摘要：牵引变电所是高速铁路供电系统的核心，一旦发生雷击事故往往会导致铁路供电系统大面积的停电，危害铁路运输安全，影响社会经济效益。所以安全、灵敏、可靠的综合防雷系统对高速铁路牵引变电所至关重要。本文通过对牵引变电所的一次防雷措施和二次防雷措施进行研究，可供类似工程参考、借鉴。
关键词：牵引变电所；综合防雷系统；一次防雷；二次防雷
引言
雷电是一种大气中的放电现象，雷电产生过电压分直击雷过电压和感应雷过电压两种。直击雷过电压是雷闪直接击中电气设备导电部分，形成强大雷电流，雷电流在电力装置上产生较高过电压，击穿电气设备的绝缘，造成电气短路，同时雷电流通过物体时产生有破坏作用的热效应和机械效应，烧断导线；感应雷过电压是雷闪击中电气设备附近地面，在放电过程中由于空间电磁场的急剧变化而使未直接遭受雷击的电气设备（包括二次设备、通信设备）上感应出的过电压。针对以上原因，高速铁路牵引变电所综合防雷系统由一次侧防雷系统和二次侧防雷系统组成。
1、一次侧防雷系统
1.1利用接闪器（避雷针、避雷带/网）措施防雷
接闪器包括避雷针、避雷带及避雷网，位于防雷装置的顶部，其作用是利用其高出被保护物的突出部位把雷电引向自身，承接直击雷放电，然后通过引下线和接地装置将雷电流泄入大地，从而保护人员或建筑物免受雷击。目前为防止直击雷所产生的过电压对高速铁路牵引变电所产生危害，常采用四个独立避雷针对整个变电所进行覆盖保护。
1.2利用接地网系统（接地网/接地极）措施防雷
接地网系统即接地网，是由埋在地下一定深度的多个金属接地极和由导体将这些接地极相互连接组成一网状结构的接地体，对牵引变电所而言，接地网是整个系统安全保障的基础，其重要性不言而喻。目前高速铁路牵引变电所接地网常由铜棒垂直接地体和铜绞线水平接地体组成，覆盖牵引变电所的室外场坪后与一次设备接地连接，起到接地防雷泄流作用。
2、二次侧防雷系统
2.1 利用屏蔽措施防雷
为避免灵敏的电子通信设备免受雷害，通常在牵引变电所设置电子设备机房法拉第笼，将法拉第笼与一次综合地网连接接地，对外部高压进行屏蔽。法拉第笼最早是由英国物理学家法拉第根据静电平衡原理利用金属空腔隔离静电场影响所采用的一种结构，当笼体放入电场中时，电荷只能分布在笼体的外表面。笼内没有电场，笼体隔离了外电场的作用，使外电场不能进人内部，实现了静电屏蔽。真是因为该原因，法拉第笼在牵引变电所内的应用不仅起到综合防雷的效果，而且可以有效地避免不必要的电磁干扰。
2.2 利用等电位连接措施防雷
为有效防止感应过电压侵入牵引变电所，减小雷电流在二次侧引发的电位差，在高速铁路牵引变电所施工过程中采用以下措施进行等电位连接。
（1）在主控室内分别设置安全接地汇集线、电磁屏蔽接地汇集线。接地汇集线采用 30×3mm紫铜排。汇集线与地网的引出线穿墙后套管引至地网，与引下线间距应大于5米。
（2）在主设备机柜内设置防雷设备接地铜排，主设备机柜内设备就近接地。
（3）除主设备机柜外，其它挂墙设备或小设备机壳可与安全接地汇集线就近连接。
2.3 利用安装防雷单元措施防雷
防雷器又称避雷器、浪涌保护器、电涌保护器、过电压保护器，简称SPD，是一种为各种电子设备、仪器仪表、通讯线路提供安全防护的电子装置。当电气回路或者通信线路中因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压时，浪涌保护器能在极短的时间内导通分流，从而避免浪涌对回路中其他设备的损害。由于该特性，防雷器被广泛应用于牵引变电所二次线路及设备防雷。防雷组合单元安装设置如下：
（1）在交流屏市电输入端设置第一级电源防雷器，防雷器配置后备保护开关。
（2）在交流屏市电输出母排设置第二级电源防雷器，防雷器配置后备保护开关。
（3）在直流屏市电输入端设置第三级电源防雷器，防雷器配置后备保护开关。
（4）在直流屏输出端设置直流电源防雷器，防雷器配置后备保护开关。
（5）在保护测控屏与室外设备连接的电流和电压采集线路、控制线路上设置信号防雷器。
（6）在网隔开监控屏直流引入处设置直流电源防雷器，防雷器配置后备保护开关。
（7）在网隔开监控屏工控机网络口设置网络口保护器。
（8）在当地监控的交直流电源引入处、GPS天馈线分别设置交、直流电源及天馈防雷器。
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（9）在所有主设备机柜的远端信号COM口设置信号防雷器。
（10）在室外端子箱的交流引入处、直流母线设置电源防雷器。
（11）在视频监控屏交流引入处设置交流电源防雷器。
（12）在视频监控屏与室外设备连接的电源线、信号线（视频线、控制线）上分别设置电源及信号防雷器。
（13）在传输机柜直流引入处、通讯线缆上分别设置直流电源及通讯线缆防雷器。
3、牵引变电所综合防雷的优化措施
尽管电气化高速铁路牵引变电所在外部（一次侧）、内部（二次侧）分别采取了有效的防雷措施，但是由于雷电活动的复杂性，现有的设备器械都很难短时消耗和承受雷电活动的冲击，加之铁路牵引变电所及铁路线的特殊运行工况，近年来，牵引变电所发生多起雷击事故，对牵引变电所设备造成损毁，影响铁路运输。通过理论分析和工程实践，对传统综合防雷措施提出以下几点优化：
（1）通过采用不同的接地材料，以提高接地网的可靠性、持久性。主要方案措施有：采用非金属接地极，降低接地体的电阻率，同时减少带电地网对金属地极的电化学腐蚀，增加地网寿命；采用等离子接地棒，降低地网的接地电阻，同时等离子接地棒的缓释效应，保证地网接地电阻值不随季节改变；采用长效环保降阻剂，降低接地电阻，增加垂直接地极与土壤的接触面，有利于电流泄放。
（2）通过在牵引变电所附近供电线架设避雷线，限制沿馈线流经避雷器的雷电流幅值和入侵波的陡度，实现进线段保护，避雷线兼做成排支柱集中接地线用。变电所馈线供电线的避雷线不得直接和所内配电装置架构相连，避雷线的接地装置应与牵引变电所的主接地网相连，连接线采用裸导线，埋在地中的直线长度不应小于15m。
（3）对综合自动化系统直流电源供电回路的优化，防止因损坏牵引变电所部分保护装置后，使整所保护失效。在牵引变电所增设独立的应急保护装置，应急保护装置宜来用独立电源，采集综合自动化装置控制回路电源监视接点信号，当综自重要回路失电时，则驱动牵引变电所进线高压侧断路器跳闸。通过以上方案，增强综自系统防雷的灵敏度和安全性。
（4）在所内设置隔离变压器，防止雷击过电压通过线路传入所内烧坏二次设备。从交流屏引出的接触网隔离开关操作电源回路宜在所内设置隔离变压器，再由隔离变压器馈出至接触网隔离开关，隔离变压器两侧均不接地。
4、综合防雷系统的维护
牵引变电所防雷系统投入使用后，变电所室内室外都有防雷设备，对于防雷系统而言，防雷设备在其中扮演着核心的角色，因此，如何保证防雷设备持续有效的发挥防护作用，对综合防雷系统的有效维护，成为提高系统防护效率较为关键的环节。
4.1 防雷装置的维护
（1）对浪涌保护器等防雷设施在每年的雷雨季节前进行一次检测。
（2）日常性维护应在每次雷击之后进行。检查防雷器的劣化指示和报警信息。雷电活动强烈的地区，应增加防雷装置的检查次数。
（3）检查项目有：导线连接是否可靠；防护模块的失效、指示窗口是否正常。若防护模块的指示窗呈红色，或出现遥信告警，则可判定防护模块有故障，应及时加以更换。
（4）检测外部防雷装置的电气连续性，若发现有脱焊、松动和锈蚀等，应进行相应的处理，特别是在接地测试点，应对地网电阻进行测量。
4.2 智能防雷监测系统的应用
牵引变电所防雷系统投入使用后，变电所室内室外都有防雷设备，对于防雷系统而言，防雷设备在其中扮演着核心的角色，因此，如何保证防雷设备持续有效的发挥防护作用，成为提高系统防护效率较为关键的环节。可以在牵引变电所安装应用智能监测系统，对防雷设备所在环境状态信息进行实时监控，在有雷击发生时能够记录雷电发生时间、幅值、波形等，是现场故障分析时更有针对性。同时智能化管理一定程度上减少现场巡查的频率、降低了运行成本。
5、结束语
安全经济是永恒的课题，牵引变电所作为铁路供配电系统的枢纽，防雷系统安全可靠关乎铁路系统供电及运行安全，影响社会经济。本文通过对牵引变电所综合防雷技术进行研究，并提出优化及维护措施，可供类似工程参考、借鉴。
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论文作者:曹进武
论文发表刊物:《电力设备》2017年第5期
论文发表时间:2017/5/25
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