接触网课程设计 (1)

1、 课程名称：接触网课程设计院 系：电气工程系 专 业：铁道电气自动化 年 级：2012级 姓 名：曹 思 田蔓琳 学 号： 指导教师：吴卫伟 西南交通大学峨眉校区2015 年 3 月 18 日摘 要 本设计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

2、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

3、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：电气化铁道；接触网；防雷措施目 录摘 要I第一章 绪论11.1 接触网防雷的意义21.2 接触网防雷的背景21.3 接触网防雷的现状5第二章 雷电的起源及主要参数162.1 雷云的产生162.1.1 感应起电说162.1.2 温差起电说162.1.3 冻结起电说162.2 雷电的产生17 2.2.1 闪电的初始击穿16 2.2.2 先导流注16 2.2.3 闪电通道16 2.2.4 主放电过程16 2.2.5 回击过程162.3 雷电的种类172.4 雷电的波形及主要参数17 2.4.1 雷电

4、流波形16 2.4.2 雷电流幅值16 2.4.3 雷电流的波前时间、陡度及波长162.5 过电压保护中雷电的几个主要参数 172.6 雷电过电压及雷电放电分析 17 2.6.1 雷电先导放电阶段16 2.6.2 雷电主放电阶段16 2.6.3 雷电余辉放电阶段16 第三章 雷电对高速铁路的危害183.1 高速铁路接触网落雷分析183.1.1 雷暴日193.1.2 地面落雷密度193.1.3 高速铁路接触网的落雷次数193.2 雷电对高速铁路接触网的影响193.2.1 直击雷193.2.2 感应雷193.2.3 雷电反击203.2.4 接触网耐雷水平计算203.3 南昆、 广深线接触网遭受雷击

5、跳闸统计分析203.4 雷电机理及对接触网的危害分析223.4.1 雷电流的概率分布19第四章 接触网防雷措施及作用184.1 防雷体系的构成及防雷措施种类184.2 接触网防雷措施的几点原则194.3 现有的接触网防雷措施建议204.4 接触网雷击区域的划分224.5 接闪器的作用224.5.1 避雷线在防雷中的应用214.5.2 避雷线在接触网防雷中的作用214.6 避雷器的发展史224.6.1 氧化锌避雷器工作原理214.6.2 避雷器的工作原理及失效机理214.6.3 避雷器在防雷中的应用214.6.4 安装避雷器对接触网耐雷水平的影响214.7 接地系统在防雷中的作用224.7.1

6、接地方式及电阻对接触网反击耐雷水平的影响214.8 放电间隙的作用及影响22第五章 对接触网防雷自我总结183.4 避雷器设置的分析223.4 客运专线接触网防雷建议结 论24致 谢25参考文献26第一章 绪 论1.1接触网防雷的意义接触网是牵引供电系统的重要组成部分，绝大部分裸露于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

7、门统计数据分析，目前开通的32万公里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。1.2接触网防雷的背景1.1.1国外高速铁路防雷设计概况德国铁路防雷现状 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，

8、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。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； 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

9、设置避雷器。1.1.2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(TB100 09-2005)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20天及以下地区为少雷区，年平均雷电日在20天以上、40天及以下地区为多雷区，年平均雷电日在40天以上、60天及以下地区为高雷区，年平均雷电日在60天以上地区为强雷区。高速铁路设计规范( 试行) 中规定重污染或重雷区以及高路基高架桥隧道口等重点地段的接触网应增设氧化锌避雷器。高速铁路设计规范( 试行) 第21442规定:牵引网中的防雷接

10、地装置在贯通地线上的接入点与其他设备在贯通地线的接入点间距不应小于15m 接触网中的防雷设备主要指接触网上安装的避雷器，为减少对综合接地系统上其它电气设备( 如信号设备) 的影响，防止电压通过接地网反击，应保证具有一定的地中距离使得沿接地体传播的过电压衰减到不危险的程度，按现行国家规范规定其地中距离应不小于15m。1.3接触网防雷的现状分相和站场端部的绝缘关节；长度2000m及以上隧道的两端；供电线或AF线连接到接触网上的连接处。通过规范可以看出，我国电气化铁路接触网防雷工程设计中，除了通过绝缘子自恢复绝缘外，还在接触网系统相关位置设置了避雷器以达到防雷的目的。但是目前国内电气化铁道接触网防雷

11、设备和技术存在一定的缺陷，接触网防雷发展的过程中暴露了各种问题。1） 国内部分铁道沿线未按照标准要求架设避雷装置，人迹稀少的地区未修建专门的应急维修基站;2） 避雷装置设置的密度不合理，一般集中在内部均有避雷器的站场和分相的关节处，如变电所、分所区、A T所等，重复设置容易造成资源浪费，无形中造成关节处接触网错综复杂的结构，增加安装检修的难度;3） 接触网在实际应用中耗损和能损程度大，部分线路未采取防腐承力索，造成雷电冲击耐受电压低，影响防雷效果;4） 避雷装置未按时检修，工作人员的监控力度差，对失效的备件未能及时更换，造成接触网电源短路，造成电气事故。第2章 雷电的起源及主要参数2.1 雷云

12、的产生 2.1.1 感应起电说 大量测试结果表明，地球带负电，其电荷量约为50万库伦。而在地球上的上空存在着一个带正电的电离层，于是在电离层与地面之间就形成了一个电力线指向地面的大气场。在大气场的作用下，云中的水滴将被激化，其上部出现负电荷，下部出现正电荷。同时在大气宇宙射线的作用下空气发生电离，产生正、负离子。 激化的水滴在下落过程中与空气中离子相遇，水滴下部将俘获负离子，而正离子则被排斥而上升，这样整个水滴就带上了负电荷。 2.1.2 温差起电说冰块中同时存在氢离子（ H + ）和氢氧根离子（ OH - ），由于冰块两端温度不同，会产生发生离子扩散现象。氢离子质量轻，扩散快，冷端呈现带正电

13、。在对流气流和重力的作用下，形成雷（雨）云起电后的电荷分布。 2.1.3 冻结起电说在云层重有许多过冷水滴，当过冷水滴与霰粒碰撞时，会立即冻结，这叫撞冻。当发生撞冻时，过冷水滴外部立即冻成冰壳，但它的内部仍暂时保持着液态，并且由于外部冻结放的潜热传到内部，其内部液态过冷水的温度比外面的冰壳高。温度的差异使得冻结的过冷水滴外部带上正电，内部带上负电。2.2 雷电的产生在全球范围内，雷电发生频率是很高的，任何时刻大约有2000个地点遇上雷暴，每秒钟就有上百次雷电，每天约有800多万次雷电，一年中平均发生30多亿次雷电，每次闪电在微秒级的瞬间释放出约55kW.h的能量。因此森林火灾有50以上因雷电引

14、发；人们居住生活的建筑物屡遭雷击破坏；电力、石化等工业设施常因雷击而发生灾难性事故。 2.2.1 闪电的初始击穿 在有积雨云存在的大气中，积雨云的下部有一负电荷中心与其底部的正电荷电荷中心附近局部地区的大气电场达到104v/cm左右时， 则负、正电荷之间的云雾大气会被击穿，负电荷向下中和掉正电和，这时从云层下部到云底部全部为负电荷区。 2.2.2 先导流注随大气电场的进一步加强，进入起始击穿的后期，电子与空气的分子发生碰撞，形成天空中带电的雷雨云的云粒（或水成物）向地面延伸，在雷雨云下形成从云层向下的流光，表现为一条暗淡的光柱，即先导流注。1、几个参数：1 每级通道变化范围约3 200 m2

15、平均速度约 1.5 *107 cm/s3 间隙时间约 30 125 us4 每一级的推进速度约 5*109 cm/s5 通道直径约 1 10 m6 每一级的击穿方向是不确定的折线2.2.3 闪电通道流注先导不断地向地面发展，从而形成多枝状的充满负电荷（对负地闪）的通道，其中有一枝是充满负电荷（对负地闪）的主通道，称为电离通道或闪电通道，简称为通道。2.2.4 主放电过程 放电主通道到达地面，或与大地放电迎面会合以后，就形成云层到地面的全程（雷击放电通道）放电，此时云中电荷通过主放电通道流入大地，形成主放电。2.2.5 回击过程当梯级先导与连接先导会合，形成一股明亮的光柱，沿着梯式先导所形成的电

16、离通道由地面高速冲向云中，这称为回击。1、 几个参数：1 回击电流可达 10 kA2 回击速度约 2 *109 2*1010cm/s3 回击通道直径约0.1 0.23 cm4 回击通道温度可达10000 5 回击时间约60 us2.3 雷电的种类1. 从闪电表面的形状分类，则可分为：线状闪电、带状闪电、片状闪电、联珠状闪电、球状闪电2. 从闪电的空间位置分类，则可分为：云内闪电、云际闪电、晴空闪电、云地闪电3. 从闪电表面的形状分类，则可分为：线状闪电 片状闪电、带状闪电、联珠状闪电、球状闪电4. 从闪电的空间位置分类，则可分为：云内闪电、云际闪电、晴空闪电、云地闪电 云与大地之间的闪电简称地

17、闪，对人类的关系最密切，是防雷研究的主要对象。大地被雷击时，多数是负电荷从雷雨云向大地放电，称之为负地闪；少数是正电荷从雷雨云向大地放电，称之正地闪。2.4 雷电的波形及主要参数 2.4.1 雷电流波形1、 波头时间及波长 雷电流是一个非周期的瞬态电流，通常是很快上升到峰值，然后较为缓慢的下降。雷电流的波头时间【T1】是指雷电流从零上升到峰值的时间，又称为波前时间；波长时间【T2】是指从零上升到峰值，然后下降到峰值的一半的时间，又称为半峰值时间。由于在雷电流波的起始和峰值处常常叠加有振荡，很难确定其真实零点和到达峰值的时间，因此，我们常用视在波头时间T1和视在波长时间T2来表示雷电流的上升时间

18、和半峰值宽度，一般记为T1 /T2，如下图所示： 雷电流标准波形2.4.2 雷电流幅值通常定义雷电流为雷击于低阻接地电阻(Ri 30)的物体时流过雷击点的电流。它近似等于电流入射波I0的两倍，即一般地区，雷电流幅值超过 I的概率可按下式计算2.4.3 雷电流的波前时间、陡度及波长雷电流的波前时间T1处于14us的范围内，平均为2.6us。波长T2 处于20100us的范围内，多数为40us左右。我国防雷设计采用2.6/40us的波形；在绝缘的冲击高压试验中，标准雷电冲击电压的波形定为1.2/50us雷电流波前的平均陡度 (kA/us)波前陡度的最大极限值一般可取50 kA/us左右。2.5 雷

19、电的波形及主要参数1、过电压保护中雷电的几个主要参数 雷电放电涉及到气象、地形、地质等许多自然因素，有一定的随机性，因而表征雷电特性的参数也带有一定的统计性质。在防雷设计中，雷暴日、雷电流波形、幅值等参数是我们比较关心的几个参数。 （1）雷暴日 为了表征雷电活动的频率，采用 年平均雷暴日【Td】作为计算单位。 无论一天内听到几次雷声，只要有一次，该天就记为一个雷暴日，一天有多次，仍记为一个雷暴日。 （2）雷暴小时一年中发生雷电放电的小时数，在一个小时内只要有一次雷电，即计为一个雷电小时（Th）（3）雷电活动区域的划分根据雷电活动的频度和雷害的严重程度，我国根据年平均雷暴日数分类： T>9

20、0的地区叫做强雷区 T40的地区为多雷区 15T40的地区为中雷区 T15的地区为少雷区海口市平均年雷暴日105天，属强雷区。 （4）落雷密度 对于雷电放电来说，云与云之间的放电次数多于云对地放电次数，而上述雷暴日或雷暴小时对于这一事实没有加以区分。从防雷角度分析，地闪发生的频数是确定地闪对人类和建筑物的最重要的参数。 雷云对地放电的频繁程度，用地面落雷密度【Ng】来表示。其定义是每个雷电日每平方公里上的平均落雷次数，又称地闪密度。 它的定义为一年中单位地表面积上空所出现的地闪次数的多年平均值。 总的闪电密度为地闪、云闪密度之和。单位为次/km2×秒，或次/km2×年。 在

21、雷暴活动期间，各地的闪电密度相差很大。因此需要对一定面积范围内的平均总闪电密度和平均地闪密度进行足够长期观测，得到足够的资料进得分析统计。 观测表明，当雷暴发展到后期，云闪要比地闪出现的闪电密度高；我国过电压保护规程取地面落雷密度为： Ng=0.015/k·d （5）近年来，我国一些单位采用雷电定位系统测量表明，在大多数情况下，Ng的数值为0.09/k·d0.1/k·d。 实际上Ng值与年平均雷电日数Td有关。通常，当Td增大时，Ng也随之增大，由于我国幅员辽阔，Td的变化很大，很难取统一的一个值。因此，一些学者认为采用国际大电网会议33委员会1980年推荐的计算

22、公式较为合理，该公式为： Ng=0.0237Td1.3 我国建筑物防雷规范GB50057-94使用的Ng接近这一数值，式中系数取0.024。2.6 雷电过电压及雷电放电分析雷电过电压是雷云放电引起架空电力线路的过电压，可分为直击雷过电压和感应雷过电压 2种。直击雷过电压是由于雷电放电，强大的雷电流直接流经被击物产生的过电压， 其特点是放电电压高、放电电流大、放电过程时间短、闪电电流波形波头陡度大；感应雷过电压是雷击线路附近大地，由于电磁感应在导线上产生的过电压， 其特点是雷电感应电压幅值与雷云对地放电时的电流、 线路间相对位置、土壤电阻率、线路长度和高度、设备接地装置的电阻等诸多因素有关。 与

23、直击雷过电压相比，感应雷过电压的波形较平缓，波长较长。由于雷电现象极为频繁， 产生的雷电过电压可达数千千伏，足以使电气设备绝缘发生闪络和损坏。作用于高速铁路架空接触网的雷电过电压绝大部分（约 90%）是由带负电的雷云对地放电引起的，称为负下行雷。负下行雷包括若干次重复的放电过程，每次放电可分为先导放电、主放电和余辉放电 3 个阶段。2.6.1 雷电先导放电阶段因雷云带有大量电荷，由于静电感应作用，大地感应出与雷云相反的电荷， 雷云与地面形成一个已充电的电容器，雷云中的电荷分布是不均匀的，当雷云中的某个电荷密集中心的电场强度达到空气击穿场强时，空气便开始电离，形成指向大地的一段电离的微弱导电通道

24、，称为先导放电。开始产生的先导放电是跳跃式向前发展，平均速度105106 m/s，中心温度可达 3×104 K，纵向电位梯度约为 100500 kV/m，电晕半径约为 0.66 m，先导放电常常表现为分枝状， 这是由于放电是沿着空气电离最强、最容易导电的路径发展的。这些分枝状的先导放电通常只有一条放电分支达到大地，先导放电阶段的雷电流很小，约为 100 A。2.6.2 雷电主放电阶段当先导放电到达大地， 或与大地较突出的部分迎面会合以后，就进入主放电阶段。主放电过程是逆着负先导的通道由下向上发展的。在主放电中，雷云与大地之间所聚集的大量电荷， 通过先导放电所开辟的狭小电离通道发生猛烈

25、的电荷中和， 放出巨大的光和热， 通道温度可达 15 00020 000，使空气急剧膨胀震动，发生霹雳轰鸣，这就是雷电伴随强烈的闪电和震耳的雷鸣。在主放电阶段，雷击点有巨大的电流流过， 大多数雷电流峰值可达数十乃至数百千安，主放电的时间极短，为 50100s，主放电电流的波头时间为 0.510 s，平均时间约为 2.5 s。 2.6.3 雷电余辉放电阶段当主放电阶段结束后， 雷云中的剩余电荷将继续沿主放电通道下移，使通道连续维持着一定余辉，称为余辉放电阶段。余辉放电电流仅数百安，但持续的时间可达 0.030.05 s。雷云中可能存在多个电荷中心， 当第一个电荷中心完成上述放电过程后， 可能引起

26、其它电荷中心向第一个中心放电，并沿着第一次放电通路发展，因此，雷云放电往往具有重复性。每次放电间隔时间约为 0.6 ms0.8 s，即多次重复放电。据统计，55%的落雷包含 2 次以上， 重复 35 次的占 25%，平均重复 3 次，最高记录 42 次。 综上所述，直击雷、感应雷对接触网设备都有影响，雷击的主放电过程对接触网设备破坏极大，余辉放电次之， 而先导放电基本上对接触网设备的安全运行没有影响。第三章 雷电对高速铁路的危害电气化铁路遭受雷击会造成信号、通信和电力系统设备的损坏，“7.23”甬台温特大轨道交通事故发生前的7分钟内，累计雷击近100次，是造成此次事故发生的一大诱因。接触网遭受

27、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3 m ,承力索距轨面平均高度为7 m ,则单线接触网遭受雷击次数N = 0. 1 22 ×Td ×1.3 ,复线接触网 遭受雷击次数N =0.244×Td ×1.3 ,Td 为年平均雷电日数。雷击接触网主要产生过电压。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

28、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子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 :式中 R 支柱冲击接地电阻 , 取 R = 1 0 ; L 支柱等值电感 。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高速铁路接触网落雷分析

29、雷电放电受气象条件、 地形和地质等许多自然因素影响，带有很大的随机性，主要的雷电参数有雷暴日及雷暴小时、地面落雷密度、主放电通道波阻抗、 雷电流极性、 雷电流幅值、 雷电流等值波形、雷电流陡度等。其中，雷暴日、地面落雷密度是防雷保护设计最重要的依据。 3.1.1 雷暴日表征一个地区雷电活动的频繁程度通常以该地区的雷暴日（ Td）来表示。雷暴日是指该地区平均一年内有雷电放电的平均天数，单位为 d/a。国内电力行业标DL/T620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合（以下简称 DL/T620-1997标准）中平均年雷暴日数不超过 15 d 的地区划为少雷区，如西北地区；平均年雷暴日数超过

30、15 d但不超过 40 d 的地区划为中雷区，如长江流域；平均年雷暴日数超过 40 d 但不超过 90 d 的地区划为多雷区，如华南大部分地区；平均年雷暴日数超过 90 d 的地区及根据运行经验雷害特别严重的地区划为雷电活动特殊强烈区，如海南岛和雷州半岛。 3.1.2 地面落雷密度 雷云对地放电的频繁程度以地面落雷密度（）来表示，是指每一雷暴日每平方公里地面遭受雷击的次数。 DL/T620-1997 标准中给出的地面落雷密度和雷暴日的经验关系式 0.023 Td0.3 ，由此判断，一年中雷暴日越多的地区地面落雷密度越大，中雷区 Td=40， 则 =0.07； 重雷区 Td=90， 则 =0.0

31、9。3.1.3 高速铁路接触网的落雷次数 由于高速铁路接触网普遍架设在空旷田野的桥梁上，一般为该区域的最高点，存在引雷作用，其吸引范围与导线高度等因素有关，每 100 km 线路每年遭受雷击的次数 N 为式中， b 为边相导线间的距离， m； h 为导线的平均高度， m。1. 单线接触网遭受雷击次数N= 0. 122 Td1. 32. 复线接触网遭受雷击次数N= 0. 244 Td1. 3不同地区接触网遭受雷击次数计算值见表1由此可对接触网的落雷进行分析，中雷区Td=40 ，=0.07，接触网的落雷 次 数为N =0.28( b+4 h)，高速铁路接触网的高度在1636 m，两线间距约 14

32、m。按接触网平均高度 26 m 计算，中雷区落雷次数为 33 次/100 km·a。重雷区 Td=90，=0.09，接触网的落雷次数为 N=0.81( b+4 h)，重雷区落雷次数为 95 次/100 km·a。一般 220 kV 电力线路， b=11.6 m， h=27.25 m，则 中 雷 区 、 重 雷 区 落 雷 次 数 分 别 为 33.8 次 /100 km·a 和 97.7 次/100 km·a。可见，目前国内高速铁路接触网与 220 kV 电力线路的落雷次数基本相当。3.2 雷电对高速铁路接触网的影响 3.2.1 直击雷直击雷放电电压高、

33、放电电流大，当雷电击中导线后，在导线上产生很高的过电压，会引起绝缘子闪络和设备损坏。例如， 2012 年 7 月 4 日 14 时12 分，直击雷击中京沪高铁王庄匡庄区间 2482#支柱加强线支持绝缘子，造成瓷绝缘子破损 2 片，故障停电 11 min。 架设避雷线可有效地减少雷直击接触网的概率。 3.2.2 感应雷 雷云对地放电时， 落雷处距架空接触网的垂直距离 S65 m 时， 无避雷线的架空导线上产生的感应雷过电压最大值可按下式估算：式中， Ui 为雷击大地时感应雷过电压， kV； I 为雷电流幅值， kA； hc 为导线平均高度， m； S 为雷击点与线路的垂直距离， m。感应雷过电压

34、与雷电流幅值 I 成正比，与导线悬挂平均高度 hc 成正比， hc 越高则导线对地电容越小，感应电荷产生的电压就越高；感应雷过电压与雷击点到线路的距离 S 成反比， S 越大，感应雷过电压越小。由于雷击地面时，被击点的自然接地电阻较大，最大雷电流幅值一般不会超过 100 kA，按 100 kA 进行估算， 感应雷过电压的幅值为 300400 kV， 可引起 35 kV 及以下电压等级电力线路的绝缘子闪络，而对 110 kV 及以上电压等级的电力线路，则不会引起闪络。例如， 2012 年 7 月 12 日17 时 35 分，感应雷造成武广高铁赤壁北至岳阳东区间上下行接触网停电， 938#、 94

35、0#支柱上正馈线绝缘子闪络，故障停电 24 min。3.2.3 雷电反击 雷击支柱顶作用 于接触网雷电反击过电压 ,不仅有雷电流通过支柱并在支柱顶产生电位 ,同时空气中迅速变化的电磁场还在导线上感应电压。 按图 1所示数据 ,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 ,计算耐雷水平。图 1 接触网支柱悬挂示意图3.3.4 接触网耐雷水平计算 雷击支柱时耐雷水平当承力索平均高度 he = 7 m,腕臂对地高度 ha =8. 1 m ,支柱高度 ht= 9 m,支柱冲击接地电阻 Ri = 1 0 时 , Lt= 0. 8 4× 7. 56_ H时

36、则 : I1= 22. 67 kA雷电流超过 I1 的概率 P= 5 3. 3% 雷击承力索时耐雷水平：I2= 350 /1 00= 3. 5( k A) 超过 I2 的概率: P2= 91. 2% 建弧率 Z= ( 4. 5 E0. 75 - 1 4)× 10- 2 = 4. 5× ( 25 /0. 5) 0. 75 - 14 × 10- 2= 0. 71 跳闸率: (以年平均雷暴日 60天计算 )平原地区 N T = N· Z(gP1+ P2) = 25× 0. 71× ( 1 /4× 0. 553+ 3 /4×

37、; 0. 912) = 1 4. 6(次 /1 00 km· 年 )山丘地区 N T = N· Z(gP1+ P2) = 25× 0. 71× ( 1 /3× 0. 553+ 2 /3× 0. 912) = 1 4(次 /100 km· 年 ) 3.4 南昆、 广深线接触网遭受雷击跳闸统计分析 从运营部门统计数据分析 ,南昆线单线昆明局管内 325. 8 km,在 1999年 3月 27日 8月 3 1日 间 ,发生雷击接触网跳闸 85次 ,其中变电所馈线跳闸次数分布见表 2,雷击跳闸集中发生在 39个雷暴日 ,重合闸成 功

38、 77 次 , 不成功8次 , 占 9. 4%。广深线双线139. 461 km, 在 1998年7月21日2001 年 4月 16日间共发生雷击接触网跳闸140次 ,其中1999年 112月 间共发生雷击跳闸 76次 , 2000年 1 1 2月 年共发生雷击接触网跳闸45次 ,其变所馈线跳闸次数分布见表 3表 2 南昆线部分变电所馈线电路器击跳闸统计表 3 广深线变电所馈线断路 器雷击跳闸统计 因雷击及阴雨造成馈线断路器跳闸次数远高于计算数据。 这是由于当地实际雷暴日未统计以及因阴雨天造成绝缘闪络未分开 ,致使理论计算与实际数据无法对比。 因雷击造成跳闸占总事故跳闸比例很高 ,广深线平湖变

39、电所雷击跳闸总跳闸数比例达 57. 7% 。 由 此看来雷击接触网事故是影响安全运行的重要因素。3.3 雷电机理及对接触网的危害分析 3.3.1 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. 1 0. 2 s。雷电流幅值及其累积概率分布DL/T620-1997交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 :(1 ) 除下 (2)所述地区以外的我国 一般地区雷电流幅值超过 I的概率可按式 (2)求得 : （1） （2）式中: P 雷电流幅值概率 ; I 雷电流幅值 k A。 (2) 陕

40、南以外的西北地区 、内 蒙古自 治区的部分地区 (这类地区 的 平均年雷暴日数一般在20d及以下)雷电流幅值较小 ,可由式(3)求得 :第四章 接触网防雷措施及作用4.1防雷体系的构成及防雷措施种类 高速铁路属低空防雷体系,低空防雷体系的构成及防雷措施种类构成如图所示。4.2接触网防雷措施的几点原则 a、高速铁路客运专线与客货混线铁路不同供电方式分别制定防雷原则；b、雷区划分与实际跳闸统计数据相结合细化防雷措施；c、区分区间与站场确定接触网防雷措施；d、站场接触网防雷措施与站房等防雷措施相结合；e、既有接触网防雷措施改造与原接触网接地系统相结合；f、避雷针避雷线等不同接闪器优势互补互相结合；g

41、、接闪器与避雷器内外防雷击相结合等。4.3现有的接触网防雷措施 现有的铁路电力牵引供电设计规范规定，根据雷电日及运营经验，按下列原则对接触网进行大气过电压保护：“高雷区及强雷区，下列重点位置应设避雷器：（1） 分相和站场端部绝缘锚段关节；（2） 长度2000 m及以上隧道的两端；（3）较长的供电线或AF线连接到接触网上的接线处。强雷区应架设独立的避雷线。”依据设计规范，接触网可采取的防雷措施如下：（1）接触网柱顶架设避雷线，避雷线对承力索、正馈线的保护角不宜大于20°，避雷线宜每200300 m设独立接地极。（2）支柱接地与高速铁路综合接地系统的贯通地线相连，当铁路未设综合接地系统时

42、，支柱通过保护线或回流线、架空地线等实现安全接地。（3）在牵引变电所出口、接触网隔离开关、高压电缆头等处采用氧化锌避雷器4.4接触网雷击区域的划分由于高速铁路接触网的结构特殊性，其雷击区域与输电线路有很大的区别。4.5 接闪器的作用接闪器（避雷针、避雷带、避雷线）是防直击雷的主要方法，传统建筑屋防雷采用滚球法确定接闪器的防护范围，防护等级不同，采用的滚球半径不同。其中建筑物防雷类别：滚球半径。第一类防雷建筑30米、第二类防雷建筑45米、第三类防雷建筑60米4.5.1 避雷线在防雷中的应用采用不同半径的滚球所得到到避雷线的防护范围不一样，对应的绕击概率也不相同，但该方法不能定量分析防护效果4.5

43、.2 避雷线在接触网防雷中的作用架设避雷线可防止直击雷和对雷电流进行分流，减小流入杆塔的雷电流，使塔顶电位下降；对导线耦合，降低导线上的感应过电压，对输电线路可以起到很好的防雷保护当雷云的先导向下发展到离地面一定高度时，高出地面的避雷线顶端形成局部电场强度集中的空间，形成向上的迎面先导，使雷电仅对避雷线放电，从而保护了附近的物体免遭雷击 避雷线的保护作用是吸引雷电击于自身，并使雷电流泄入大地，为了使雷电流顺利泄入大地，要求避雷线有良好的接地装置。避雷线的保护范围是用模拟试验及运行经验确定的在保护范围内被保护物不致遭受雷击由于放电的路径受很多偶然因素影响，因此要保证被保护物绝对不受雷击是非常困难

44、的，一般采用0.1%的雷击概率。单根避雷线的保护范围，如图4所示在被保护物高度hx水平面上，一侧保护宽度rx为：当 hx>hb/2时， rx=0.47（hb-hx）ph；当 hx<hb/2时， rx=0.47（h-1.53hx）ph；其中，hb为避雷线高度，ph为高度修正系数，当h<= 30 m时，ph= 1 用避雷线保护线路时，保护范围用保护角表示更实用 保护角越小对导线直击雷的保护越可靠，即雷击导线概率越小。4.6 避雷器的发展史最原始的避雷器是羊角形间隙，消谐器出现于19世纪末期，用于架空输电线路，过电压保护器防止雷击损坏设备绝缘而造成停电，故称“避雷器”。20世纪20

45、年代，出现了铝艾尔盾避雷器,氧化膜艾、尔盾避雷器和丸式艾尔 盾避雷器。30年代出现了管式艾尔盾避雷器。50年代出现了碳化硅艾尔盾避雷器。70年代又出现了金属氧化物艾尔盾避雷器。石墨为主要材料，产品内采用全铜包被解决了避雷器在放电时的散热问题，不存在后续电流问题，最大的特点是没有电弧的产生，且残压与开放式间隙避经过良导体安全的引入大地，利用接地装置使雷电压幅值限制在被保护设备雷电冲击水平以下，使电气设备受到保护。避雷器按其发展的先后可分为：保护间隙是最简单形式的避雷器；雷器比较要低很多。该种避雷器应用在各种B、C类场合，过电压保护器与开放式间隙比较不用考虑电弧问题。空气放电管还是属于开放式产品，

46、在工作时不保证绝对没有点火花从排压孔喷出，气体放电管是密封结构，一般有2极和3极良种结构形式，一般3极有热保护装置（短路装置），在放电管工作时温度超过了一定范围，短路装置启动使放电管整体导通。4.6.1 氧化锌避雷器工作原理氧化锌避雷器的工作原理：额定电压下通过氧化锌避雷器阀片的电流仅很小，相当于绝缘体。当金属氧化锌避雷器上的电压超过定值时，阀片“导通”将大电流通过阀片泄入地中，其残压不会超过被保护设备的耐压。当作用电压下降到动作电压以下时，阀片自动终止“导通”状态，恢复绝缘状态。4.6.2 避雷器的工作原理及失效机理工作原理：避雷器是连接在导线和地之间的一种防止雷击的设备，通常与被保护设备并

47、联。避雷器可以有效的保护电力设备，一旦出现不正常电压，避雷器产生作用，起到保护作用。当被保护设备在正常工作电压下运行时，避雷器不会产生作用，对地面来说视为断路。一旦出现高电压，且危及被保护设备绝缘时，避雷器立即动作，将高电压冲击电流导向大地，从而限制电压幅值，保护电气设备绝缘。当过电压消失后，避雷器迅速恢复原状，使系统能够正常供电。避雷器的主要作用是通过并联放电间隙或非线性电阻的作用，对入侵流动波进行削幅，降低被保护设备所受过电压值，从而达到保护电力设备的作用。失效：避雷器状态指示呈红色（失效）后，应当还是高阻状态吧，只是当故障电压再次超过起动电压时，它不再导通。4.6.3 避雷器在防雷中的应用安装避雷器是防雷的重要措施，确定避雷器的安装密度、防护范围、分流情况和失效条件是制定合适的接触网防雷措施的前提。4.6.4 安装避雷器对接触网耐雷水平的影响在支柱接地电阻相同的情况下，安装避雷器可大大提高线路耐雷水平。当支柱接地电阻为30时，无避雷器时的线路耐雷水平为12kA，安装避雷器后，线