高速铁路供电系统雷害分析及措施

课题名称高速铁路供电系统雷害分析及措施

摘要目前由于我国国内高速铁路由于地理位置区域空间跨度大,而且基本无供电备用系统,因此遭遇雷击一旦雷电形成或其永久性供电故障将可能造成部分供电不足区段的线路停运。根据国家规范只有强烈避雷区内的接触网才可以架设独立的铁路避雷线,但目前我国国内高速铁路避雷接触网一般都是处于多个避雷区,接触网内部未设独立避雷线,易线路遭受强烈雷击从而引起线路损坏。为充分保证目前我国通用高速铁路干线接触网供电运行的安全高可靠性,文章主要结合目前我国通用高速铁路干线供电防雷方式,提出关于我国高速铁路干线接触网供电防雷防护措施的几点建议。结合相关理论和实际情况分析,对当前我国高速移动接触互联网网络防雷技术进行深入研究。关键词高速铁路接触网防雷ABSTRACTAtpresent,China'shighspeedrailwaygeographicregionspanisbig,andnobackupsystem,sothelightningonceformedpermanentfaultwillcausethepowersupplysectionoftheshipments.Accordingtothespecificationisonlysetupindependentstrongminefieldcatenarywire,butChina'shigh-speedrailwaycatenaryinaminefield,catenarydidnotsetagroundwire,arevulnerabletolightningstrikecauseddamage.Inordertoensurethehighreliabilityofthehigh-speedrailwaycatenaryoperationinourcountry,combiningwithhighspeedrailwaypowersupplymodeinourcountry,putsforwardSuggestionsforthehigh-speedrailwaycatenarylightningprotectionmeasures.Combiningthetheoryandpracticalanalysis,thehigh-speedcatenarylightningprotectionresearchinourcountry.Keywords:highspeedrailwaycatenarylightningprotection目录前言12一、绪论13二、雷击原因分析13三、接触网遭受雷击的分析14四、接触网现状防雷保护措施的分析14五、国内高速铁路防雷设计概况15六、接触网雷击跳闸的危害16七、采取防雷措施16结论19致谢20参考文献21前言我国主要国际铁路的首长大客运干线以及所有国际高速铁路和大客运专线已全部实现并网电气化,根据当今国际铁路的发展趋势,高铁即将发展成为未来铁路客运甚至铁路货运的重要主导力量,因此,保障高速电气化铁路的安全、稳定和不间断并网供电,是高铁安全通行运输过程中的重要环节。通过日常实际工作经验和科学理论相互的结合,分析高铁雷害经常发生的薄弱环节区段并及时采取适当的防治方法。为防止各类雷害发生带来的高铁供电系统中断,通过(1)设计架设高铁避雷线;(2)设计降低高铁接地线的电阻;(3)设计安装专用避雷器等多种方法,对高铁接触网上的雷害发生进行有效防治。一、绪论管内京广高铁线路接触网80%左右高铁线路全部架设于京广高架桥上,相比普通的高速电气化铁路,高铁高铁接触网发生遭受高铁雷击的最大概率可能更大;而在绝缘抗雷防护设计方面,高铁高铁接触网却依照普通高速铁路管内绝缘防护水平线的标准设计,耐雷击的水平只可能达到几千安培,出现高铁雷电过载和电流的最大概率在90%以上;同时高铁接触网本身是高铁无线的备用供电设备,雷击一旦及时出现将严重影响高铁供电线路区段的正常运行,因此我们应高度重视高铁接触网的绝缘防雷设计。电气化后的高速铁路已发展成为目前我国道路交通运输一种主要运输方式。但是现在绝大部分的铁路接触网都已经裸露在自然环境中,由于这些接触网本身是用于牵引制动供电控制系统的铁路行车保护方面重要部分组成的一部分,因此就必需对其采用必要的保护措施,通常需要采用限制大气压和过电流的保护措施。郑州铁路局管内高铁灾区地处华南平原,每年6月中旬至9月中旬,雷电救灾活动相对频繁,高速电气化铁路处于地势较高地区接触网就会时常遭受到雷击,如果不对接触网进行防护或者防护措施不到位会造成线索烧断、变电所跳闸甚至发生接触网支柱被击毁等供电故障(事故),严重影响铁路的行车安全,如果雷击产生的过电压传到牵引变电所,还有可能造成设备损坏等更大的事故。因此,研究有效的接触网防雷击措施对于预防雷击事件造成的损失有重大的意义。二、雷击原因分析雷电的直接成因现象分析目前雷电的直接形成主要是特定的气体大气与地球大地其他环境相互作用的综合结果,它们是属于地球大气系统中的一种放电辐射现象,多数都是直接形成于大风积雨或多云中。由于大气温度和干燥气流的相互变化,积雨和卷云云层在干燥空气中会连续不停地螺旋运动,在这一运动过程中一些摩擦物会生成静电,产生了一层带有正电荷的积雨云层。通常,位于下层的雷云携带的电荷是一个负非正电荷,而上层地面因为感受到近似于地面上的雷雨而对云的非正电荷产生感应,也可能会为其带上与雷雨云底电荷相反而有符号的非正电荷。这主要可能是因为雷雨云和灯与地面之间直接产生了一种静电感应的现象。此时,地面与高空雷云之间便有机会连接形成一个电场。当某一处物体集聚的短波电荷能量密度已经足够大时,击穿室内空气时会产生短波雷电。通常遇到雷击于通过牵引变电所时,会导致有两种雷击表现形式。一种方法是直接感应脉冲过电压,另一种方法是横冲直击感应过电压。(1)检测感应器的过电压。感应器通过电压与发生雷电沿北京架空高铁线路方向侵入时的牵引变电所速度有关。当一个携带负负正电荷的雷云在位于架空输电线路的上方时,静电电荷感应器就会产生使得放在架空输电线路上的正正负电荷迅速积聚结合到一起。然而,当雷云对面向地面施放电以后,架空牵引线路里这些正常的电荷便也就会完全失去了流动约束,重获自由,从而自由将电流动连接到架空导线的线路两端,进而就会产生很高的电流过电压,这样就对架空牵引变电所安全产生了很大威胁。(2)控制直击器的过电压。雷云有时候还会直接用雷击中电力牵引变变电所的内部电力设备,形成强大的电磁雷击和电流,造成电力设备的工作电压温度过高,击穿电力设备的外壳绝缘、造成设备电气信号短路。同时,当雷电导线电流直接穿过其他物体时,生产热放电效应,还可能会直接烧断雷电导线。此外在当雷电直接发射击中与直线变电所二次连接相连的电缆设备后,由于二次相连电缆不会导流,对于与变电所二次相连设备也常常会可能造成严重烧损等的风险。由于每个牵引变电所车站是多条列车线路的主要交汇点,线路又大部分时间架设在野外,因此列车遭到线路雷击的发生几率大,所以,牵引变电所线路遭雷击主要危害原因之一就是电磁直击直接过电压和电磁感应直击过电压的同时存在。接触网受到雷击方式的分析和计算:根据国内外对接触网遭受雷击方式的分析和计算成果,可得出以下结论:如果接触网所处的地区的年平均雷电日比较多那么遭受雷击的频度也就越大,一般说来每平方公里大地一年的遭受雷击次数与年平均雷电日数有关系并且成正比。根据国际大电网会议33委员会推荐的计算:承力索距离轨面平均的高度为7m,接触网的侧面限界为3m,则单线接触网遭受雷击次数N=0.122×Td×1.3,复线接触网遭受雷击次数N=0.244×Td×1.3,其中Td为年平均雷电日数。接触网遭受雷击时主要产生了过电压,当雷击接触网支柱时,雷电流将会沿支柱入地同时支柱上会产生冲击过电压,过电压值与支柱的冲击接地电阻、雷电流幅值以及支柱等值电感有关,但是为非线性正比。再者雷电通道产生的电磁场变化也会产生与雷电流极性相反的感应电压,并且感应电压的值与雷电流平均值以及接触网导线的高度成正比。冲击过电压和感应过电压的叠加值的大小与接触网支柱的接地电阻有关,接地电阻越高叠加值也就越大,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增大而增加。当雷击接触网支柱时雷电流沿支柱入地,产生的冲击电压为:U1=RI+L(dI/dt)[公式要用公式编辑器书写]式中R-支柱的冲击接地电阻,取R=10Ω;L-支柱的等值电感。接触网遭受雷击时就会产生过电压,如果过电压值达到了接触网所支持绝缘子的冲击放电电压时,就会形成绝缘子闪络,雷电流就会经支柱、接地线和钢轨等入地然后过电压就会随之降低。1.雷电流的概率分布雷电中有多个带电中心并且90%的雷电均为负极性,通常情况下一次雷击会有多次放电且持续大约0.1~0.2s。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为:(1)除下(2)所述用电地区以外的是在我国一般用电地区由于雷暴发电流量的幅值最大超过i的雷电概率最大可按式(2)求得LgP=-I/88(2)式中P-雷电流幅值概率;I—雷电流幅值(kA)。(2)陕南以外的西北地区、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:lgP=-I/44(3)2.接触网遭受雷击过电压的分析接触网雷击包括以下几种:直击雷、雷电反击和感应雷击过电压等。直击雷:雷击接触网承力索遭受直击雷时也会产生过电压,雷击过电压约为100倍的电流幅值(大约产生几百到几千kv的过电压)即与雷电流幅值成正比。雷电反击过电压:雷击支柱顶部会产生接触网雷电反击电压,产生雷电反击电压时不仅仅是雷电流通过支柱,同时在支柱顶会产生电位以及由于空气中电磁场的变化在导线上还会产生感应电压。根据DL/T620-1997(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。感应雷击:距接触网有限远>S>65m处,当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且比值为3.84。3.接触网耐雷击水平计算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hw=7.6m,支柱高度h。=8.0m,支柱冲击接地电阻R=10Ω,L。=0.84×7.56μH时,

I1=22.67kA。根据式(2)可计算出雷电流超过I的概率P=55.3%。雷击承力索时耐雷击水平I2=350/100=3.5(kA)建弧率ηη=(4.5E0.75-14)×10-2=[4.5×(25/0.5)0.75-14]0.71

式中E-绝缘子串的平均运行电压(有效值)梯度,kV/m。跳闸率:(以年平均雷暴日60天计算)平原地区NT=N×η(GPl+P2)=25×0.71×(1/4×0.553+3/4×0.912)=(14.6次/100km年)根据上面的计算结果我们看到,平原地区每100km的电气化铁道线路,每年由于承力索受雷击而导致的跳闸次数大约为15次。因此,应当特别重视雷电对电气化铁路尤其是告诉客运专线的安全影响。四、接触网现状防雷保护措施的分析按照ttttb10009-98的国家有关法律规定,凡在定位重点设置避雷区及其他上的超定位重点设置避雷区的每个定位重点设置避雷器的位置线上均应同时设置自动定位避雷器,无其它上的其他特殊要求。在现代建筑设计中,一般回流线架设高度比承力索低,且回流线的接地每隔1~2km一处,接地电阻为10Ψ,回流线与钢筋混凝土支柱采取非绝缘安装,与钢支柱采取绝缘安装,独立钢支柱接地电阻为30Ψ。钢筋混凝土支柱不设独立接地体。车站内零散支柱采用火花间隙与钢轨连接。1.没有安装避雷线的特殊情况。不能有效率地防止激光雷击直接照射发生。架空线路地面导线(或者称回流式地线)虽有一定的导线防雷保护功能，但仅仅是起到了用于电力部门对电线架设红外耦合线路地面导线的一种防雷保护功能，因为它没有能够达到有效的导线防止红外雷击直接发射作用。2.由于地线支柱或桥梁架空线和地面天线上会受到多次雷击，由于在支柱架空线和地面天线上面与接地的天线间距很大，雷击时的电压首先需要打穿支柱架空线和地面天线的支柱肩架和钢筋混凝土上的保护层，然后通过地线支柱上的泄漏管流到一块大地。因此，广深线上已经出现了多起钢筋混凝土桥梁支柱被外力击穿的交通事故。3.对于重雷区及超重雷区接触网上的避雷器太少,造成雷击跳闸率过高。4.重型轻雷区和冲击超重型轻雷区的雷电接触网对地面真空间隙过小，最大放电值为250毫米，其中可能直接承受较大冲击的放电u50%为170ka，雷击防御耐受性仅能高达11kv,超过大的雷击放电流的冲击概率只能达到75%，与雷电绝缘子中的雷电流对冲击的防御耐受性不完全相匹配。五、国内高速铁路防雷设计概况我国目前电气化铁道接触网防雷设计的时候主要是依据《铁路防雷、电磁兼容及接地工程技术暂行规定》和《铁路电力牵引供电设计规范》的相关规定。根据每年雷电日的数量划分为4个等级区域:(1)少雷区,年平均雷电日在20天以下的地区(含20天);(2)多雷区,年平均雷电日在20天40天的地区(不含20天);(3)高雷区,年平均雷电日40天到60天的地区(不含60天);(4)强雷区,年平均雷电日在60天以上的地区(含60天),郑州铁路局管内高铁管辖范围属于多雷区。安装避雷器和架设架空避雷线是接触网防雷最主要的措施,前提是接地工作落实到位。具体规定为:(1)在吸流变压器的原边同样也设置避雷装置;(2)如果长度2000m及以上隧道的两端、分相和站场端部的绝缘关节、AF线连接到接触网上的连接处、长度大于200m的供电线等处于高雷或者强雷地区,在这些位置也应当设置避雷装置;(3)强雷区设置保护角为0°-45°的独立避雷针。《高速铁路设计规范》(2015年试行)明确规定，重程度污染或易爆雷区、高速铁路基、架桥和铁路隧道口等重要危险地段上还应适当增加使用氧化锌作为避雷器的安全接触网。《高速铁路设计规范》(试行)第21.4.4.2规定："牵引网中的防雷接地装置与贯通地线的其他设备之间的接入点不得小于15m。"接触网上的防雷装置主要是指在接触网安装的避雷设置，为了减少对综合接地系统中其他电气装置(如信号装置)的影响，防止通过接地网对电压进行反击，应保证地中距离具有某种地中距，使沿接地体传播过电压衰降到不危险程度，按现有国家规定，其地中距离不小于15m。六、接触网雷击跳闸的危害1.直接危害(1)接触网遭受雷击产生瞬间高电压,会在接触网绝缘薄弱的地方发生闪络泄漏,瞬间产生对支柱等接地体的放电现象,轻则绝缘子闪络跳闸,重则造成绝缘击穿烧毁、击碎甚至塌网等事故。(2)雷击频发的接触网区段,因雷击会造成接触网设备电气、机械强度同时下降,使用寿命相应变短,增加了高铁接触网工区日常检测、检修的工作量。2.间接危害(1)因雷击造成接触网跳闸并且强送电失败时,现场抢修人员本着"先行供电,先通后复"的原则查找故障点并抢修故障。但是因抢修人员素质参差不齐,现场抢修负责人指挥不当,再加上恶劣天气的影响,容易出现应急措施落实不到位,造成停电时间过长,不但影响本供电区段上的列车停运,同时也阻碍了后续列车的开行,打乱了正常的列车运行时刻,给列车运行秩序的调整和恢复带来了巨大的困难。(2)因雷击造成接触网跳闸停电,一时难以恢复,不仅中断了高铁运输,动车组内通风、空调以及照明系统均停止工作,不但影响了旅客的情绪,给高铁乘务工作人员带来压力,还可能造成不良的社会影响。七、采取防雷措施目前郑州铁路局管内高铁防雷措施欠缺,只能采取一些治标不治本的方法:一是加强雷击跳闸后的巡视排查力度,及时消除安全隐患。二是加强变电所防雷措施。对地网接地电阻进行全面检测和检查,发现接地回流不畅、接地电阻超标、接地装置不合格的情况,及时研究制定措施,组织整改。三是加大变电所内一、二次绝缘子和网上绝缘子的清扫力度,采取水冲洗、涂抹防腐涂料、更换硅橡胶绝缘子等措施,提高绝缘子抗雷水平,努力减少雷击击穿故障。但是这些措施远远满足不了高速铁路接触网抗雷能力,暑期来临,供电系统干部职工严正以待,时刻准备出动抢修,恢复供电线路畅通。要想做到高枕无忧,切实做到对雷害的根除,还得落实以下几条防雷措施:1、架设避雷线高速铁路供电系统需要接触网的可靠度较高。因此，根据郑州铁道局管辖的高铁实际情况，要求将变电所的进出口、接触网隔开两侧，架空线和电缆的连接部分，变压器的进线等设置避雷装备。但从管内高铁开通后的经验看，建议采用安装避雷线较高、地势更大的区域进行防雷。架空避雷线以柱顶安装，距平腕臂1.7米，安装图如下表显示为：20°30℃，保护角为20°30℃，架空线与地引线相连接，地引线为支柱钢筋，并与支柱综合接地系统相连，保证雷击过电压及时通过综合接地系统泄露至大地中。图7.1(避雷线安装图)架设避雷线，可防止雷击和对电流分离，减少流入杆塔内的雷电流，使塔顶下降；对导线的耦合，降低了导线的感应电压，对输电线路有很好的保护作用。当雷云先导地向下发展，到离地面较高的位置时，在高出地面顶部形成了局部电场强度较高的空间，形成了迎面向上发展的空间，使雷电只对避雷线发射电，从而使附近物体不受雷击的影响。避雷线的保护功能是吸引雷自身，并使雷电流向大地泄漏，为了让雷电顺利流入大地，要求避雷线配备良好的接地设置。2、降低接地电阻降低地面电阻，可提高雷射性能。防雷装备的接地设置是为大地发射雷电而配备的。由于冲击接地电阻和工频接地电阻之间的线性关系是不能在现场测定的，一般采用工频接地电阻对杆塔进行规定。降低接触网阻力可有效提高线路耐雷度，当接触网支柱的形式、尺寸和绝缘子类型确定时，影响接触网抗雷水平的主要因素是杆塔接地电阻值的电阻。根据《电气设备防雷技术》，在取接地电阻为7,15、30和50度时，耐雷水平为7-1的情况下，可以达到7。表7-1接地电阻(Ψ)7153050耐雷水平(kv)43.3726.415.29.73相对危险系数11.562.092.41因此,由以上数据可以得知,接地电阻越低,耐雷电压水平就越高,其相对危险系数就越低,就越安全。相应的降低高速铁路接地电阻值,可有效地提高接触网的防雷能力,保障高铁供电系统安全运行。3、在雷害严重的地区架设避雷器采用这种安装反射避雷线仅仅是解决不了直击式避雷及导线感应器的电压辐射对接线和触网设备造成的直接危害，但要防止绕击此类事故，必须及时采取其他预防措施，安装各种金属管或氧化物反射避雷器同样可以有效防止不管什么是直击雷的反射直击雷在导线塔顶还是在避雷塔顶或者在避雷线上的反击，绕线施打等都应该是非常有效的。从根本上可以解除电源线路遭受雷击以及闪络的安全事故。综上，高速铁路接触网防雷技术在当今已成为一个比较重要的问题，防雷措施的实行直接影响暑运供电系统的安全，影响了暑运时期。在今天的这个快速发展的社会中，高铁已经成为人们日常旅行的一种重要交通工具，保证接触网的运行状况成为供电系统的首要任务，吸取雷害跳闸(事故)的教训，认识到其危险程度和高度重视，采取有效的科技解决办法，积极创新，不断提高水平，确保铁路高速供电系统的稳定运行。安全运作。结论鉴于此类雷电接地保护措施问题在工作原理上不管何时采取何种保护措施，只能大大降低由于雷电所扰动引起的线路故障或雷电跳闸的发生概率，不能尽可能彻底完全避免防止雷电发生灾难，因此，接触网接线防雷保护措施在尽量保护雷电效果，投资和保护工程的性能优缺点上，建议尽量采用直线抬高高度保护雷电线路apw的悬挂方式，afw的线路在悬挂时应采用金属合成的雷电绝缘，认真研究做好用于接触网接线防雷的雷电接地保护措施。目前，我国的技术规范中只有一些关于相关防护措施的具体要求，但没有提出对接地电触网跳闸系统耐雷能力水平、跳闸成功率、故障率等特定技术指标的具体要求，防雷设计深度难以把握。建议对我国接触网系统进行耐雷、跳闸或故障等具体指标的完善。铁路综合接地系统是雷电引导下的一种极佳接地设备。致谢本次毕业设计任务顺利完成，首先谢谢老师的指导与帮助，毕业设计期间，也正是由陈老师指导我明