接触网雷害分析及防雷措施

接触网雷害分析及防雷措施学 生 姓 名： 学 号： 专 业 班 级： 指 导 教 师： 接 触 网 雷 害 分 析 及 防 雷 措 施- -摘 要本论文主要阐述接触网雷害分析及防雷措施。接触网是电气化铁道系统必不可少的主要设施之一，特点是没有备用线路，发生任何事故，都将中断铁道运营。接触网线路长，穿越山陵旷野，遭受雷电袭击的机率大，容易受雷击导致电气设备损坏。接触网没有避雷线，接触网上装有少量的避雷器，其工作接地直接接在钢轨上，或接入轨道电路的轭流变压器线圈中点。这样的简单方式对防止雷电过电压是不够的。本文就是针对铁路电网结构及特点，研究雷电过电压及其保护措施，保证铁路电网的安全运行，减少雷击损失。这不仅对铁路运输具有重要的经济意义，也对加快社会物质流动和经济建设步伐具有重要的意义，也是工程实际中需要研究解决的热门课题。我国客运专线建设速度加快，所经地区地理、气象、气候条件差别较大，情况复杂，如果接触网不设避雷线，易遭受雷击引起损坏。为保证接触网运行的高可靠性在分析德国、日本接触网防雷措施的基础上结合我国电气化铁道现状，提出接触网系统防雷的改建建议。通过分析和理论计算，对客运专线接触网系统防雷进行研究。针对电气化铁道中部分线路遭受雷击较频繁的现状对广深线接触网遭受雷击跳闸进行了统计分析，建议广深线全线架设架空地线架空地线采用柱顶方式安装。在强雷区应设置避雷线对客运专线应切实做好避雷器和避雷线的接地，保障避雷设施正常运行。关键词：接触网；雷害分析；防雷措施西 安 铁 路 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文-I-目 录摘 要 .I引 言.11 电气化铁道概述.21.1 电气化铁路接触网概述21.2 电气化铁路组成和分类21.3 接触网的地线51.4 避雷器技术61.4.1 避雷器的作用.81.4.2 间隙、磁吹间隙.81.4.3 高压电容器.101.4.4 铝电解避雷器.111.4.5 氧化锌避雷器.111.4.6 管型避雷器.121.5 交流电气化铁道接触网上采用的避雷器141.6 吸流变压器与回流线152 接触网雷害分析.162.1 国外高速铁路防雷设计概况162.1.1 德国铁路防雷现状.162.1.2 日本铁路防雷现状.162.2 国内接触网防雷设计概况173 客运专线接触网防雷措施.183.1 雷电流的概率分布183.2 接触网遭受雷击过电压的分析193.2.1 直接雷台.193.2.2 雷电反击过电压.193.2.3 感应雷击.203.2.4 接触网耐雷击水平计算.203.3 接触网遭受雷击跳闸统计分析及防雷建议203.3.1 现场实例.203.3.2 跳闸分析.213.3.3 广深线防雷建议.21接 触 网 雷 害 分 析 及 防 雷 措 施- II -3.4 避雷器设置的分析223.4 客运专线接触网防雷建议22结 论.24致 谢.25参考文献.26接 触 网 雷 害 分 析 及 防 雷 措 施- 0 -引 言铁路是我国的主要交通干线，规划近期将建成铁道总里程 80000km，其中电气化铁道 20000km,占全国铁路营业总里程的 24%，但电气化铁路承担运量占我国铁路总运量的 1/3 以上。在四大交通中，飞机造价太高，汽车运力不足，轮船受地理条件限制，因此，铁道必将是国民经济发展的先行，高速、重载电气化铁道是铁路运输发展的方向。根据国家制定的战略发展规划，今后相当长的时期内将重点发展交通和能源。接触网是电气化铁道系统必不可少的主要设施之一，特点是没有备用线路，发生任何事故，都将中断铁道运营。接触网线路长，穿越山陵旷野，遭受雷电袭击的机率大，容易受雷击导致电气设备损坏。接触网没有避雷线，接触网上装有少量的避雷器，其工作接地直接接在钢轨上，或接入轨道电路的轭流变压器线圈中点。这样的简单方式对防止雷电过电压是不够的。例如：广州东至深圳段，全线 80km（139 正线公里，730 条公里），1998 年 8 月 28 日正式开通运营后，当年雷电活动仅剩的 个月内就多次发生雷击闪路、跳闸，接触网的钢筋混凝土支柱数十根发生电烧伤，支柱上小块混凝土炸裂，沿线电务信号设备多处发生击穿、烧损，严重地威胁到了铁路行车装备的安全。所以，必须对接触网的防雷保护状况给予高度重视，目的是减少雷电对接触网的危害，保证铁路电网安全运行。2004 年 4 月 18 日，全国铁路迎来第五次大提速，如果不能很好的保证铁路电网的防雷安全，也就不能保证铁路交通的顺畅，提速也就无意义了。接触网雷害分析及防雷措施是否得当对电气化铁路有一定的影响，希望通过对此课题的研究自己能对这方面的知识有更深层次的了解。西 安 铁 路 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文-1-1 电气化铁道概述中国的电气化铁路采用了目前国际上普遍使用的先进的 25kV 单相工频交流制。其优点为：牵引供电系统的结构简单，牵引变电所损耗小、间距大、数目少，机车粘着性能和牵引性能良好，大大降低了建设投资和运营费用。1.1 电气化铁路接触网的概述在铁路运输中，目前存在着三种主要牵引动力:蒸汽机车牵引、内燃机车牵引和电力机车牵引。采用电力机车牵引列车运行的铁路称为电气化铁路。它和蒸汽、内燃机车牵引的铁路相比，增加了一套牵引供电系统，是电气化铁路设备上的主要特点，牵引供电系统主要包括牵引变电所和接触网两大部分。接触网是电气化铁路中主要供电装置之一，是沿铁路线上空架设，其功用是通过它与电力机车受电弓直接接触将电能传送给电力机车的一种特殊形式的输电线路，是一种无备用的户外供电装置，经常受冰、雨、雪、风等恶劣气候条件的影响，一旦损坏将中断行车，给铁路运输生产带来损失。所以，对接触网在设计方面和日常维护方面提出以下基本要求：1、接触悬挂应弹性均匀，高度一致，在高速行车和恶劣气候条件下，能保证正常取流。2、结构应力求简单，并保证在施工和运营检修方面具有充分的可靠性和灵活性。3、寿命应尽量长，具有足够的耐磨性和抗腐蚀能力。4、应注意节约有色金属及其他贵重材料，以降低成本。5、在日常维护时，按标准化作业程序，坚持标准化作业，严格按照设备 M 技术标准检修，严禁凭经验、臆测行事。6、按铁道部接触网安全工作规程、接触网运行检修规程中的巡视周期、检修周期，定期进行巡视检修。对开展停电作业的，若“天窗“ 不能兑现，应按其检修周期进行测量，发现影响行车的设备，立即报段生产调度和供电调度，要点检修。在检修前，应做好临时安全措施并做好记录。1.2 电气化铁路组成和分类（1）电力机车从防制到独立开发，我国的电力机车已经形成了韶山车族电力机车，其牵引功率已达 9000 KW，时速超 250KM/h,和谐号动车组成为客运专线主要运营车辆。接 触 网 雷 害 分 析 及 防 雷 措 施- 2 -图 1.1 韶山车族电力机车受电弓以（68.69.8）N 的接触压力紧贴接触线摩擦滑行，将电能引人机车。图 1.2 受电弓（2）接触网供电接触网供电是向电力机车供电的特殊输电线路。接触网上的额定电压：为 25kv，由于较长距离的供电，在输电电线路和接触网中产生的电压和电能损耗，使接触网未端电压降低。为了使接触网未端不低于电力机车的最低工作电压，牵引变电所馈出母线上的额走电压为 275kV。图 1.3 所示为直接供电方式的供电系统。西 安 铁 路 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文-3-图 1.3 供电系统1高压输电线，2牵引变用所，3馈电线，4接触网，6电力机车；7钢轨接触网的供电方式1单边供电2双边供电3越区供电（3）接触网的组成图 1.4 接触网组成接 触 网 雷 害 分 析 及 防 雷 措 施- 4 -1、接触悬挂接触悬挂包括接触线、吊弦、承力索以及连接零件。接触悬挂应满足以下要求：（1）接触悬挂的弹性应尽量均匀。（2）接触线对轨面的高度应尽量相等。（3）接触悬挂在受电弓压力及风力作用下应有良好的稳定性。（4）接触悬挂的结构及零部件应力求轻巧简单，做到标准化。（5）另外，要结合国情尽量节省有色金属及钢材，降低造价。2、支持装置支持装置用以支持接触悬挂，并将其负荷传给支柱或其它建筑物。支持装置包括腕臂、水平拉杆、悬式绝缘子串，棒式绝缘子及其它建筑物的特殊支持设备。3、定位装置定位装置包括定位管和定位器。功用是固定接触线的位置，使接触线在受电弓滑板运行轨迹范围内，保证接触线与受电弓不脱离，并将接触线的水平负荷传给支柱。4、支柱与基础支柱与基础用以承受接触悬挂、支持和定位装置的全部负荷，并将接触悬挂固定在规定的位置和高度上。1.3 接触网的地线1地线的作用接触网地线是起保护作用，地线将接触网设备中非常带电的金属部分于钢轨连接起来，当绝缘子发生击穿，闪络或因老化而严重漏电时，变电所保护装置回立即反映事故状态，迅速切断电路。2.地线的按设及要求西 安 铁 路 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文-5-根据供电设计规范的规定：接地装置可接钢轨，在采用轨道电路的区段，接地装置可采用集中接地或单独接地；直接接至扼流变压器线圈中点或串接火花间隙后接至钢轨。目前大部分地线是通过火花间隙接钢轨，以免对信号轨道电路发生干扰。1.4 避雷器技术人类对雷电采取防护措施，最早可追溯到 12 世纪。我国湖南现存的岳阳慈氏塔(约在 1100 年重建) ，自塔顶有 6 条铁链沿六个角下垂至地面上一定高度，可用来防止雷击损坏。有的古塔还将此类铁链沉入井，实现良好接地。几年前作者偶然在安庆调查一类似上述结构的古塔，六条铁链下垂到地面以上约 1m，询向当地居民，也有说传闻说过去铁链沉入井中，问现在何以无井，均未能答。中国古代屋宇顶上的龙咀伸出舌须，或许是人们寄希望于防止龙抓(雷击) 。据说，有的舌须根部用细铁丝直通地下，这可能是现代避雷针的雏形。1750 年，美国 B.富兰克林提出了以避雷针保护建筑物的理论和方法。此前，他冒生命危险用金属线放风筝飞入雷云中，证明了雷闪现象的本质是电。不久，俄国科学家罗蒙诺索夫和他的好友利赫曼也在雷云天，放风筝做试验。试验本身是达到了目的：由雷云从风筝金属线向大地放电，形成由人干预的向地直接雷击和主放电，即达到了“引雷成功” ，而代价是太大了：科学家利赫曼为科学而牺牲，一起放风筝的罗蒙诺索夫幸免于难。(风筝试验的图略，见文献)作者认为，我们这些防雷工程师应当永远铭记这三位高电压和防雷先驱： 富兰克林 罗蒙诺索夫 利赫曼历史发展的辩证法常常是经历多少年后，再以更发展的形式重复某一事件。二百多年以后，作者于 20 世纪 90 年代初，作为特约专家，在北京主持我国中科院兰州大气物理所和解放军二炮合作完成国防重点课题火箭引雷车研制与火箭引雷试验研究的国家鉴定( 任主任委员)，1997 年又在电力部参加火箭引雷试验可行性论证专家研讨会，会后又应邀作为七位专家之一，为部领导写关于立课与否的专家意见，并由作者撰写七位专家的综合意见，直到不久前，在我所主持的 2002 年高电压技术与社会发展专委会学术研究会(2002.4.1214，厦门)论文集中，国家电力公司广东省电力试验研究所等提供火箭引雷对防雷装置试验这一国家重点课题所取得的重要科研成果，将雷电先导的发展和向防雷装置定位及放电的现象(光学的和电的)和规律，在理论上向前推动了一步。一个鲜为人知的重要事实是在富兰克林发明避雷针的第二年，一位法国工程师写信给富兰克林，报告并祝贺，按他的发明安装的一支避雷针接闪，即把雷引向避雷针从而避免了邻近被保护物遭受雷击。这既是人类首次干预雷闪自然活动途径(而且是导接 触 网 雷 害 分 析 及 防 雷 措 施- 6 -致自然灾害的活动)的预期目的获得成功，又是无可辩驳的事实，使发明者改变了原来的想法徐徐放电，中和雷云中的电荷，避免雷害，得出了“引雷”击于自身，避免击于被保护物的正确看法。主要参数1、标称电压 Un：被保护系统的额定电压相符，在信息技术系统中此参数表明了应该选用的保护器的类型，它标出交流或直流电压的有效值。2、额定电压 Uc：能长久施加在保护器的指定端，而不引起保护器特性变化和激活保护元件的最大电压有效值。3、额定放电电流 Isn：给保护器施加波形为 8/20s 的标准雷电波冲击 10 次时，保护器所耐受的最大冲击电流峰值。4、最大放电电流 Imax：给保护器施加波形为 8/20s 的标准雷电波冲击 1 次时，保护器所耐受的最大冲击电流峰值。5、电压保护级别 Up：保护器在下列测试中的最大值： 1KV/s 斜率的跳火电压；额定放电电流的残压。6、响应时间 tA：主要反应在保护器里的特殊保护元件的动作灵敏度、击穿时间，在一定时间内变化取决于 du/dt 或 di/dt 的斜率。7、数据传输速率 Vs：表示在一秒内传输多少比特值，单位：bps；是数据传输系统中正确选用防雷器的参考值，防雷保护器的数据传输速率取决于系统的传输方式。8、插入损耗 Ae：在给定频率下保护器插入前和插入后的电压比率。9、回波损耗 Ar：表示前沿波在保护设备（反射点）被反射的比例，是直接衡量保护设备同系统阻抗是否兼容的参数。10、最大纵向放电电流：指每线对地施加波形为 8/20s 的标准雷电波冲击 1 次时，保护器所耐受的最大冲击电流峰值。11、最大横向放电电流：指线与线之间施加波形为 8/20s 的标准雷电波冲击 1 次时，保护器所耐受的最大冲击电流峰值。12、在线阻抗：指在标称电压 Un 下流经保护器的回路阻抗和感抗的和。通常称为“系统阻抗”。13、峰值放电电流：分两种：额定放电电流 Isn 和最大放电电流 Imax。14、漏电流：指在 75 或 80 标称电压 Un 下流经保护器的直流电流。相关标准防雷器的常见执行标准（各国要求不一样）：IEC61643-1 、GB18802.1-2002、UL1283Filter 、UL1449.2nd.Edition西 安 铁 路 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文-7-我国现在防雷系统现在实施的是中华人民共和国建设部 2004 年 3 月 1 日制定的：GB503432004建筑物电子信息系统防雷技术规范 和中华人民共和国建设部 2000年 10 月 1 号制定的：GB5005794建筑物设计防雷规范 。知名品牌目前市面上比较常见的防雷器有：国内的艾尔盾、雷安、中光、爱劳、地凯、雷尔盾、迪舰、科比特、雷科星、雷光、雷迅、万佳等国外的 DEHN、OBO、Phoenix、Soule 等（以上排位不分先后）1.4.1 避雷器的作用防雷器的作用是用来保护电力系统中各种电器设备免受雷电过电压、操作过电压、工频暂态过电压冲击而损坏的一种电器。防雷器的类型主要有保护间隙、阀型防雷器和氧化锌防雷器。保护间隙主要用于限制大气过电压，一般用于配电系统、线路和变电所进线段保护。阀型防雷器与氧化锌防雷器用于变电所和发电厂的保护，在 500KV及以下系统主要用于限制大气过电压，在超高压系统中还将用来限制内过电压或作内过电压的后备保护。接触网工作的额定电压为 25kV 但在某种情况下会出现大大超过 25kV 的电压，称为过电压。过电压分为操作过电压和大气过电压。大气过电压是指在接触网附近，发生雷击时使接触网产生的过电压。这种峰值很高的过电压会使绝缘子闪络、击穿而发生短路事故，造成接触网设备损坏，当安装了避雷器后，它能及时地将雷电引入大地。1.4.2 间隙、磁吹间隙19 世纪 7080 年代是电力网发展的初期阶段，当时几乎无任何过电压保护装置。80 年代末期，在电力网中才采用了电话的保护装置导雷器，实际就是保护间隙串联一个熔断器，或只装间隙。(如图 1.6 所示) 后来在本世纪 30 年代初，发展成去游离避雷器，即由纤维管制成的管型避雷器。至于间隙，则直到现在还在某些情况下使用。例如，从我国低压 220/380V 配电，短波、超短波越天线引入机房时的第一道防护装置到欧洲 220400kV 变电所设备上的辅助保护间隙。 接 触 网 雷 害 分 析 及 防 雷 措 施- 8 -图 1.6 导电器注：1火花间隙上世纪 90 年代初期， E.Tomsom 制出了磁吹间隙，用来保护直流电力设备。图1.7 所示可以说，这是现代磁吹避雷器的前身。20 世纪初，开始注意限制工频续流问题。1901 年德国制成用串联线性电阻限流的角形间隙，这是现代阀型避雷器的前身。上述保护装置，实际上主要是用来防止感应雷造成的事故。如果是直击雷，或是击于线路上的近区雷击，电气设备多数还会被击毁。值得注意的是，近年德国一公司自称造出吸收能量最大的 MOV 过电压保护器(多数是 70kA、100kA)，而且可通过10/350s 长波通流试验，其特点就是 MOV 串联一个磁吹角型间隙。 图 1.7 磁吹避雷器注：1角形间隙；2磁吹线圈；3直流发电机西 安 铁 路 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文-9-1.4.3 高压电容器1908 年瑞士 MOscick 提出利用高压电容器作防雷元件的方案，通常是与电抗线圈配合使用，构成防雷吸波器。如图 1.8 所示 30 年代初，前苏联莫斯科电力系统曾用电感线圈保护几个 33kV 变电所，但因阀型避雷器装于电感线圈外侧，电感与变压器入口电容谐振，使变电所雷害事故率翻一番，而且电感线圈本身还发生不少绝缘事故，因而后来拆除了这些电感元件。我国 40 年代和 50 年代初，有些发电机、升压变压器和配电变压器曾采用电感元件保护，可惜未很好总结经验，后来多数电感元件没有继续使用。只是到了 60 年代，波兰才在 35110kV 变电所，利用装于进线入口的电感元件取得良好的防雷效果(阀型避雷器装于变压器与电感元件之间，防止了 L-C 谐振)。直到现在，电容电感元件还是我国和国外保护旋转电机的有效保护装置。我们过电压保护与接地国标修订组调查分析表明，经过电感线圈供电的发电机，其平均无故障工作时间 MTBF(雷害)290 年，即提高防雷可靠性 310 倍。我们将电力部门近千个微波站全国指标 MTBF60 年提高到 200500 年的微波站过电压保护柜，措施之一是11 变压器。近年，国外公司在电力、电子保护环节中所用的解耦(退耦)元件并非新物，就是一个电感线圈。裸导线 510m 长的电感有时也相当解耦元件。 图 1.8 防雷吸波器T变压器；S水电阻器或导体电阻器；L电抗线圈；C1、C2电容器接 触 网 雷 害 分 析 及 防 雷 措 施- 10 -1.4.4 铝电解避雷器1907 年在美国出现了铝电解避雷器，利用它在不同电压下能通过或阀截电流的特性遮断工频续流，它曾用于 100kV 高压电网。 1922 年美国西屋公司(WH)制出了自动阀型避雷器。1929 年美国通用电力公司(GE)制出契利特阀型避雷器，使系统雷击损坏率下降 90。阀型避雷器通过雷电流能力的发展情况如下(多数用 8/20s 后试验，通过 20 次，且残压变化不大于10)。 111982 1934 1935 1937（年）300 3000 10000 100000（A）后者系 4/10s 波形 2 次，100kA 及以上。50 年代初，磁吹避雷器问世，它兼能防护雷电过电压和内过电压，这是避雷器发展的一个转折点。因为直到今天，即使在 220/380V 低压配电网中的过电压保护器也要求对操作过电压波(SEMP)具有防护能力。其 2ms 方波或工频续流通流能力从开始的 150A，发展到 80 年代初的 1500A 左右，我国高压避雷器的 2ms 方波通波能力发展情况如下。 1964 1972 1977 1980 1982(年)400 800 1000 1200 1500（A ）现在保护 220/380V 电源的过电压保护器应具有 SEMP 的防护能力，其主要判据是 2ms 方波的通波能力。当然，还有待定出 MOV 的耐受电流标准值。1.4.5 氧化锌避雷器1968 年日本大阪松下电气公司研制出了新一代 “无间隙避雷器” ，即氧化锌避雷器，开始应用于电子工业。这是一种利用金属氧化物对电压敏感特性来吸收交、直流电路中雷电过电压和操作过电压，以保护电力、电子器件的装置。开始主要用于产生电火花的电触点，用来吸收暂态电压能量。1976 年，迅速向高电压电网发展，日本首先制成 84kV 级耐污型无间隙避雷器，到 80 年代初已制出 275kV 和 500kV 级超高压避雷器。由于开始时造价较高，而性能又大有改进，故其发展和使用在很长一段时间主要用于超高压电网，而且各国多是从超高压使用，待价格下降后才逐步用于较低电压电网。因为前者残压每降低 8左右，可使设备的绝缘水平降低一级(68)，相应的设备造价可下降 46。这对几百万元、上千万元一台的超高压电力设备，采用 MOV 具有很大经济意义，即使一组 MOV 价值数十万元也是值得的。西 安 铁 路 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文-11-1972 年，我国武汉市一个小厂生产出我国第一批氧化锌压敏元件，属于世界上少数几个继日本之后能制造 MOV 的国家之一。MOV 在我国的应用也是从高电压向低电压发展的模式。例如，80 年代初，华北 500kV 超高压电网首先从瑞典 ASEA 公司引进 500kV MOV，同期机械工业部同水利电力部共同观察、分析、谈判后决定，西安电瓷厂和抚顺电瓷厂分别从美国 GE 和日本日立公司引进生产专利，不久即造出接近世界水平的 500kV MOV。80 年代中后期，先后在 330kV、220kV、110kV 等电网应用国产 MOV。80 年代后期，又在 10kV 和低压 220/380V 配电网普遍采用氧化锌避雷器，效果良好。1.4.6 管型避雷器1927 年，美国一些线路开始采用在管内产生非游离气体以遮断续流的管型避雷器。续流在 1.53.5 个周波内熄灭电弧。80 年代初，我国又制成一种无续流管型避雷器，并在高压电力系统试用。后因用量太少，生产厂效益不佳，陆续被阀型避雷器所代替。 避雷带、避雷网、避雷线和耦合地线如前所述，1750 年，富兰克林提出以针尖放出电荷缓慢中和雷云中的电荷的避雷针用来防雷。后来的实践证明，它不能“避雷” ，而是将雷引向自身来保护其周围的设备。随着俄国罗蒙诺索夫在重复了富兰克林的著名风筝试验之后，于 1753 年发表的论文关于因电力而产生的大气现象的发言中也对此作了重要论证。避雷针的实际应用，必须解决的是它的保护范围问题。这是在试验室和实际应用中多年逐步定量化的，而且其精确性已基本满足了工程设计的需要。正是各国高压输电和电力系统的发展推动了这一科研工作的前进。19251926 年，Peek 第一个在实验室内利用冲击电压发生器造成“人工雷” 对避雷针模型放电，研究保护范围保护系数与雷云高度对针高之比(H/h)的关系，并研究了雷云极性对保护系数的影响。自动重合闸装置(AB)和备用电源合闸装置(ABP)20 年代中期，美国 Still 提出，利用断路器重合闸消除瞬时短路包括雷击引起电力线路短路跳闸来保证电力供应，到 30 年代各国已广泛采用。后来又发展二次重合闸、单相重合闸以及单相与三相综合重合闸。我国于 1950 年夏，在鸡西电业局安装苏联提供的 35kV 开关，这可能是我国第一批带重合闸的少油开关，随后写出鸡西发电厂和电业局全面改造继电保护，推广自动重合闸及备用电源自动合闸(分别称 AB 和ABP)的设计书，后来成为专著出版。很有趣，这项普遍应用于 35500kV 输电系统的技术现在不仅应用于 10kV 电网，而且也有时应用于重要的 220/380V 供电，如铁路信号电源( 象北京铁路局 )，应用此项技术和备用电源自动合闸装置也大大减少了雷接 触 网 雷 害 分 析 及 防 雷 措 施- 12 -击停电事故。高压线路雷击跳闸故障，重合闸能在几分之一秒重合，成功率达 85左右，即将事故减少到 15左右。重要通信台(站)的电源也可考虑采用此措施。一些军用台(站 )即采用备用电源合闸装置。电磁兼容(EMC) 电力线和电信线发展初期，虽然两者难免互相交*和平行接近，但因电力线电压低、电流小，一般是各行其道，相安无事。电力系统大发展之后，才产生干扰影响，出现电磁兼容问题。 研究科技史文献可知，早期电力工程、电信工程著作，防雷问题几乎不予涉及，因为当时防雷的重要性，包括它的危害程度，因工程规模小而未引人注目。例如，Singer.Holmyard,Hall Williams 主编著名的科技史宏篇巨著 “A History of Technology”，Oxford At The Clearendon Press，1958，以及国内电工史专著，对于电工发展前期的防雷也是或不涉及，或语焉不详。从避雷针到出现简单间隙、电容、线圈，经过了漫长的 158 年。到制出原始型避雷器，又经过了 10 年。这绝非因为人类智慧贫因，而是电力工业的发展，才有了防雷的需要。防雷和过电压保护装置的出现，与输电电压等级相关图(如图 1.9 所示)充分说明了这一问题。直到出现几千万和上亿千瓦的联合电力系统(如华北 500kV 网架连接的系统装机容量已近 4000 万千瓦) ，其一次雷击足以导致大地区的灾难，如美国有名的纽约大停电，才迫使人们利用几千万元的高压试验设备进行不断的研究，使防雷系统日臻完善。与此相似，正是由于早期室内只有电灯和马达这类电器，其防雷要求不高，建筑物防雷独特之处不多。近年电子设备的广泛应用，而且多数装在户内，才使建筑物防雷逐渐引起人们的重视，其防雷理论和防雷手段才与日俱增。又如，IEC 自1934 年成立，到现在先后共成立 80 多个技术委员会(TC) ，以制订电力、电子、电信用大量标准。主要是 80 年代末、90 年代初，TC81 等委员会才开始系统地提出一系列建筑物防雷标准，因为当一建筑物内的微电子元件、电子设备的雷害，影响人们生活和国民经济日趋严重时，这一课题才受到重视。 西 安 铁 路 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文-13-图 1.9 电网输电电压的增长以及过电压保护装置出现的时期注：1避雷针；2间隙、磁吹导雷器(间隙)；3铝、铅电解避雷器，电感线圈，电容器，中性点直接接地；4接地的避雷线；5消弧线圈；6自动阀型避雷器，管型、丸型避雷器，自动重合闸；7契利特阀型避雷器；8断路器并联电阻，超高压并联电抗器；9磁吹避雷器；10电磁式电压互感器，限压饱和电抗器，并联电抗器；11火花控制电抗器；12无间隙避雷器；13消雷器(电离锥体)；14同步断路器；15可控电抗器，静止补偿器，多柱避雷器1.5 交流电气化铁道接触网上采用的避雷器管型避雷器管型避雷器的结构由内部间隙、外部间隙和发生气体的管子组成。外部间隙由两个针尖相对的极棒构成；内部间隙在管子里，由一个棒形电极和一个环形电极组成，管子是用棉花纤维制成的元棉纸加氯化锌胶液粘制成的，它一端封闭，另一端开有管口。管型避雷器的安装注意管子应垂直安设，管口朝下，防止雨水进入管内，并不得有杂物堵塞管口；外部间隙两极棒应水平放置，针尖相对，间隙调节至 120mm,放电间隙过大则不易被过电压击穿，起不到保护作用，放电间隙过小又会使避雷器在接馁触网的正常工作电压接 触 网 雷 害 分 析 及 防 雷 措 施- 14 -作用下而放电击穿，造成短路事故。允许偏差为土 10mm。避雷器的接地端应保证可靠的接在牵引轨上。角隙避雷器 角隙避雷器的结构是由角型间隙、支持绝缘子、支持钢管及底座组成，并安装有动作记录器。角隙避雷器的安装1.6 吸流变压器与回流线1吸流变压器吸流变压器是一台变比为 1：1 的特殊变压器，这种变压器的特点是要求励磁电流小，不超过其额走电流值的 2。它的主要作用是利用变压器内的电磁关系，将轨道中的牵引电流经吸上线吸引到回流线上，使回流线通过大小相等，方向与接触网电流相反的牵引电流。一般每隔 24km 设一台吸流变压器，在有回流的区段上，接触网均采用绝缘锚段关节。2回流线3吸流变压器解列和投入的操作顺序，解列操作顺序是：（1）合上单极隔离开关 6；（2）打开双极隔离开关 4；（3）最后合上低压侧单极开关 2，吸流变压器退出工作状态。投入吸流变压器的操作顺序与上述相反，应保证隔离开关不带负荷操作。西 安 铁 路 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文-15-2 接触网雷害分析接触网是牵引供电系统的重要组成部分，绝大部分裸露干自然环境中且没有备份、需要采用必要的大气过电压防护措施。如果缺少防护措施或措施不当，可能引起绝缘子损坏，造成线路跳闸，直接影响电气化铁道运营。同时雷击产生的侵入波过电压通过接触网传人牵引变电所，可能引起所内电气设备的损坏造成更大的事故。我国地域广大，因雷击导致人员伤亡、设备损坏的事故屡见不鲜。根据牵引供电系统运营部门统计数据分析，目前开通的 26 万多 Km 电气化铁道中部分线路雷击事故比较频繁，所以应重视接触网的防雷设计，以运输安全为目标，以系统优化、综合防护、防雷减灾的原则进行接触网防雷设计。2.1 国外高速铁路防雷设计概况2.1.1 德国铁路防雷现状德国铁路经实际测量表明，欧洲中部地区每 100 Km 接触网在 1 年的时间内可能遭受 1 次雷电冲击。雷电对接触网的直接冲击会导致雷电冲击过电压，其在设计中考虑过采用过电压保护装置限制雷电过电压一般应用避雷器。同时他们也认为避雷器只能对过电压进行有限的保护一般只用于有频繁雷电存在的地段在其它区段，无论是从经济方面还是防护效益方面一般不考虑设置防雷装置，这也是我们在欧洲的电气化铁道中很少见到接触网避雷装置的原因。2.1.2 日本铁路防雷现状日本由于其特殊的地理条件和气象条件，在电气化铁道接触网设计中根据雷击频度及线路重要程度，将国土的防雷等级划分为 A、 B、C 区域并规定了相应的防雷措施：A 级区的雷害严重且线路重要，需要进行全面防雷保护、全线接触网架设架空避雷线，同时在牵引变电所出口、接触网隔离开关、电缆接头或连接处、架空地线终端设置避雷器，B 级区雷害比较严重且线路重要，对部分特别需要的场所沿接触网架设架空避雷线，同时在牵引变电所出口、接触网隔离开关、电缆接头或连接处、架空地线终端设置避雷器，除 A、B 级以外的区域为 C 级区，一般在牵引变电所出口、接触网隔离开关、电缆接头或连接处设置避雷器：接 触 网 雷 害 分 析 及 防 雷 措 施- 16 -2.2 国内接触网防雷设计概况我国电气化铁道接触网防雷设计主要依据铁路电力牵引供电设计规范（TB 10009-2005）和铁路防雷、电磁兼容及接地工程技术暂行规定（铁建设200739号）的相关规定。根据雷电日的数量分为 4 个等级的区域：年平均雷电日在 20d 及以下地区为少雷区，年平均雷电日在 20d 以上，40d 及以下地区为多雷区，年平均雷电日在 40d 以上、60d 及以下地区为高雷区，年平均雷电日在 60d 以上地区为强雷区。接触网的防雷措施主要是安装避雷器和架设架空避雷线，同时做好必要的接地。具体规定为：(1)吸流变压器的原边应设避雷装置；(2)高雷及强雷区下列位置设避雷装置；分相和站场端部的绝缘关节、长度 2，000 m 及以上隧道的两端、长度大于 200m 的供电线或 AF 线连接到接触网上的连接处。(3)强雷区设置独立避雷线，保护角为 045。：西 安 铁 路 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文-17-3 客运专线接触网防雷措施接触网遭受雷击的频度与线路所处地区的年平均雷电日数有关。一般来说年平均雷电日数增大则每平方公里大地 1 年的雷击次数也随之变大根据国际大电网会议 33 委员会推荐计算：接触网侧面限界为 3m，承力索距轨面平均高度为 7m，则单线接触网遭受雷击次数 N=0.122Td1.3，复线接触网遭受雷击次数 N=0.244Td1.3，T d为年平均雷电日数。雷击接触网王要产生过电压。当雷击接触网支柱时，雷电流沿支柱入地并在支柱上产生冲击过电压，该值与支柱的冲击接地电阻和雷电流幅值及支柱等值电感相关（为非线性的正比），同时雷电通道产生的电磁场迅速变化，在线路上产生与雷电流极性相反的感应电压，该值与接触网导线高度、雷电流平均值成正比。冲击过电压和感应过电压的叠加值随着接触网支柱的接地电阻升高而升高即引起闪络的雷电流幅值和绝缘于闪络概率随接触网支柱的接地电阻而增加。当雷击接触网支柱时，雷电流沿支柱入地在接触网支柱上产生的冲击电压为：(l)雷击接触网线材时接触网上产生过电压，如该值达到接触网支持绝缘子的冲击放电电压时形成绝缘子闪络，雷电流经支柱、接地线、钢轨等入地，过电压随之降低。3.1 雷电流的概率分布雷电中有多个带电中心，且有 90%的雷电为负极性，其余为正极性。一般情况下，一次雷击有多次放电，持续时间约为 0.10.2s。雷电流幅值及其累积概率分布 DL /T620-1997流电气装置的过电压保护和绝缘配合中规定：雷电流幅值的概率：(l)除下(2) 所述地区以外的我国一般地区雷电流幅值超过嘶概率可按式(2)求得：(2)式中 P雷电流幅值概率；I雷电流幅值(kA)。接 触 网 雷 害 分 析 及 防 雷 措 施- 18 -(2)陕南以外的西北地区、内蒙古自治区的部分地区憾类地区的平均年雷暴日数一般在 20 d 及以下）雷电流幅值较小可由式(3) 求得(3)3.2 接触网遭受雷击过电压的分析接触网雷击包括直接雷台，雷电反击和感应雷击过电压等。3.2.1 直接雷台雷击接触网承力索产生直击雷过电压同样与雷电流幅值成正比，即雷击过电压约为 100 倍的电流幅值，雷击承力索将产生几百到几千 kV 过电压。3.2.2 雷电反击过电压雷击支柱顶部产生接触网雷电反击过电压，其中不仅有雷电流通过支柱，而且在支柱顶产生电位，同时空气中迅速变化的电磁场还在导线上产生感应电压；按图 l 表示客运专线典型接触网支柱悬挂方式，根据 DL/T 620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合计算方法，计算耐雷电反击过电压水平。图 3.1 客运专线典型接触网支柱悬挂示意图（单位 mm）西 安 铁 路 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文-19-3.2.3 感应雷击距接触网有限远S65 m 处，雷击对地放电时在接触网上产生的过电压与雷电流幅值成正比，其比值为 3.84。3.2.4 接触网耐雷击水平计算(l)雷击支柱时耐雷击水平当承力索平均高度 hm=7m，平腕臂对地高度 hm=7.6m，支柱高度 hZ=8.0m，支柱冲击接地电阻 R=10 ，L t=0.847.56 时，L I=22.67 kA.根据式(2)可计算出雷电流超过 I 的概率 P=55.3%。(2)雷击承力索时耐雷击水平式中 E绝缘子串的平均运行电压（有效值）梯度，KV/m 。通过以上计算可知，在平原地区每 100Km 的电气化铁道线路，每年由于承力索遭受雷击引起跳闸的次数约为 15 次，这给客运专线的安全运行带来了隐患。3.3 接触网遭受雷击跳闸统计分析及防雷建议3.3.1 现场实例从运营部门统计数据分析，广深线双线 139.461Km，仅 2000 年 1-12 月间共发生雷击接触网跳闸 45 次，其中广深线平湖牵引变电所雷击跳闸占事故总跳闸的比例高达 57.7%。接 触 网 雷 害 分 析 及 防 雷 措 施- 20 -3.3.2 跳闸分析(1)回流线安装高度过低，在设计中，一般回流线架设高度在上下腕臂底座之间、比承力索架设高度低且回流线接地每隔 12Km 一处接地电阻为 10 ，其只能起到架设耦合地线的防雷作用。(2)当支柱或架空地线遭受雷击时，雷击过电压将首先击穿附加线间架与混凝土的保护层，经支柱向大地泄露。(3)广深线架设避雷器太少，造成雷击跳闸率过高。3.3.3 广深线防雷建议(1)全线架设架空地线。架空地线采用柱顶方式安装，距平腕臂 2m，保护角采用200300，安装示意图如图 3.2 所示。架空地线间架与接地引线连接糠地线与支柱钢筋相连，通过支柱底部接地孔接地。保证雷击过电压及时通过接地引下线泄漏至大地中，从而有效防止直击雷。每条公里架设避雷线增加投资约 2 万元。虽然增加部分投资但是对于电气化铁道的安全有着至关重要的作用；(2)增加接地数量和降低接地电阻。(3)适当增设避雷器。图 3.2 接触网采用架空地线防护示意图西 安 铁 路 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文-21-3.4 避雷器设置的分析对于一般高雷区通常采用局部关键点设置避雷装置进行接触网防雷。在有雷击发生时只要避雷器的冲击放电电压小于接触网绝缘子的冲击放电电压就会动作以避免变电所馈线断路器跳闸。同时，由于避雷器动作后吸收了雷电能量，绝缘子、支柱的等值阻抗上受到的冲击电压仅为避雷器的残压，提高了接触网的耐雷电冲击水平。接触网用避雷器应体积小、重量轻结构简单、安装方便萁保护水平应与接触网的绝缘水平配合良好，特别是带间隙避雷器的 50%冲击放电电压与接触网绝缘子的放电特性一致，且正、负极性的分散性要小其保护距离应尽可能大，其密封性、防爆性、耐污性、可靠性要求较高，不同于一般设置在变电所内的避雷器。目前接触网常用的避雷器为带脱离器的氧化锌避雷器，系统标称电压的有效值为27.5 kV，额定电压有效值为 42 kV持续运行电压有效值为 34 kV，陡波冲击电流残压为 138 kV，雷电冲击电流残压为 120 kV，操作冲击电流残压为 98 kV。虽然设置避雷器对提高接触网的防雷击水平有一定作用但必须认识到接触网安装避雷器的不足之处和其在整个牵引供电系统防雷保护作用的局限性。接触网上安