铁路系统中压电力设备的防雷保护

铁路系统中压电力设备的防雷保护
铁路系统中压电力设备主要包括牵引变电所27.5kV电力设备，电力35kV及10kV 变配电所、架空线路，27.5kV接触网。

该电压等级设备具有数量众多，耐雷水平低，重要程度又比较高等特点。

1、引言
雷电作为一种自然天气相象，人类只能通过不断的观察研究，掌握其规律，利用不同的手段减轻或避免其造成的危害，而不能阻止雷电的发生。

雷电灾害的种类很多，本文主要讨论雷电对铁路中压电力设备的危害及防护措施。

雷电对铁路电力设备的危害主要包括两个方面，一是各种雷电过电压对电力设备绝缘的损害或绝缘的击穿，二是雷电流通过设备时产生的电动力和热效应对设备的损害。

根据人们多年来的观察，雷电参数具有很大的分散性；雷电活动的强度与天气条件有很大关系；雷击的选择性与地势、地质、地面突起物等关联度很大。

正是由于雷电活动的不确定性，所以电力设备防雷是一个技术问题，也是一个经济问题，应根据设备的重要性不同采用差异化防雷设计，如果不论设备的重要性，都采取的严格的防雷措施，在经济上会造成巨大的浪费，甚至在经济上是无法接受的。

2 、雷电参数介绍
与防雷设计相关的参数主要有
⑴雷暴日及雷暴小时数——该数据主要表示了一个地区的雷电活动频率，根据雷暴日的多少，有少雷区、多雷区及强雷区的划分。

如果当地有运行雷暴日参数，设计时应优先根据运行经验数据。

⑵雷电流幅值——根据人类多年来的观察，雷电流的分布在在几kA至上百kA 不等，雷电流幅值曲线遵循对数正态分布规律。

针对雷暴日数量，我国有lgP=-I/88(雷暴日＞20日)和lgP=-I/44(雷暴日≤20日)两个概率分布推荐公式。

⑶雷电流波前时间、陡度及波长——实测波前时间一般在1～4μs，平均为2.6μs左右，波长20～100μs，平均40μs左右。

我国防雷设计波形一般采用2.6/40μs，绝缘试验中，采用1.2/50μs的波形。

雷电流的波前陡度α是一个重要参数，其数值为雷电流幅值与波前时间的比值，实测表明，波前陡度最大限制一般可取50kA/μs。

3、雷电过电压介绍
不论电力设备的电压等级高低，因雷电而产生的可能对设备造成损害的过电压主要包括直击雷过电压，感应雷过电压和雷电侵入波过电压，下面分别介绍。

⑴直击雷过电压因为雷击物体的过程相当于雷云电荷通过被击物体向大地放电的一个过程，电荷移动产生电流，电流通过被击物体在被击物体阻抗上产生的电压降就是作用于雷击物体的雷击过电压。

⑵感应雷过电压感应电压分为静电分量和电磁分量。

静电分量是由于雷击发生后，雷电荷迅速中和，导致雷电放电前雷云（聚集大量电荷）附近架空线路中导线束缚电荷迅速移动而产生的。

电磁分量是主放电通道电流在其通道周围产生强大的磁场，处于该磁场中的导线因电磁感应而产生的过电压。

⑶雷电侵入波过电压雷击导线后，相当于一个很大的雷电流沿导线流动，由于电气设备都有一定的阻抗，所以雷电流所到之处，流过该处设备时必然在设备上产生一定的电压。

这一类过电压被称为雷电侵入波造成的过电压。

4、电力设备绝缘
电气设备绝缘按绝缘的可恢复性可分为以下两类：
⑴可恢复性绝缘，主要指气体绝缘，针对我们所讨论的范围主要是指架空线路（含接触线）导线间或导线与地之间的空气绝缘，变配电所的外露导电部分之间及导电部分与地之间的空气绝缘。

⑵不可恢复性绝缘主要指电力设备的内绝缘，多由固体介质或液体介质组成。

5、电力设备防雷
针对我们所讨论的电力设备所处的环境不同，我们分为架空线路和变配电所两类分别讨论。

架空线路主要就是指贯通架空线路、接触线及其他35kV及以下中压架空线路，以下讨论统称中压架空线路；变配电所就是各类牵引变电所、AT所、分区所及其他变配电所，以下讨论统称变配电所。

下面根据上面所提到的三雷雷电过电压，针对线路和变配电所分别讨论。

⑴架空线路
①直击雷电过电压下表是我国标准规定的各级线路应有的耐雷水平，从下表可以看出35kV线路约有一半机会的落雷会导致线路闪络，这也是一般35kV线路不全线架设避雷线的原因，因为即使装设了避雷线还是会有一半的机会导致避雷线对线路反击。

针对我们的27.5kV接触网和10kV线路，耐雷水平更低，直
击雷过电压导致的闪络机会更大，在不特意提高线路绝缘水平的情况下，装设避雷线当然更没必要。

所以针对该线路，一般不做防直击雷措施，而应通过降低降弧率和建弧跳闸后的自动重合闸来提高线路供电的连续性。

而且线路落雷闪络对变配电所的防雷是有利的，因为线路落雷后，雷电流沿线路的传递过程中，会由于杆塔分流，线路电晕、线路阻抗等原因很快衰减，而不会传递到相对重要的变配电所，进而保护了变配电所。

同时线路的绝缘为自恢复性绝缘，除了可能带来的短时停电，一般不会带来大的设备损失。

但应注意导线闪络可能导致绝缘子串的电弧损伤，应加强绝缘子耐弧方面的研究。

各级电压线路应有的耐雷水平
②感应雷电过电压针对我们所讨论的电压范围，对35kV线路和27.5线路一般不会发生闪络，对10kV线路可能会有少量闪络，但概率也较小。

所以一般也不单独采取措施。

③雷电侵入波过电压对线路而言，这是直击线路后的后续过程，线路绝缘子闪络机会随着雷电流在传导过程的减少而减小。

特别注意，降低杆塔的接地电阻对防雷有特别的意义，随着接地电阻的降低，作用一是加强了雷电流的泻流，使得影响的线路范围减少；二是降低作用在线路绝缘子串上的电压，所以在可能的情况下，应尽量降低杆塔电阻。

⑵变配电所
①直击雷电过电压变配电所一般作为区域供电的核心，尤其是牵引变电所，直接关系到铁路行车，并且变配电所很多设备内部是非自恢复性绝缘，所以对雷电过电压限制要求比较严格，同时由于范围小，也容易实现。

直击雷的防护一般就是经常采用的避雷针或避雷线。

按目前国家标准推荐的避雷针或避雷线保护方式进行的防雷设计，保护范围的可靠率为99.9%，对工程而言，已经认为足够满足要求。

在实施过程中只要注意避雷针与35kV及以下电气设备保持适当的距离（地上和地下）即可，因为距离过近时在超过一定范围的雷电流可能会对该电压
等级的设备造成反击。

②感应过电压直击变配电所附近一般不会对变配电所设备造成损害，但如果直击变配电所避雷针时，在避雷针雷电流磁场交链范围内的会产生一定的过电压。

根据该类过电压产生的机理，可以采用的相应的防止措施，一是设备布置时，尽量保持与避雷针的距离，同时减少与避雷针的平行段长度；二是利用电气设备金属外壳或者钢筋混凝土建筑的屏蔽作用；二是良好的接地网，使得不同带电设备之间或者同一带电设备的不同可导电部分尽量减少电位差。

根据目前的运行经验，该类过电压对中压设备的危害也很少，主要是针对一些低压设备。

③雷电侵入波过电压由于线路落雷机会多，所以这是目前变配电所雷害的主要来源，并且对中压设备的雷灾损失主要来自中压侧线路自身。

我国2009年6月6日发生的HW高铁LA变电所发生爆炸可能就是此原因。

装设避雷器是主要的防范措施之一，但避雷器的作用得以发挥需要在一定的条件下，一是避雷器安装处的雷电流幅值，二是避雷器安装处的雷电流陡度。

目前我国35kA及以下中压等级的避雷器标称放电电流值多为5kA，而雷电流超过该值的概率为88%，所以如果不采取措施，变配电所近端线路落雷，雷电侵入波可能超出避雷器的通流容量，导致保护失败。

另一方面是避雷器的保护范围与侵入波的陡度有关，所以需要限制进波陡度。

目前针对35kV线路一般是增加进线段保护，进线段（1～2km）架设避雷线，同时加强该段绝缘，使得该段减少直击雷的概率，进线段外落雷时，由于杆塔分流，线路电晕、线路阻抗等作用使得进入避雷器的雷电流幅值和陡度满足要求，多年运行经验表明，该方法的作用也是可靠的。

针对铁路的10kV线路和27.5kV接触线，一般很少采用架设进线段避雷线和加强绝缘。

理论上可采用的办法主要有以下三个，一多个避雷器的并联，但设备的增多可能会导致故障几率的增加，尤其是避雷器雷电流的的分配不均匀时；二是进线段架设避雷针，起到与避雷线相同的作用；三是进线段改用电缆，电缆金属外皮的分流作用，会大大降低进入设备处的雷电压幅值。

我国电力科学院在1957年就进行的电缆的雷电放电实测试验，142米3×120mm2电力电缆，电缆入射端雷电流为9kA时，电缆末段缆芯和外皮之间的电压只有150V，可见电缆雷电保护水平是很高的。

“过电压保护导则中推荐的电缆长度L≥100m，10kV电机的耐雷水平在150kA以上，而一般的非电机类电力设备的绝缘要远远高于同电压等级的电
机绝缘，所以针对我们所讨论的设备，相同的电缆长度，电缆保护水平会更高。

6、结语
由于雷电的不确定性，并且限于目前的研究水平，雷电灾害防护措施还是以运行经验相、模拟试验和理论计算相结合的方式进行，尤其是针对本文所讨论的中压电气设备，由于分散广，电压等级相对较低，受重视程度一般也不高，所以防雷措施方面不如110kV及以上等高压设备。

但正是由于该电压等级的设备分布广，尤其是铁路接触网等电力设施，沿铁路线分布，并且各类变配电所为进出线的方便还布置于铁路沿线相对开阔平坦的地方，所以这一切都增加了遭受雷击的可能。

所以针对铁路行业的特殊性，应根据各类设备的重要程度，采取差异化的防雷保护措施，针对某些特殊容易遭受雷击的地区是很有必要的。