网点间距分别大于10、43 m，即可满足其不遭受雷击反击过电压的损坏，亦即可满足安全运行的需要。但此值仍可造成所内跨步电压和接触电压过高，使二次电缆外皮产生环流，从而导致人员伤亡及二次弱电系统损坏。

另由仿真结果还可看出，由于变电所内入侵雷电波注入处地网面积远大于直击雷注入的地网面积，因而入侵雷电波在牵引变电所地表各处引起的地表电位升普遍低于直击雷的影响值，但降低效果不明显(两者地网面积相差249.68倍，而地表电位却仅降低了4%)。其原因在于，由于地网接地体自身存在的电感属性，在雷电冲击电流的作用下，尽管所内地网面积很大，但其有效面积却是一定的，即仅在电流注入点附近有限区域内的导体起到了散流作用，区域以外并不能收到什么效果，从而使得降压效果并不明显［11-12]。为此，在进行接地设计时，应根据雷电流注入点位置，在有效的散流范围内设置接地体，以增大散流效果，从而降低地表电位。

3 结语

牵引变电所是铁道供电工程的重要设施，集中有各种高、低压电气设备，其遭受雷击，将引起铁路供电中断，因此牵引变电所的防雷，就要求防护措施应更加完善，防护的可靠性应更高。

对于雷电的防护，不论是直击雷还是雷电波入侵，最终都是把雷电冲击电流导入大地;因此，牵引变电所的接地设计是防雷工程的最重要环节，没有良好的接地，就不可能有良好的防雷过程。牵引变电所的接地设计，应充分考虑雷电流冲击性的特点，根据现场实际情况，结合所内其他用途的接地设计，有针对性地采取安全措施，以使得变电所的雷电防护工程安全可靠，技术先进，经济合理。

［1]简克良.高电压技术［M].北京:中国铁道出版社，1989.

［2]郭秀勇.雷击变电站暂态干扰及其防护措施［D].长沙:长沙理工大学，2009.

［3]中华人民共和国铁道部.TB 10009—2005 铁路电力牵引供电设计规范［S].北京:中国铁道出版社，2005.

［4]简克良.高电压技术［M].北京:中国铁道出版社，1989.

［5]刘明光.铁道电网过电压分析与防护［M].北京:北京交通大学出版社，2009.

［6]国防科学技术工业委员会.GJB 2639—96 军用飞机雷电防护［S].北京:总装备部军标出版发行部，1996.

［7]刘平，吴广宁，隋彬，等.雷电流波形参数估计仿真研究［J].中国电机工程学报，2009，29(34):115-121.

［8]F.P.Dawalibi，W.Ruan，S.Fortin.Lightning Transient Response Of Communication Towers And Associated Grounding Networks［C]//Proceeding of the International Conference on Electromagnetic Compatibility(ICEMC’95 KUL).Malaysia:1995.

［9]国家技术监督局.GB 311.1—2012 高压输变电设备的绝缘配合［S].北京:中国标准出版社，2012.

［10]中华人民共和国铁道部.TB/T 3159—2007 电气化铁路牵引变压器技术条件［S].北京:中国铁道出版社，2007.

［11]陈先禄，刘渝根，黄勇.接地［M].重庆:重庆大学出版社，2002.

［12]曾永林.接地技术［M].北京:中国水利电力出版社，1979.