刘继永

关于朔黄铁路牵引变电所防雷击的探讨

刘继永

分析了朔黄铁路各牵引变电所防雷设备，探讨了雷击对铁路供电的影响，有针对性的提出了牵引变电所防雷击解决方案。

牵引变电所；雷电；解决方案

0 引言

牵引变电所是牵引供电系统的重要组成部分，沿电气化铁道分布。其作用是将来自电力系统的三相高压电（110 kV或220 kV）经降压和分相后，变成27.5 kV单相交流电供电力机车使用。牵引变电所在牵引供电系统中具有极为重要的作用，一旦发生雷击事故，将会造成大面积停电，严重危害交通运输的安全。因此，牵引变电所必须具备非常可靠的雷击过电压防护措施。

1 电力系统和变电所的防雷保护

雷害事故在现代电力系统的跳闸停电事故中占有很大的比重，除了那些地处寒带和那些雷暴日数很少的国家和地区外，各国对电力系统的防雷保护都特别重视。

电力系统中的雷电过电压虽大多起源于架空输电线路，但因过电压波会沿着线路传播到变电所，而且变电所本身也有遭受雷击的可能性，加之变电所作为多条输电线路的交叉点和电力系统的枢纽，其防雷保护就显得尤为重要。

输电线路雷害事故相对来说影响面较小，而且现代电网大多具有备用供电电源，所以线路的雷害事故往往只导致局部电网工况的短时恶化，变电所的雷害事故会造成大范围停电，且需要很长时间恢复，危害后果严重。其次变电设备（主要是电力变压器）的内部绝缘水平往往低于线路绝缘，而且不具备自恢复功能，一旦因雷电过电压而造成击穿，后果十分严重。所以变电所的防雷保护与输电线路相比，要求更严格，措施更严密、可靠。

2 牵引变电所防雷措施

经验表明变电所中出现的雷电过电压有 2个来源：一是雷电直击变电所；二是沿输电线路入侵的雷电波。

牵引变电所高压侧电压等级高（110 kV或220 kV），绝缘水平也较高，110 kV线路绝缘子串的冲击放电电压为700 kV，220 kV线路绝缘子串的冲击放电电压达1 410 kV，如果牵引变电所进线段上发生近距离落雷，侵入牵引变电所的雷电波幅值就可能很高，对牵引变电所的电气设备威胁极大。同理，牵引变电所27.5 kV侧也存在沿接触网和馈线侵入雷电波的危险、电气设备绝缘损坏的问题，因此，必须采取措施，限制侵入牵引变电所的雷电波幅值和陡度，使作用到电气设备上的雷电过电压不超过绝缘的冲击耐受电压，保证牵引变电所安全运行，这就是牵引变电所防雷的重点。

牵引变电所遭受的雷击是下行雷，主要是雷电直击在变电所的电气设备上，或架空线路的感应雷过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电所。因此，避免直击雷和雷电波对变电所进线及变压器产生破坏就成为变电所雷电防护的关键。

（1）装设避雷针对直击雷进行防护。装设避雷针或避雷线是牵引变电所防直击雷的主要措施，朔黄铁路的牵引变电所采用 4支独立避雷针对直击雷进行防护。避雷针是防护电气设备、建筑物不受直接雷击的雷电接收器，其作用是把雷电吸引到避雷针身上并安全地将雷电流引入大地中，从而起到保护设备效果。

（2）装设氧化锌避雷器起保护作用。朔黄铁路采用在重点设备处装设氧化锌避雷器来防止雷电侵入波对电气设备的危害。其原理是利用氧化锌的伏秒特性来限制过电压波的幅值达到保护电气设备的目的。为了得到氧化锌避雷器的有效保护，各种变电设备最好都能装设在离避雷器较近的地方，这显然是不可能的，所以选择避雷器在母线上的具体安装点时，一般遵循“确保重点、兼顾一般”的原则。在诸多电气设备中牵引变压器无疑是重点，大多数氧化锌避雷器均装设在主变压器附近，这就造成了其他电气设备处的防雷效果比较薄弱。

3 朔黄线变电所遭受雷击情况分析

目前朔黄线肃宁分公司管内 8个变电所（灵寿、定西、安国、肃北、行别营、沧西、黄骅南、狼坨子）控制室盘柜均多分支接地，信号引入处均使用光耦隔离开关，交流盘处装有防雷装置可以保证控制室内各保护设备免遭雷电感应影响。装设在主变压器附近的氧化锌避雷器可以有效保护牵引变压器免受雷电侵入波的损害。但防直击雷的设备相对较少仅有高压场地四角的4个独立避雷针，防雷保护范围存在很大的盲区。

近年来，气候环境日渐恶劣，雷电活动日趋频繁。特别是2013年夏季雷雨天气急剧增加，造成2个变电所（安国、行别营）因遭雷电直击导致所内绝缘子击穿，牵引主变差动保护动作跳闸，严重影响了供电可靠性和行车安全。

3.1 安国变电所雷击跳闸事故分析

（1）故障时刻：2013年07月04日20时56分45秒558毫秒。

动作类型：差动出口 差动速断出口

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

折合一次电流：

主变110 kV侧流互变比：300/5；27.5 kV侧流互变比：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

从差动速断保护动作数据看，ICDA= 36.560 A、ICDC= 36.680 A的值均大于继电保护装置整定值24.49 A，说明继电保护装置属于正常出口，切断故障电流准确迅速。

（2）视频画面中主变2看到的闪光，而馈线侧视频画面无闪光，说明当时确有直击雷对主变低压侧A相母线放电，造成7BL计数器动作一次并将雷击能量传递至高压室。

（3）视频画面中27.5 kV高压室看到的闪光，为203开关静触指上部支持瓷瓶闪络放电，过电压来自主变低压侧A相母线。

（4）清扫组于7月2日对27.5 kV高压室支持瓷瓶进行了清扫。排除因支持瓷瓶脏污造成的闪络跳闸。

（5）雷击（直击雷）造成2#B低压侧A相穿墙套管至 203开关上触指间的母排支持瓷瓶闪络击穿（图 1），电流值超过差动速断保护定值引起主变差动保护动作。

3.2 行别营变电所雷击跳闸事故分析

（1）从跳闸数据和跳闸原因分析上基本与安国变电所类似。

（2）视频画面中进线2看到的闪光，而馈线侧视频画面无闪光，说明当时确有直击雷对1#B主变低压侧A相母线放电。

（3）视频画面中27.5 kV高压室2看到的闪光，为201穿墙套管绝缘子与固定铁板放电，过电压来自主变低压侧A相母线。

（4）雷击（直击雷）造成1#B低压侧A相穿墙套管绝缘子与固定铁板有电击烧黑痕迹，瓷瓶有裂纹（图 2），电流值超过差动速断保护定值引起主变差动保护动作。

图1 安国变电所雷击例图

图2 行别营变电所雷击例图

从以上2起事故的分析可以看出，雷击地点均处于牵引主变低压侧与 27.5 kV高压室外墙间位置，此处恰为所内防雷保护的盲区，下面对避雷针保护范围进行论证。

4 计算雷击变电所所内避雷针保护范围

已知避雷针的高度h均为25 m、变电所门型架构的高度为9 m。两避雷针之间的距离L根据图3计算可得：L12≈63 m，L23≈68 m，L34= 62 m，L14= 72 m，L13≈95 m，L24≈93 m。

现有避雷针保护范围计算如下：

（1）设避雷针保护范围的高度为hx，单支避雷针在9 m高度的水平面上保护半径r：

r = (1.5 h − 2 hx) p （当hx＜(1/2)h时，该式成立。当h≤30 m时，p = 1）

r = (1.5×25 − 2×9)×1 = 19.5 m

（2）两避雷针间保护范围最小高度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）两避雷针间保护范围在9 m高度水平面上的最小宽度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

图3 变电所独立避雷针位置图

由以上计算数据结合变电所总平面布置图分析如下：

（1）2#B门型架构（悬挂牵引变压器引入、引出线的门型架构）27.5 kV软母线至2#、3#BLZ的距离均大于19.5 m（至2#BLZ距离约为37 m、至 3#BLZ距离约为 31 m），所以未在 2#BLZ或3#BLZ单支避雷针在9 m高度水平面上的保护范围内。

（2）2#B门型架构上27.5 kV软母线至2#、3#BLZ连线的垂直距离约为10.5 m，大于10.08 m，所以未在2#、3#BLZ两避雷针之间9 m高度水平面上的保护范围内。

（3）经在总平面布置图，可以看出2#B门型架构也没在3#与4#BLZ、1#与3#BLZ、2#与4#BLZ两避雷针之间9 m高度水平面上的保护范围内。

通过上述分析可知2#B门型架构27.5 kV软母线遭受雷击的原因正是由于其未在现有避雷针的保护范围内，所处位置为防雷盲区。

5 牵引变电所防雷改进措施

（1）将2#、3#避雷针均增高至26 m。将2#、3#避雷针均增高至26 m后在9 m高度的水平面上两避雷针间的保护范围的一侧最小宽度b(23)为

由于2#B门型架构至2#、3#BLZ连线的垂直距离最大约为10.5 m，2#、3#避雷针均增高至26 m后保护范围一侧最小宽度 b（23）为 10.94 m，大于10.5 m，所以可将2#B门型架构110 kV及27.5 kV软母线均纳入保护范围内。

（2）在牵引变电所加设避雷线。在靠近牵引变电所1～2 km的进线段上装设避雷线，在雷电先导阶段，避雷线顶部聚积电荷，在发展先导和避雷线顶端之间的通道中建立了很大的电场强度，避雷线迎面先导的产生和发展大大加强了这个通道中的电场强度，最后选定击中避雷线，靠近避雷线的被保护物比避雷线低，由于避雷线的屏蔽和迎面先导作用，使被保护物遭受雷击的概率很小。利用避雷线可实现直击雷保护。虽然这种方法不是主动的，但能提供99.5%～99.9%的保护效果。

（3）在牵引变电所高压场地的门型框架上加装接闪器。接闪器就是专门用来接收直接雷击的金属物体，在各牵引变电所的门型框架顶部两端加装接闪器可充分利用门型框架固有高度构成一定的防雷保护半径，以减少雷电直击高压设备的风险。

6 结语

通过避雷针、避雷线、接闪器的综合运用，可在牵引变电所内构成高、中、低搭配的防雷保护网络，尽最大可能的避免了变电所雷击危害，在最大程度上保证了供电设备免遭雷击而造成事故停电。

[1] 赵智大.高电压技术[M].北京：中国电力出版社.

[2] 辛磊，聂卫东.避雷线的防雷保护原理及保护范围[J]. 现代农业科技，2010，（8）.

[3] TB 10009-98 铁路电力牵引供电设计规范[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

刘继永.朔黄铁路发展有限责任公司，工程师，电话：18832797066。