高铁牵引变电所的防雷保护研究
摘要：在铁路供电系统中，牵引变电所是重要的组成部分。由于牵引变电所中有很多高压电气设备，如果受到雷击很有可能会被摧毁，导致供电中断，影响铁路的正常运输，所以做好铁路牵引变电所的防雷保护措施具有重要意义。基于此，文章对高铁牵引变电所的防雷保护措施进行了探讨。
关键词：高铁；牵引变电所；防雷保护；铁路供电系统；高压电气设备 文献标识码：A
中图分类号：TM63 文章编号：1009-2374（2016）09-0020-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.009
变电所防雷主要指的是雷电侵入波防护、直击雷防护等。由于牵引变电所中的电气设备均不具备自我恢复的能力，受雷击影响，如果保护措施不到位导致电气设备被损坏，就会出现大面积停电的情况，为了避免出现雷害，需要充分做好牵引变电所的防雷保护措施。
1 牵引变电所介绍
牵引变电所是高速铁路的供电电源。通过使用变换、降压的方式将电力系统三相高压转变成单相电压送入到接触网上，由动车组或供电力机车进行取流。由于电气化铁道为一级负荷，需要确保供电的连续性，所以牵引变电所一般会使用主电源和备用电源两套高压电源。我国很多地方牵引变电所主要使用110kV电压等级的线路进行供电。为了降低单相牵引负荷引起高压侧三项系统产生负序、不对称、谐波等因素，高速铁路牵引变电所主要使用220kV以上的电压等级来进行供电。牵引网系统标准电压为25kV，因为接触网线路允许电压有10%的波动，所以牵引变电所牵引母线对地电压大小为27.5kV，为了提高检修的便利性以及牵引变电所持续供电，牵引变电所一般使用两台同型号的牵引变压器并联运行，在运行过程中，牵引变压器是保证牵引变电所安全运行的重点，是传输能量和降压的主要设备，所以，变电所的保护装置、电气主接线、监控辅助设备、控制设备都需要将牵引变压器作为中心来设置。牵引变电所中的设备主要有隔离开关、断路器、主变压器、电流互感器、电压互感器、补偿电容等电气设备，这些电气设备和连接导线共同组成电气主接线。在运行过程中，电气主接线对配电装置的布置方式、电气设备的选择、设备的运行方式、设备的检修方式等均有很大的影响。
2 雷击产生的原因以及入侵途径
2.1 雷击产生的原因
2.1.1 直击过电压造成的雷击事故。有时雷云会直接击中牵引变电所的电缆设备，产生很大的电流导致设备电压过大，将设备绝缘击穿，出现电气短路的情况。与此同时，雷电从物体穿过时，会产生热效应，并且还会将导线烧断。另外，连入变电所的二次设备受到雷击后二次电缆导流，也会导致二次设备被烧坏。因为多条输电线路均在变电所交汇，并且线路多在郊外架设，受雷击的概率比较大，所以直击过电压是造成雷击的主要因素。
2.1.2 感应过电压造成的雷击事故。当带有负电荷的雷云从架空线路上方经过时，受静电感应的影响，会有大量的正电荷在架空线路的上方聚集，当雷云向大地放电以后，这些位于架空线路上方的正电荷的约束力会丧失，并再次获得自由，流动到导线两侧，产生较大的过电压，严重影响着牵引变电所运行的安全性。
2.2 雷击入侵途径
2.2.1 门型架雷电波入侵途径。当使用避雷线和架空导线接入到牵引变电所门型架的接线方式时，雷电波主要有以下三种方式侵入变电所：（1）站在地线间气隙击穿、雷击引起导电的角度来说，雷击点位于档距中间时对避雷线造成的危害最大；（2）从近区雷击干塔塔顶，顺着杆塔、避雷线等雷击线路产生的绝缘子串闪络。这种入侵途径下，当某个基杆塔塔顶受到雷击时，受到的影响最大，因为此时雷电流会从此杆塔进入到大地，电压值最大；（3）处于进线段以外的远区落雷会顺着高压电源导线侵入到牵引变电所。雷击点如图1所示：
图1 雷击示意图
2.2.2 从高压侧电缆进入。一些牵引变电所出于结构、地理位置等因素考虑，进入到变电所以后，最后档距会选用地下电缆进入，如图2所示。在一号杆塔外线路落雷和架空线直接进入的情况比较相似，只是在一定程度上降低了最后一段档距产生的落雷，由于这种情况下电缆没有处于被保护的情况下，如果对电缆头造成直击，雷电波会直接对变电所电气设备造成很大的破坏，并且维护难度也比较大。
图2 高压侧电缆侵入雷击示意图
3 牵引变电所防雷措施
3.1 直击雷的预防措施
安装避雷针是预防直击雷的一个有效措施，作为一种保护电力设备和建筑物免受雷击的设备，避雷针可以将收到的雷电流引入到大地，防止建筑物受到雷电侵扰。因为安装避雷针主要是将雷电流引导到自身，所以安装过程中要注意做好以下三点：（1）在安装避雷针时，要和牵引变电所的电气设备、接地设备等保持合理的距离。避雷针地下接地部分要和变电所接地网之间的距离要保3米以上，地上部分避雷针和牵引变电所电气设备、装置导电部分、架构地部分的空间距离要保持6米以上；（2）通常情况下，避雷针的接地电阻要控制在10欧姆以内；（3）要选择合理的位置安装避雷针，为了防止反击雷电以及感应雷电毁坏设备，避雷针不要在牵引变电所的房屋上安装。
3.2 雷电波侵入防护措施
在对感应雷过电压和直击雷过电压产生的雷电波入侵进行防护时，多使用MOA避雷器，为了可以将MOA避雷器的保护作用充分发挥出来，需要达到以下四个要求：（1）电流限制。要将所有从避雷器流过的电流限制到标准放电电流水平范围中；（2）伏秒特性曲线。避雷针的曲线要大于被保护电气设备的曲线；（3）限制距离。要将避雷针和被保护电气设备之间的距离保持在允许的距离范围中；（4）限制电压。当有标称放电电流从避雷器中流过时，MOA避雷设备的残压和冲击电压要保持在允许的标称放电电流范围中。
3.3 保护牵引变电所V侧进线段 在对进线段进行保护时，为了使侵入沿线的雷电波陡度降低，可以使用避雷线架设在进线线路的上方。具体而言，架设避雷线主要有两个作用：（1）防止雷电对保护线路造成直击，降低进入到该段雷电波流；（2）对从避雷器经过的冲击电流进行限制。
3.4 对牵引变压器进行保护
为了避免对雷电波绝缘造成损害，需要将避雷器安装到牵引变压器四周。一般情况下可以选用双绕组牵引变压器进行安装。在使用双绕组牵引变压器时，需要在低压绕组处和高压绕组处都安装避雷器。对于三绕组牵引变压器，需要使用一根避雷器安装在低压绕组任意一个出线段。
3.5 变电所防雷接地
防雷接地的主要目的是为了顺利地将进入到防雷系统的闪电流导入到大地中，避免雷电能力在防雷系统中的某个位置集中对变电所造成破坏。只有良好的接地效果才可以将雷电能量卸掉，使引线上的电压降低，防止出现反击的情况。为了保证防雷效果，首先要保证接地的良好性，防止避雷带、避雷针等设备接地，出现二次反击雷，影响电子设备的正常使用。因此，变电所接地电网运行过程中，要保证电阻可以达到规定要求，并定期检测电网电阻，保证接地电阻可以安全运行。按照变电所防雷条件、防雷要求，使用相应的防雷措施。对于不同位置的设备系统，要进行电源防雷设备、等电位设备浪涌电压保护设备进行防雷，保证各个层次的设备都可以取得良好的防雷效果。在变电所防雷保护达到规定要求后，要根据工作接地和安全防雷的要求，建立统一的接地网，为了达到防雷要求，使用接地体安装在避雷器和避雷针下方。在铺设接地体时，一般单独进行铺设。
3.6 二次系统防雷
根据二次系统的基本配置，在进行防雷时，可以在各母线段、交流屏电源进线处安装电源SPD，避免雷击产生的过电压对交直流系统造成干扰，初步保证二次系统的安全性。为了保证通信设备、UPS电源等设备运行的可靠性和安全性，可以将SPD电源布置在一些比较重要的馈出回路上。为了避免合闸电源进线在高压设备区出现雷电过电压，可以将电源SPD布置在合闸母线和控制母线处。
4 结语
在我国高速铁路的不断发展下，防雷已经成为了高铁牵引变电所的工作重点，为了降低雷击对高速铁路正常运行造成的影响，确保高速铁路持续、稳定的运行下去，需要重点做好牵引变电所的防雷工作。在施工时，高架桥的高度不能过大，降低雷击影响。为了将直击雷造成的危害降低，对于多雷区域可以适当增加避雷线数量。
参考文献
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