高铁牵引变电所的防雷保护研究
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摘要：当前，我国大部分铁路都实现了电气化，在一定程度上确保了供电系统的稳定性以及安全性，对于铁路供电系统来说，其核心主要就是牵引变电所，在这当中，集中了非常多的高压电器设备，这些设备的内绝缘通常都是不能自动进行恢复的绝缘，这样如果牵引变电所一旦不能进行正常的供电，就会造成铁路由于断电而停止运行。对于牵引变电所产生影响最大的就是雷击事故，因为当前由雷击所导致铁路供电中断的状况占的比例非常的大，因此，在当前的这种状况下，为了能够保证铁路的安全稳定的运输，实现预期的经济效益，就需要加强牵引变电所的防雷安全。
中图分类号：TM63文献标识码： A
一、雷击牵引变电所的途径
本文主要研究雷电波由220kV进线侧侵入高铁牵引变电所对所内设备造成的雷电危害。以某高铁牵引变电所的雷电防护情况为工程背景进行研究。
高铁牵引变电所的防雷保护是一个十分复杂的系统工程，所内电力设备及其配电设施受到雷击的方式，主要有两个方面：高铁牵引变电所的雷电防护包括直击雷防护和雷电侵入波防护。雷电直击或沿着输电线路侵入变电所，对牵引变电所设备能够造成巨大威胁，所内的变压器等主要电气设备的内绝缘大多没有恢复能力，一旦雷击损坏，则造成高速行驶的列车突然中断供电，造成的后果十分严重。由于变电所都安装有避雷针，按照规程方法正确地设计避雷针的保护范围，可以使变电所防直击雷的可靠性非常高。因此，变电所的防雷可靠性评估主要是针对雷电侵入波实施的防雷方案和保护措施进行评估，其中雷电侵入波又包括220kV侧架空线路侵入和27.5kV电缆侧侵入。
220kV高压进线侧的雷电波侵入，由于220kV系统的绝缘水平较高，允许沿220kV架空线入侵牵引变电所的雷电过电压幅值也相应增加，因此对变电所的危害也会增大。高压侧进线主要有两种架线方式，分别分析雷电波侵入的可能形式
(一)架空线引至牵引变电所门型架
对于这种接线方式，雷电波侵入的主要途径有，(1)近区的雷击杆塔塔顶，从雷击线路接地部分(避雷线、杆塔等)而引起的绝缘子串闪络等反击角度来看，最严重的条件是雷击某一基杆塔的塔顶，因为这时大部分雷电流将从该杆搭入地，产生的过电压过高，对变电所的雷电研究最主要的应为雷击1号杆塔，也就是终端杆塔。(2)近区的雷击避雷线档距，从雷击引起导、地线间气隙击穿的角度来看，雷击避雷线最严重的情况是雷击点处于档距中央时，因为这时从杆塔接地点反射回来的异号电压波抵达雷击点的时间最长，雷击点的过电压幅值最大；(3)进线段之外的远区落雷，沿高压电源导线侵入，尽管220kV线路全线装设了双线避雷线，但对于保护角较大的远区线路，仍然存在雷电绕过避雷线击中导线的可能性。
图1 高铁牵引变电所的雷击示意图
(二)高压侧电缆进入
目前，某些牵引变电所出于地理位置、造价结构等原因考虑，在进入变电所的最后档距改用地下电缆的方式进入，在1号杆搭之外的线路落雷还是与架空线直接引入的情况类似，只是有效的减少了最后一段档距的落雷，不可忽略的是该方式下的电缆头处于无保护状态，一旦发生直击电缆头，相当于雷电波直接侵入电气设备，对变电所的危害是不可估量的。而且，电缆的设置结构也造成了电缆的维护困难。
对于27.5kV侧由于没有避雷线的保护，电缆发生雷击事故的路径可以比拟图3-4所示，雷击电缆头时雷电波侵入到变电所低压侧，也对变电所内尤其是牵引供电侧的设备造成极大危害。在遭受雷电波侵入的情况下，判断高铁牵引变电所是否可能发生雷击引起绝缘事故，常通过判定所内电气设备上出现的雷电过电压幅值是否超过其耐受雷电冲击电11的要求。变电所主要的电气设备包括SF6断路器、电力变压器、牵引变压器、电流互感器、电压互感器。此外，作为外部线路与变电所内设备连接点的门型架构上设置的绝缘子串也是重点研究的对象。由于高压侧线路的高度远大于低压侧，发生雷击事故的频率更高，因此本文着重对220kV侧的雷电侵入波进行研究，高压侧的接线方式参照实例高铁牵引变电所。在计算分析之前要对所内以及进线侧的设备型号进行统计，并查看技术手册收集其电气参数。
根据IEC和国标中对电气设备耐受雷电冲击电压的有关规定，判断在侵入雷电波作用下，变电所内的电气设备上的过电压是否超过标准。如果超过标准，则意味着电气设备在受到雷电波的冲击后将发生绝缘击穿放电，即变电所现有的保护措施不完善。
图2 高铁牵引变电所的雷击示意图
二、高铁牵引变电所防雷的改进研究
变电站现有的防雷保护设置对距变电所较远的侵入波，能很好地避免牵引变电所主要电气设备遭受雷击的损害。但对于雷击点发生在3#杆塔至变电所门型架约1km范围内的情况，变电所电气设备，尤其是牵引变压器与电力变压器的保护裕度很小，在雷电流达到110kA时甚至能够引发绝缘击穿。牵引变压器这种直接关系到铁道电网正常运行的电气设备，一旦遭受雷击受到干扰破坏后果不可估量，因此进一步研究降低电气设备的过电压仍很有必要。
所内电气设备的雷电过电压超过其雷电冲击耐受电压值发生绝缘故障，多是由于雷电直击架空线路的杆塔与避雷线，雷电波沿避雷线侵入到变电站导致的。常见的改善方法主要有：1、在避雷线接至门型架时安装一串绝缘子，但此时在门型架构上产生的反击过电压对变电所内的设备冲击仍然很大；2、根据相关研究验证表明随着杆塔的冲击接地电阻减小，可以使变电所内电气设备的过电压值降低，但在实际工程中，接地电阻进一步减小是十分困难的。
从终端杆塔至变电站的一档线路，可采用独立避雷针，也可采用终端杆塔架设避雷针与变电站避雷针配合的方式进行保护。在工程实例中，由于工程成本、土地征用的影响，通常尽可能采用后者――构架式避雷针。避雷针的保护可靠性能达到99.9%，为保证改进措施能够真正运用到实际的防雷保护中，需要合理设置避雷针，使之对最后一段线路的保护绝对可靠。
在直击雷防护中，避雷针能够吸引雷电先导，避免附近建筑或物体被雷击，因此适用于保护变电所这类比较集中的场所。进线段第一档距长度多为几十米，为节约造价，设置避雷针保护的原则是在终端杆塔安装构架避雷针，并配合牵引变电所内原有的避雷针进行联合保护。
在对最后这档线路实施避雷针保护时要考虑的因素有：终端杆塔的参数、这段线路的长度(档距)、门架构的高度、门架构距离所内避雷针的距离、避雷针的高度等。根据前面对高铁牵引变电所的介绍，可知这段高压线路的各个量值：档距 65m；终端杆塔塔高29.1m；终端杆塔处的导线悬挂高度为23.4m；变电站门架构处的导线悬挂高度为12m；门型架构距所内两支避雷针的距离分别为38m.71m。
同时，在高铁牵引变电所的防雷中，也可以采用防雷接地方式避免雷击，避免雷电能量集中在某一处从而导致设备受到不同程度的破坏。通过设置良好的接地系统，可以有效的将雷电能量有效的泄放出去，使引线上的电压能够降低，防止因为电压高出现反击。保证接地体的良好性，可以有效的防止产生二次反击雷，在一定程度上有效的确保电子设备的安全性。所以对于牵引变电所在投入运行时，就要做好相应的接地设施，而且保证其接地要严重按照相应的规范要求来进行，同时还要定期对接地电阻进行检测，确保其时刻处于安全运行的水平内。
在对变电所进行防雷保护时，需要对不同区域内的设备系统进行等电位连接，同时电源也要进行防雷装置的安装，还要安装相应的电压保护装置，这就可以使变电所内处于不同层次的设备系统都具有统一的防雷效果。另外，还需要在变电所内敷设统一的接地网，这样可以有效的保证变电所内设备的安全，使其符合防雷的要求。
结语
牵引变电所防雷保护与电气化铁路运行的安全息相关，所以需要进行全面、可靠的设置，确保防雷的各项措施都到位，以保证牵引供电气的供电系统运行的稳定性，为电气化铁路提供持续的电力供应。
参考文献
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