【《雷电高发地接触网防雷措施研究》9400字】

第第页绪论我国的地形呈现出阶梯式的分布，由东到西分为三个阶梯，第三级阶梯是东部，地形是由平原和丘陵组成。我们的研究人表示可以将根据雷暴的天数将地区划分为四个雷暴的等级，少雷区，多雷区，高雷区，强雷区。（划分规定表1-1所示）（表1-1）防雷划分规定少雷区每年20天及以下的地区多雷区每年大于20天不超过40天的地区高雷区每年大于40天不超过60天的地区强雷区每年超过60天以上的地区然而东部的雷暴相对较高，我国的高速铁路干线大部分都经过东部，同时，高架桥时式敷设不常用在普速铁路中，但是在高速铁路中却是非常常用的，这样就导致接触网相对地面高度更高，因此接触网遭受雷击的次数将会明显的增多，不仅如此，铁路沿线如果遭受雷击的，将会引发雷电感应，随之增大的就是电压幅值，接触网就会受到极大的威胁。以京沪铁路（图1-1）为例，京沪铁路贯穿南北，由北到南经过北京，天津，河北，山东，江苏，安徽，上海，三个主要的直辖市，将环渤海与长江三角洲这两大经济区连接起来，京沪高铁所经地区的地理地势多变，气象气候变化复杂，雷电的活动也复杂多变，京沪高铁的安全运行影响着民生。所以接触网的防雷显得格外的重要。图1-1京沪铁路1.1雷电的形成气体放电现象，叫做雷电大气过电压。雷电的实质是云团在大气中上下翻滚不断的摩擦碰撞而使某些云团带正电荷，而某些云团带负电荷，当两个云团接近到一定距离时，大气将会被击穿，然后两个云团便开始相互放电的过程，我们常常看到的雷电就是这样产生的。我们对雷电总是谈雷色变，这是因为我们的人身可能会受到威胁，并且雷电流和雷电压对我们的建筑物也会造成巨大的破坏。电流是电荷的移动产生的，如果云团带有正电荷，那么相对较高的建筑物就会携带负电荷，由此一来就会形成雷击。由上面的雷云向下方的建筑物进行放电的称之为下行雷，反之称为上形雷，比较少见，下行雷通常会使建筑物遭受雷击。雷电的种类通常有三类，比较常见的是线形雷，片形雷比较少见，另外有时候还能看到球形雷。雷电通常有直击雷、感应雷和雷电侵入波三种形式，带电荷的雷云电压可以达到几亿伏特，当雷云接近地面并对地面物体放电时，就是我们常说的雷击，强烈的放电便会发生在这么激烈的雷击下，并伴随着闪电和雷鸣称为直击雷，雷电的放电过程通常分为先导放电、主放电和余光三个阶段。而感应雷也叫作感应过电压或雷电过电压，一般有静电感应和电磁感应两种。静电感应的产生是由于雷云接近地面建筑物，在建筑物顶端感应出大量异性电荷，雷云并不像下行雷一样对地面的建筑物进行放电，当雷云对其它物体或雷云放电时，建筑物中的电荷会失去束缚，而沿着建筑物传播，这就形成了静电感应，如图1-2。变化强烈的磁场是在雷电流的产生后在其周围产生的，所以电磁感应就由此产生，而变化的电磁场会使周围的导体产生很高的感应电压。雷电侵入波指的是雷击过程中，产生的冲击波沿着高压输电线路传播。图1-2静电感应示意图1.2雷电的危害雷击频繁发生的地方，被称为雷击区，雷击区的形成与地理条件相关，山区有利于雷云的形成，易遭受到雷击，另外，雷云的形成与地质构造也密切相关。土壤电阻率小的地方雷的影响相对较大，例如水库、澡泽、山坡、稻田等都是易遭受雷击的地区。电作用，热作用和机械作用是雷击破坏的三个主要的方面。电作用的破坏主要有产生几百万伏的冲击电压能损坏电气设备的绝缘，大面积的停电和设备废弃，高电压损坏绝缘的同时，发生火花和爆炸事故，另外，巨大的雷电流可能引发周围产生强电场，可能导致触电伤亡事故的发生，机械作用主要是雷电流射击时，产生大量的热量，使气体气化膨胀可能导致爆炸，另外，由于电动力的产生，也可能损坏电气设备。如果雷电流直接击中输电线路，会注入大量的雷电流，因此对输电线路的电压会急剧上升。绝缘子串的电位差是其两端的电位差，绝缘子串冲击闪络电压小于其电位差的情况下，绝缘子串将会发生闪络，与此同时导线通过杆塔对地放电。绕击发生时，雷电流首先直接作用于导线。因此，绕击时导线的电流行波全部为雷电流分量，不存在反击那样的电磁耦合分量，其发生过程的示意图如图1-2所示。热作用的破坏主要是雷电流通过导体产生的大量的热量可能引发火灾，如果接触容易爆炸的物品或者容易燃烧的物品则有发生爆炸的可能性。（图3）绕击示意图1.3雷电的放电过程雷电的放电过程基本上可以分为三个阶段，也就是说，分为先导放电、主放电和余光三个阶段。雷电的放电本质其实是大气隙放电，与离两个金属极远的情况下的放电大致相同。基本上所有的雷云都有一定的负电荷，雷云与大地的距离近的话，地面突出的物体的前端会感觉到大量的正电荷。正负电荷的电量达到一定程度，距离近的话会发生雷击现象。这个空气的间隙被破坏，电压成为数千万伏特。在雷云和大地之间的通道中，放电最初微弱的发光通道由雷云向大地发展，最初这种发光不明亮，这种预放电现象称为先导放电，先导放电使空气电离，当先导放电和迎面先导相遇时，就是产生强声光的主放电过程。示意图如图4所示。（图4）雷电放电原理1.先导放电阶段指的是当负雷云接近地面建筑物，达到空气的击穿强度（25.30）kV/cm，空气开始游离，形成不亮的先导放电是下行先导，下行先导在离地面百米处的时候，电场强度会随电荷的增多而变大，出现了从地面向雷云发展的上行先导，也称作迎面先导。下行先导有十分有多的特点，例如：首先是总体其实不是很亮，最前端相对比较亮，其余的地方就比较暗；其次，先导放电时长将近0.01s，相对来说较长；然后就是放电电流很小，与主放电比较大约只有100A左右，特别小；最后，发展速度较慢。2.主放电阶段是指当下行先导和上行先导（迎面先导）相遇的时候，在雷云和地面突出物之间形成高导电率的离子通道，这样，雷云中的负电荷和建筑物中的正电荷通过通道进行了中和。这是主放电过程，主放电过程比先导放电过程快得多，具体特征是，首先主放电伴随着巨大的雷鸣和明亮的闪光；第二，放电时间比先导放电快很多，时间为微秒级别；第三，放电电流很大，可以达到几百千安；最后，过程非常快，属于电荷的迅速中和过程。雷电流波形示意图如图5所示。（图5）雷电放电的雷电流波形如上图所示，先导放电不是贯通整个空间，而是间歇性脉冲形式逐渐发展的过程，称为分级先导，每一次的时间大约为几十微妙，常见的闪电包括多次的先导放电和主放电，多次放电可以连续放电数次甚至数十次。在多次放电的情况下，作为雷云整体电荷在内部难以移动，在雷云积累电荷过程中，有可能形成电荷密度高的中心，第一次主放电，主要放的是雷云第一个电荷中心的负电荷，而此时虽然第一次主放电己经结束，但是在雷云内部，第二个电荷中心的电位差己经形成，电荷的流动，也就是流注放电电流产生。这时，第一个放电过程的放电通道依然存在，所以会导致连续的第二次放电、第三次放电，甚至多次放电过程，也就是反复的冲击放电。根据实际测量，第一次放电电流幅值最高，之后依次减少，但是持续总时间增加了很多，对变电所和电力设备的运行产生了很大的影响。雷云很多数情况下带电的电荷是负电荷，在导线上有静电感应的影响，因为雷云带有负电，地面有正电荷，雷云向地面建筑物放电，由于电荷量的大量中和输电线路上累积的大量正电荷失去了雷云的束缚，沿着导线向两侧移动。发生感应过电压和感应过电流，称之为感应雷，感应雷的能量非常大，对供电设备的绝缘会产生很大的危害，雷云对架空线路的静电感应如6所示。（图6）雷云对架空线路的静电感应3.余光放电阶段指的是主放电结束后，雷云中残余的电荷。剩余电荷沿着主放电的放电通道持续向下移动，这就是余光放电阶段。余光放电阶段的特征是电流比较小，达到数百安培，但是，持续时间比较长，长的时间可以达到0.15s。1.4防雷的必要性雷击在导致接触网上雷击发生的同时，如果与电缆接触产生电压，超过线路绝缘等级，就会接触网线产生绝缘闪络，接触网就会跳闸。严重时会发生断线事故。根据铁路相关规定，客运专线的接触网在跳闸后，不论跳闸自动重合成功或重合失败，原因不明的情况下，本线和邻线都会限制速度运行，影响列车运行秩序，如果跳闸重合失败，则试送失败，就会引起中断供电。高铁接触网是向高速铁路线上架设的动车组供电的特殊形式的输电线路，与以往的电力线相比更易遭受到雷击的损害。近年来在中国大量新建的高铁位于山区、丘陵地带、旷野地带等地理位置，由于长大隧道与高架桥梁占了所有线路绝大多数距离，所以高铁的接触网受到雷击的概率比普速铁路的接触网高。由于接触网上使用的绝缘子的耐雷等级远低于雷电过电压，如果不设置避雷器或采取其他防雷措施，接触网设备将在大面积受到雷击灾害。接触网被雷击后，除去断路器的影响，伴随着很多接触网设备的破损现象。例如，绝缘子闪络、击穿，避雷器的炸裂、上网电缆头或电缆中间头部的击穿、电缆的断线等。在近年的“7．23”温州动车事故，由于雷击高铁设备落雷，信号设备故障，发生了惨痛的铁路交通事故。再来看看京广铁路的东广段的雷击跳闸率（图7），由此来对现在高铁接触网的防雷性能进行评价和分析，对高铁的理论研究和运营实践也有重要意义。（图7）1.5国外防雷现状德国铁路经实际测量结果表明，由于n5l在欧洲中部地区的地理优势，平均每lOOkm的接触网每年就会可能遭受1次雷电冲击。雷电对接触网的冲击会导致雷电冲击过电压，人们考虑过在设计中采用过电压保护装置来限制雷电过电压，一般使用避雷器。另外，避雷器只限制过电压的保护，只在频繁有雷的地区使用。在其它地区，无论是从经济上还是从防护效果上，一般不设置防雷设置。这是在欧洲电气化铁路上不常见的接触网避雷装置的原因。日本由于特殊的地理条件和气象条件，在电气化铁道接触网设计中，根据雷击频率和线路重要性，将国土防雷等级划分为A、B、C区域，制定了相应的防雷措施。图8是日本铁路接触网的防雷区域和防雷措施。（图8）1.6国内防雷现状为了提高接触网供电的可靠性，必须采取大气过电压防护措施，尽量降低雷电压接触网的侵害能力。根据《铁路防雷、电磁兼容及接地工程技术暂定规定》(铁建设(2007)39号)的第4．3．9条、《铁路电力牵引供电设计规范》(TBl0009—2005)的第5．3．1条以及《高速铁路设计规范(试行)》(TBl0621—2009)等规定，根据中国的京津、京广、京沪高铁等高速铁路，在保证良好的接地和加大绝缘的登山距离的基础上，分别在输电线的上网连接处、雷害多发地区正线锚段关节处、电分关系节处、雷害多发地区的长度1000m以上及桥梁每一锚段关节处、长度2000m及以上隧道、高架站房、有雨棚并且带封顶的站区的两端等重点位置设置氧化锌避雷器。目前高铁接触网中经常用的避雷器为带脱离器的氧化锌避雷器。2接触网概论2.1接触网受电弓用在架设在高速铁路接触网上，受电弓与接触网进行滑动式接触并且起到为电力动车组输送电能的作用，接触网是由支柱、地线、钢轨、水平拉杆、悬式绝缘子、棒式绝缘子、腕臂、定位器、定位管、弹性吊弦、接触线，吊弦、承力索共同组成的（如图9所示）。图10展示出接触网上部的承力索与下部的接触线通过中间的吊弦相连接。（图9）1-承力索：通过吊弦将接触线悬挂起来2-吊弦：将接触线悬挂在承力索上3-接触线：接触线与受电弓滑板直接接触从而获取电能，是接触网的重要组成部分4-弹性吊弦5-定位管6-定位器7-腕臂8-棒式绝缘子9-水平拉杆10-悬式绝缘子11-支柱12-地线13-钢轨图10表示接触网上部的承力索与下部的接触线通过中间的吊弦相连接。（图10）2.2接触网供电方式现在的高速铁路想实现高速化，其中重要的因素之一就是牵引供电系统，供电方式配合牵引变压器的接线形式可以从电压，频率和可靠性来提高供电质量。BT供电方式、AT供电方式以及TR直接供电方式是电气化铁路上重要的牵引供电方式，其中AT供电方式（图11）对于防通讯干扰的效果和十分的出色。但故障率较高，所以对防雷有着更高的要求。（图11）3接触网的防雷措施3.1架空避雷线的概念在输电线路中有效且最基础的防雷措施是架设避雷线。避雷线的主要作用防止雷电直接击中导线，同时还可以降低过电压，减少线路绝缘子的电压等。在配电线路上架设避雷线的话，可以将直击雷分流到各个线柱上，来提高防雷效果，对感应雷来说，由于避雷线的屏蔽效果可抑制其在相导线中产生的过电压。将架设避雷线经过校核避雷线对边导线的保护角是曾经在东部尝试的方法。我们采用在原架空线加装卡顶的装置。3.2架空避雷线安装高度的确定架空避雷线的保护效果取决于架空避雷线的安装高度。根据高铁接触网设备现行特点，架空地线只有在既有支柱上加装，架空地线的安装高度决定了其保护范围。世界各国对接闪器保护范围的计算方法大体有三种：滚球法、保护角法和网络法。电力系统中及日本新干线铁路避雷线保护范围采用保护角法计算，我国GB50057—2010《建筑防雷设计规范》规定接闪器保护范围采用滚球法计算。“滚球法”是指以某一定半径的球体，在装有接闪器的建筑物上滚过，滚球被建筑物上所装的接闪器撑起，这是球体的弧与建筑物之间的范围，便是该接闪器的避雷范围。装有同样接闪器的同一座建筑物，使用不同半径的滚球，其弧与建筑物之间的范围是不同的，即保护范围也不同。图12两支等高避雷线的保护范围示意图。（图12）3.3架空避雷线的防雷架空避雷线位于接触网支柱上面，为独立架空地线，接触网承力索和AF线是其保护的对象。避雷线的材质常采用镀锌钢绞线，目的是为了更好地增大在相同截面下导线的强度。将地线设置为线径50mm，下锚张力为额定5kN时，将减小支柱容量受架空地线的影响。避雷线安装在支柱上方1m处。因为是将架空的接触网作为正极，使机车行驶的钢轨作为负极，而不直接接地的系统，所以要求从杂散电流防护角度来严格要求架空接触网不能直接接地。为了避免杂散电流泄漏入大地对系统以外设施形成电流腐蚀，所以在工程上便会要求桥梁和钢轨的道床必须可靠连接并与大地进行电气隔离，构成杂散电流收集网，杂散电流通过引线集中到牵引变电站之后被收集。由于安装接触网的钢支柱与桥梁钢筋是可靠连接，当架空地线直接接地时，杂散电流就会将通过钢柱、架空地线、接地极泄漏，从而导致杂散电流流进附近的大地中。架设在高架段接触网沿线的架空地线通过金属抱箍与下锚底座、支持装置等支柱安装，架空的地线从两侧的车站直接拉到牵引变电所的接地母排上，通过地点位均衡器将地极连接起来，这样的操作在区间内每隔两百米设置一处；接触网的各种绝缘子，他们的接地端金属底座、开关底座、腕臂底座都会与架空地线进行可靠的连接。3.4加设避雷器避雷器是放出电压能量、限制电压大小大的装置，也被称过电压限制器，通常连接在带电设备与接地装置之间，与被保护设备并列连接。雷电过电压波避雷器受到保护，接地变电所的主要电气设备由变压器、电压互感器等并联避雷器保护，其作用是防止感应雷引起的大气过电压及操作过电压。目前使用的避雷器主要有保护间隙、排气式避雷器（管式避雷器）、阀式避雷器，氧化锌避雷器四种类型。在接触网上设置避雷器可以大概率降低落雷概率，随着避雷器数量的增加，接触网遭受雷击的跳闸率就会降低。受到接触网附近地形、地貌、建筑、树木的影响，接触网上有些区段更容易遭受雷击，而有的区段则比较安全，在容易遭受雷击的地段多设置避雷器，在其它地方不设置或少设置避雷器，这样能使技术经济效果最大化。（图13）避雷器的连接示意图图14中黑点表示安装避雷器的支柱，白点表示没有安装避雷器的支柱。雷击分3种情况：雷击导线(A点位置)、雷击有避雷器的支柱(B点位置)、雷击没有避雷器的支柱(c点位置)。（图14）避雷器应体积小、重量轻，所以设置在已有接触网上，支柱的机械负荷不会显著增加。避雷器结构紧凑、安装方法简单，更换时的保护水平应与接触网的绝缘水平互相匹配。特别是具有间隙避雷器的50％冲击放电电压与接触网绝缘子的放电特性一致，正、负极性的分散性应小。避雷器的保护距离应尽可能的加大；由于接触网上安装的避雷器大多在山区，避雷器维护和更换不便，所以对避雷器的密封性、防爆性、机械强度和可靠性有更高的要求。3.5防雷接地的研究电气化铁道接触网的防雷接地是依据高速铁路设计规范设计，接触网的防雷措施与接触网连接，与高雷和强雷区分相和站场端部的绝缘关节连接，并且在高雷和强雷区，必须在做好避雷装置的情况下才能架空避雷线。包括设置避雷器的长度在内，通常在2000米以上的隧道的输电线上设置避雷装置，在独立的强雷区设置避雷线的保护角为45度。3.6接触网防雷的总结至今中国高铁运行时间还不算很长，我们对高铁接触网设备防雷还缺乏系统经验。对各地地形、地貌及气候条件的要求标准仅限于电气化铁路接触网的经验。此外，高铁接触网的设计主要参考了《铁路电力牵引供电设计规范》(TBl0009-2005)和《高速铁路设计规范》(TBl0621—2009)。关于高速铁路牵引供电系统防雷技术的规定还停留在套用传统技术的基础上。自从京广、京沪、广珠城际、广深港等南方地区高铁通车以来，防雷方面的缺陷更加暴露了，主要有以下几点：(1)接触网未设置架空避雷线高铁接触网防雷设计主要为部分重要设备增加了避雷器。根据目前掌握的经验，没有充分考虑高铁线路的新特点、高速取流的新要求。从设计上没能考虑设置避雷线。高铁的高架桥、长距离的隧道数量很多，桥梁和隧道长度占所有线路的60％以上，桥梁和隧道远远比普速铁路要多得多，高架桥上的接触网的高度在16—36米之间，高度与110kV电力架空线缆大致相同，再加上没有安置避雷线，直击雷雷击高铁接触网电路的概率很高，直击雷通过雷击承力索、AF线、Pw线、上网电缆头或接触网支柱等入侵接触网，使腕臂绝缘子、AF线悬式绝缘子及电缆头等其他设备击穿甚至炸裂。(2)变电所亭等设施中，以往的牵引变电所、分区所、AT所、开闭所的交流输入线、直流进线母线、室外照明电路、网开关操作电源等装置没有安装浪涌保护器，在受雷击而造成线路设备损坏时，强大的雷电流也将通过低压电路进入上述装置内，从而造成这些回路的断路器跳闸或受损，影响整个牵引电力系统的控制和保护系统。(3)某些重点处所未设置避雷器根据原来设计和施工，部分隧道口、绝缘关节两侧的转换柱、中心锚定柱附近、中心锚定柱和转换柱之间没有设置避雷器，但这些关键部分所遭受落雷的几率比其他地方大，这些失误就会大大增加被雷击中的概率。(4)未对不同地段采取针对性防雷措施由于高铁运行经验的不足，面对高铁新特点，全线防雷措施均按同一标准设置。依据不同地段的地形地貌的差异、土壤电阻率的高低、雷雨天的多寡、污染程度的轻重等等因素，可进行有针对性地考虑和安置不同的防雷措施。例如，局部地区雷活动的程度不同，避雷器数量的设定基准也会有所不同。(5)现行使用的绝缘子耐雷水平有待于进一步验证在加强线从运行中退出之后，为了加强线在柱顶上的架空线，可以屏蔽接触网和正馈线，增设铝为主芯的双绞线，将接触的悬垂和加强线之间的连接卸下。在雷害高发区和重要设备处，为了避免直接落雷伤害，架设避雷线时候建议分析和统计沿线所受雷害的现状，尽可能将避雷线安置在承力索的上方，安装绝缘台时，不要使用相同的电流通道。将避雷器安置在雷害高发区，将防雷器两侧密封，在敏感位置安置避雷设备，统计分析低雷区沿的线受雷害现状，在隧道两端、站场和分相端部的绝缘锚点关节，特别是长供电线上的高架区域，注意布置高铁基架空转换处和电缆线路等重要区域。通过对高铁接触网系统特点的概括，以京广高铁广东区间线路的实际情况为例，分析中国高铁接触网防雷技术的现状，并以京广高铁广东区间雷击跳闸率的现状和接触网设备遭受雷害的情况为例，说明了高铁防雷的现状与目前存在的问题，根据设备运行经验，为了改善这部分接触网设备的防雷性能，建议采取以下改善措施：(1)加