学位论文带回流线的直接供电方式接触网防雷技术的研究.docx
《学位论文带回流线的直接供电方式接触网防雷技术的研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《学位论文带回流线的直接供电方式接触网防雷技术的研究.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
学位论文带回流线的直接供电方式接触网防雷技术的研究
湖南铁路科技职业技术学院
毕业设计（论文）任务书
课题_带回流线的直接供电方式
接触网防雷技术的研究
编号＿＿＿＿＿＿＿＿
设计（论文）任务与要求:
任务：
通过本论文对国内外的铁路接触网的防雷技术的研究分析，找到现阶段防雷技术的不足，分析其薄弱环节，并从经济、技术方面提出更适合铁路接触网的防雷技术和对未来接触网防雷技术的展望。
要求：
（1）做好现场调研工作，做好原始资料的调查
（2）根据整理好已掌握的文综文献，提出自己的观点，条理清晰
（3）字数符合论文规定
设计（论文）依据的原始资料:
[1]湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）工作规范（铁路科职院）[2007]26号文件
[2]中华人民共和国铁道部,电气化铁道接触网绝缘污秽分级标准[S]
设计（论文）文件的组成及要求:
论文组成：
摘要、目录、结论、指导教师评阅表、评阅教师评阅表、答辩评阅表、专业答辩组提问情况、评定书。
论文要求：
观点明确、实事求是、思路清晰、条理清晰，并在论文中能准确的表达自己的设计理念。
参考资料:
[1]于增.接触网防雷技术研究[J].铁道工程学报,2002,l:
89-94
[2]范海江,罗健.铁路客运专线接触网防雷研究[J].铁道工程学报,2008,79-83
[3]林福昌.高电压工程[M].北京:
中国电力传版社,2006,78-1
[4].赵智大.高电压技术.第二版[M].北京:
中国电力传版社,2006,84-93
[5].施围,郭洁.电力系统过电压计算[J].第二版.北京:
高等教育出版社,2006,245-290
[6].李福寿.电力系统过电压计算[J].北京:
水利电力出版社,1988,78-81.
[7]李群湛,连级三,高仕斌.高速铁路电气化工程[M].成都:
西南交通大学出版社,2006,345-360
[8].陈纪纲.带有回流线的直供电方式接触网防雷技术的研究[J].西南交通大学工程硕士论文,2005
任务下达时间:
2013年3月1号
毕业设计开始与完成任务日期:
2013年3月1号—2013年
系部专业教学指导委员会
该毕业设计（论文）选题符合本专业人才培养目标要求，同意下达任务
系部主任审批意见
同意按计划执行
签字年月日
带回流线的直接供电方式
接触网防雷技术的研究
1.绪论
1.1引言…………………………………………………………………8
1.2论文的研究目的……………………………………………………8
1.3现阶段国内外的研究状况…………………………………………9
1.3.1国外的研究现状………………………………………………9
1.3.2国内的研究现状………………………………………………10
1.4接触网与输电线路防雷措施的比较………………………………10
1.5研究内容……………………………………………………………12
2.雷击与雷击过电压分析…………………………………………………12
2.1雷击…………………………………………………………………12
2.2雷击过电压…………………………………………………………14
3不同供电方式下的防雷的技术…………………………………………15
4带回流线的直供方式接触网雷击及防雷技术分析……………………17
4.1带回流线的直接供电方式的特点…………………………………17
4.2直供方式牵引供电系统的绝缘及其配合…………………………18
4.3带回流线的直供方式防雷技术分析………………………………21
5结论……………………………………………………………………23
4.1总结…………………………………………………………23
4.2对牵引供电系统运营部门的小提议………………………23
4.3对高铁接触网系统防雷的展望……………………………24
致谢…………………………………………………………………25
参考文献……………………………………………………………25
摘要
本文在现有接触网防雷研究的基础上,分析了牵引供电系统的绝缘及其配合.通过研究表明在无避雷器的情况下,接触网防雷水平不高.沿铁道线路的雷云放电,大部分雷击都有可能引起接触网绝缘子闪络，在有架空回流线及采用避雷器的情况下,接触网耐雷水平较高，同时,接触网支柱的接地电阻对接触网的耐雷水平影响较大.
关键词：
接触网直供防雷
Abstract
TheexistingtheCatenarylightningresearchbasedonanalysisoftheinsulationofthetractionpowersupplysystemandtheircomplexes.Studieshaveshownthatinthecasearrestercatenarylightningprotectionlevelisnothigh.Thunderclouddischargealongtherailwayline,mostofthelightningmayhavecausedthecatenaryinsulatorflashovercatenaryoverheadreturnlineandtheuseofsurgearresters,lightningwithstandlevel,atthesametime,lightningwithstandlevelthepillarofgroundresistancecatenarycatenaryinfluencelarge.
Keywords:
CatenarySupplyinglightning
第1章绪论
1.1引言
铁路运输是国民经济的重要部门之一,它既为现代工业、现代农业及现代国防提供必不可少的动力,又和广大人民群众的日常生活有着密切的关系，国民经济的高速发展,交通运输必须先行，接触网是电气化铁道中主要供电装置之一,其功用是通过它与受电弓的直接接触,将电能传送给电力机车，电气化铁道的接触网伴随铁路穿过高山，跨过平原,气候条件差别较大,情况复杂，同时,接触网没有避雷线,而自然界气候千变万化,沿线随时有被雷击的可能.
1.2研究目的
根据我国铁路牵引供电系统运营部门统计数据分析,从目前开通的近2万公里电气化铁路的运行情况看,部分线路雷击事故比较
频繁"具体危害表现:
1雷电造成接触网绝缘子闪络,引起牵引变电站跳闸
2铁路隧道中,雷电常出现击穿水泥壁
3接触网支柱被雷击损坏
广深铁路自1998年开通以来,发生多起雷击引起设备损坏的事故.贵昆线、南昆线和京广线韶广段雷击接触网事故也非常严重,广深铁路长139.46km,在2000年1月一12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达57.7%,南昆线昆明局管内的325.8km接触网,在1999年3月27-8月31日期间,发生雷击接触网跳闸85次,接触网是牵引供电系统的重要组成部分,没有后备能力,如果防雷措施采用不当,可能引起绝缘子损坏,造成线路跳闸,将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入牵引变电所,可能引起站内电气设备损坏,造成更大的事故.因此,接触网的防雷是影响电气化铁道供电安全可靠运行的一个重要环节.
随着我国电气化铁道运营里程的增加,重载及高速铁路的快速发展,评价和比较牵引供电系统接触网的防雷性能,具有重要的理论意义和工程实践价值,加强接触网的防雷措施,提高接触网的耐雷水平都是相关部门必须解决的重要课题.
1.3国内外现阶段研究状况
关于电气化铁道接触网雷击过电压的防护方法以及避雷器的设置范围,应该跟综合考虑线路经过地区的雷电活动的强弱、地形地貌特点、铁路等级、土壤电阻率的高低等自然条件，从目前情况来看,国内外看法不尽相同.
1.3.1国外的研究现状
德国电气化铁路中,考虑采用过电压保护装置来限制雷电过电压,应用比较多的为避雷器.同时,他们也认为避雷器只能对过电压进行有限的保护,所以除非有极频繁雷电存在的地段才会使用，在其他区段的接触网从经济上考虑节省不用.
在日本电气化铁路中,根据雷击频度及线路重要程度,划分为A、B、C三个区,防雷措施见表1.1"
图1.1日本铁路接触网防雷措施
1.3.2国内研究现状
我国幅员辽阔,气象条件差异很大,雷电活动情况很不相同,对于不同地区、不同地形根据具体条件,应经过调查研究区别对待.电气化铁道接触网是露天供电装置,为了安全运行,应采取必要的大气过电压防护措施"对于我国电气化铁路接触网防雷设计,在TB10009一985铁路电力牵引供电设计规范6第5.3.1条中规定:
1、吸流变压器的原边应设避雷装置
2、重雷区及超重雷区,下列重点位置应设避雷装置
1分相和站场端部的绝缘关节；
2长度2000m及以上隧道的两端；
3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.
1.4接触网与输电线路防雷措施的比较
根据以上分析,我国电气化铁道接触网与电力系统输电线路的防雷保护比较,呈现以下几个特点:
1、接触网无避雷线,不能有效防止直击雷.
我国牵引供电系统中接触网电压等级为25kV,目前均未设置避雷线"接触网系统中的架空地线和架空回流线虽然有一定的防雷作用,但因其架设高度没有达到有效防止直击雷的高度,仅能起到输电线路祸合地线的部分防雷作用"在我国电力系统中,等级11OkV及以上的输电线路基本采用了避雷线,目前我国35kV输电线路大多采用中性点不直接接地方式,根据我国规程规定35kV输电线路不需全线架设避雷线,只是在进出变电站1～2KM的进线段范围内架设避雷线,并在进线段的起始杆塔装设避雷器.
2、高压电力输电线路和牵引供电系统中的起始端和末端变电站处都加装避雷器以防止过电压.
3、对于重雷区及超重雷区来说,铁路隧道内接触网对地的空气间隙太小,规范规定困难值为240mm,其承受冲击放电电压为17OkV,而雷击耐受水平仅11kA,超过雷电流概率为75%,与绝缘子不匹配,而电力系统输电线路在一般情况下,是无需穿越隧道的,对地的空气距离均能满足规程要求.
4、电气化铁道中成排的接触网支柱是利用回流线作闪络保护地线的集中接地（区间大部分支柱都属于成排支柱）,支柱基础上的螺栓可起到一定的接地作用,但普遍接地电阻较大.零散的接触网支柱设置独立接地极.当架空回流线遭受雷击时,由于架空回流线的接地间距比较大,大部分情况下,雷击过电压将首先导致架空回流线的针式绝缘子闪络,然后击穿肩架与混凝土之间的保护层,经支柱泄入大地.
在电力系统输电线路中,杆塔都是单独制作接地系统.一条输电线路上的多个支柱的接地极之间并没有采用金属回路贯通.
下图1.2
注:
图中1为架至回流线;2为棒式绝缘于;3为水力家;4为接触网导线
5、我国铁路运输主要特点是客货混运,以货为主,加上铁路线上各类型机车混合牵引,机车内部排出的废气,列车运行时形成的气流将散装货物（如煤）和各种飘落在道床上的尘埃扬起,使接触网绝缘子大量被污染.电力系统输电线路的绝缘子只考虑自然环境带来的污染,在一般情况下不考虑人为因素造成的污染.所以在同等条件下,接触网较电力系统输电线路发生闪络的可能性大大增加.
通过以上比较可以看出,牵引供电系统中的接触网防雷技术可参考输电线路的防雷措施.但是,从客观环境来看,接触网较输电线路采取的防雷措施更为复杂.
1.5研究内容
1、根据部分既有电气化铁道接触网雷击情况,分析接触网防雷工作对铁路正常运输的重要性.介绍电力系统输电线路的防雷情况,阐述电气化铁道接触网防雷的现状及特点.
2、对电气化铁道的绝缘及绝缘配合进行研究,分析牵引供电系统中防雷的薄弱环节.
3、根据分析情况,从提高防雷性能。
节约投资及维护费用等方面出发,提出目前电气化铁路接触网的防雷保护工程建议并对高速铁路接触网防雷保护进行展望.
2雷击与雷击过电压分析
2.1雷电日、雷电小时
雷的形成与发展雷（Lightning）是带电云层的放电现象，而关于雷云的形成至今还没有令人满意的解释，一般较为普遍的说法【旧】是说在空气的上方有潮冷空气，而下方是暖湿空气时，暖湿空气受其密度较低则会上升，遇到上方的潮冷空气就会形成冰晶。
冰晶在气流中碰撞、分裂导致较轻的部分带负电荷并形成雷云；而较重的部分带正电荷并凝聚成水滴下降，或悬浮在空气中形成局部带正电的云区。
整块雷云可以存在若干个电荷中心，负电荷位于雷云的下部，离地大约500至10000m。
随着雷云的发展和运动，雷云中的电荷得到不断的积累，其所建立的电场强度不断增强，一旦其超过大气游离放电的临界电场强度时，便会发生云间或对大地的火花放电，从而形成闪电.
为了评价某地区雷电活动的强度，常用该地区多年统计所得到的平均出现雷暴日或雷电小时来估计。
在每一天内（或一小时内）只要听到雷声就算一个雷暴日（或雷电小时）。
据统计，每一雷暴同大致折合为三个雷暴小时。
雷暴日的分布与地理位置有关。
一般热而潮的地区比冷而干燥的地区多，陆地比海洋多，山区比平原多。
就全球而言，雷电最频繁的地区在赤道附近，雷暴日平均约为100---,150日，最多者达300日以上。
我国年平均雷暴日分布，西北少于25日，长江以北25"--40R，长江以南40,--,80日，南方大于80日。
我国规程规定，等于或少于15日雷暴日的地区称为少雷区，40雷暴日以上的称为多雷区，超过90日的地区为特殊强雷区。
在防雷设计中，应根据雷暴日分布因地制宜。
雷击冲击过电压
配电线路雷击过电压可分为直击雷过电压和感应雷过电压两种形式。
直击雷过电压
直击雷过电压是指雷云击中杆塔、电力装置等物体时，强大的雷电流流过该物体泻入大地，在该物体上产生的很高的电压降。
1.直击雷
所谓直击雷，是指雷电直接击在建筑物、构架、树木、动植物上，因电效应、热效应和机械力效应等造成建筑物等损坏以及人员伤亡。
一般防直击雷是通过外部避雷装置即：
接闪器（避雷针、避雷带、避雷网、避雷线）、引下线、接地装置构成完整的电气通路，将雷电流泄入大地。
然而接闪器、引下线和接地装置的导通只能保护建筑物本身免受直击雷的损毁，但雷电仍然会透过多种形式及途径破坏电子设备。
感应雷过电压
感应雷过电压是雷电击线路附近的大地时，在导线上由于电磁感应产生的过电压。
2.感应雷
感应雷：
所谓感应雷，是指雷云放电时，在附近导体上产生的静电感应和电磁感应等现象称之为感应雷击。
雷电在雷云之间或雷云对地的放电时，会在附近的电源线路、信号线路、埋地管道、设备间连接线和铁路钢轨等等导体上产生静电和电磁感应过电压，使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害。
感应雷虽然没有直击雷猛烈，但其发生的几率比直击雷高得多。
直击雷只在雷云对地闪击时才会对地面造成灾害，而感应雷则不论雷云对地闪击或者雷云对雷云之间闪击，都可能发生并造成灾害。
此外直击雷一次只能袭击一个小范围的目标，而一次雷闪击都可以在较大的范围内多个小局部同时产生感应雷过电压，并且这种感应高压可以通过电力线、电话线等传输到很远，致使雷害范围扩大。
装有避雷针的建筑物，可以避免雷击损坏建筑物，但是在雷电从建筑物顶端泻放入大地或者附近发生雷击的时候，雷电电磁脉冲可以通过避雷针的引下线和接地系统地线产生很强的电场，建筑物内的所有金属物品均会产生感应电压，这些感应电压的高低随着金属形状、距地线的距离和雷击大小而变（根据IEC61312标准，当雷击击中建筑物时，即使装有避雷针，直击雷电流50%的通过引下线和接地系统入地，仍然会有大约50%的雷击能量仍会分配到各线路系统）一旦您的电源输入线、电话线、网络线或其它电子设备的金属引出、引入线感应到瞬间高压，避雷针就无能为力了。
感应雷击破坏的主要对象是电子电气设备。
3.1过电压分析
1、接触网导线高度
设接触网导线（承力索）距离地面为8m作为参数。
但在铁路工程中,铁路线路情况复杂。
在铁路的路堑地段,钢轨低于两侧地平面,接触网导线（承力索）高度实际上低于8m,还可能出现负值。
在路堤及桥梁地段,钢轨高于两侧地平面,接触网导线高度为路堤（桥梁）高度与接触网至钢轨轨面高度之和。
而铁路线路的标高一般情况下都比较高,路堤地段较路堑地段出现的几率要大,接触网导线高度大于8m的情况就也比较常见。
所以,在接触网遭受雷击时,因铁路线路高程原因,接触网绝缘子闪络的概率应较增大。
2对于独立的接触网支柱。
当雷直击接触网支柱时,产生的反击过电压和导线上产生的感应过电压叠加值,随着接触网支柱的接地电阻的升高而升高。
即引起闪络的雷电流幅值和绝缘子闪络概率随着接触网支柱的接地电阻增大而增加。
对于带架空回流线的成排接触网支柱,降低其接地电阻也可以减少架空回流线上针式绝缘子闪络的概率。
3、雷击接触网导线
雷电直击与接触网（承力索）,如果靠近被击点支柱上绝缘子闪络或者雷击点距回流线接地点（接地电阻较小的情况下）不远,雷电流入地且不产生过电压,则对接触网的供电运行危害并不严重。
因为一次雷击作用时间仅数量级,接触网的自动重合闸等保护装置能够切除工频入地续流.问题在于当靠近被击点的支持绝缘子闪络后,雷电流如果在支柱处入地,将在支柱的等值电感,支柱等值接地电阻上产生很大的冲击压降。
这个电压降将以行波方式继续作用于接触网或架空回流线。
一方面由于雷电流幅值I,与陡度a的线性相关系数约为0.6,这表现为雷电流幅值增加,其陡度也随之增加,而波头长度变化不大,因此,巨大的雷电能量反映在雷电流波头的陡度很大,在支柱等值电感,接地电阻上的冲击压降很大"当这个电压超过接触网或回流线的绝缘水平,将继续引起支柱绝缘子闪络。
即:
雷电流引起一个支持绝缘子闪络后,剩余的能量仍能引起多点闪络.另一方面由于支柱的接地电阻过渡电阻大,雷电流泄漏通道不畅,一处闪络后,剩余的能量仍比较大,也能引起一系列支持绝缘子相继闪络。
很显然,多个支持绝缘子相继闪络,不但使得总的工频入地续流大大增加,而且使得闪络事故总持续时间大大增加"这些都可能导致接触网的自动重合闸等保护装置不能有效地切除故障。
根据电气化铁路的实际情况,接触网的结构一定,其线路的波阻抗就一定;支柱的结构一定,其等值电感L也就一定。
在施工过程和日常运营维护中,能发挥主观能动作用的只是接触网支柱的接地电阻R,接地电阻越小,绝缘子上过电压的就越小,闪络的概率也就随之降低.因此,要减少接触网雷击故障的概率,必须严格控制支柱的接地电阻。
3不同的供电方式及其防雷方式
气化铁路均采用单边供电方式，即牵引变电所向接触网供电时，每一个供电臂的接触网只从一端的牵引变电所获得电能（从两边获得电能则为双边供电，可提高接触网末端网压，但由于其故障范围大、继电保护装置复杂等原因尚未有采用）。
复线区段可通过分区亭将上下行接触网联接，实现“并联供电”，可适当提高末端网压。
当牵引变电所发生故障时，相邻变电所通过分区亭实现“越区供电”，此时供电范围扩大，网压降低，通常应减少列车对数或牵引定数，以维持运行。
1、吸流变压器（BT）供电方式
这种供电方式，在接触网上每隔一段距离装一台吸流变压器（变比为1:
1），其原边串入接触网，次边串入回流线（简称NF线，架在接触网支柱田野侧，与接触悬挂等高），每两台吸流变压器之间有一根吸上线，将回流线与钢轨连接，其作用是将钢轨中的回流“吸上”去，经回流线返回牵引变电所，起到防干扰效果。
由于大地回流及所谓的“半段效应”，BT供电方式的防护效果并不理想，加之“吸——回”装置造成接触网结构复杂，机车受流条件恶化，近年来已很少采用。
2、自耦变压器（AT）供电方式
采用AT供电方式时，牵引变电所主变输出电压为55kV，经AT（自耦变压器，变比2:
1）向接触网供电，一端接接触网，另一端接正馈线（简称AF线，亦架在田野侧，与接触悬挂等高），其中点抽头则与钢轨相连。
AF线的作用同BT供电方式中的NF线一样，起到防干扰功能，但效果较前者为好。
此外，在AF线下方还架有一条保护（PW）线，当接触网绝缘破坏时起到保护跳闸作用，同时亦兼有防干扰及防雷效果。
显然，AT供电方式接触网结构也比较复杂，田野侧挂有两组附加导线，AF线电压与接触网电压相等，PW线也有一定电位（约几百伏），增加故障几率。
当接触网发生故障，尤其是断杆事故时，更是麻烦，抢修恢复困难，对运输干扰极大。
但由于牵引变电所馈出电压高，所间距可增加一倍，并可适当提高末端网压，在电力系统网络比较薄弱的地区有其优越性。
3、直供+回流（DN）供电方式
这种供电方式实际上就是带回流线的直接供电方式，NF线每隔一定距离与钢轨相连，既起到防干扰作用，又兼有PW线特性。
由于没有吸流变压器，改善了网压接触网结构简单可靠。
近年来得到广泛应用。
4、直接供电方式
电气化铁路采用工频单相交流电力牵引制，单相交流负荷在接触网周围空间产生交变电磁场，从而对附近通信设施和无线电装置产生一定的电磁干扰。
我国早期电气化铁路（如宝成线、阳安线）建设时，处于山区，地方通信技术不发达，铁路通信采用高屏蔽性能的同轴电缆，接触网产生的电磁干扰影响极小，不用采取特殊防护措施，因此上述单边供电方式亦称为直接供电方式（简称TR供电方式）。
随着电气化铁路向平原和大城市发展，电磁干扰矛盾日显突出，于是在接触网供电方式上采取不同的防护措施，便产生不同的供电方式。
目前有所谓的BT、AT和DN供电方式。
从以下的介绍中可以看出这些供电方式有一个共同特点，即在接触网支柱田野侧，与接触悬挂同等高度处都挂有一条附加导线。
电力牵引时，附加导线中通过的电流与接触网中通过的牵引电流，理论上讲（或理想中）大小相等、方向相反，从而两者产生的电磁干扰相互抵消。
但实际上是做不到的，所以不同的供电方式有不同的防护效果。
常见防雷方式
1）避雷线
避雷线的保护原理是：
避雷线通过其屏蔽作用减少雷电直击导线的概率，还可降低雷电感应过电压的幅值。
避雷线是一种较为有效的线路防雷措施，在电力系统中有多年的运行经验。
2）保护间隙
保护间隙能够在雷击造成绝缘子闪络之后疏导工频续流电弧，防止绝缘子在工频续流电弧的烧蚀下发生炸裂、破损等，减少非自恢复性故障发生次数，使重合闸成功，保证供电的连续性。
其优势在于成本较低，不足在于可能会增加线路跳闸次数。
（3）避雷器避雷器能够通过其非线性伏安特性限制绝缘子两端的电压，使绝缘子不发生闪络，并抑制工频续流，防止线路因雷击跳闸。
避雷器具有防护效果好的优点，不足在于成本略高。
避雷器分为带串联间隙和无间隙两种，无间隙避雷器长期受到系统运行电压的作用，阀片流过泄漏电流，长期作用将加速避雷器阀片的老化，因此需要定期进行维护。
带串联间隙避雷器克服了以上的缺点，正常工况下不承受系统运行电压，只有在雷电过电压的击穿间隙的情况下避雷器才动作，具有免维护、寿命长的优势，即使避雷器本体发生故障也能够起到并联间隙的作用。
目前带串联间隙避雷器在我国电力系统中得到广泛应用。
4带回流线的直接供电方式防雷技术的分析
4.1带回流线的直接供电方式的特点
带回流线的直接供电方式这种供电方式是BT-回流线供电方式的简化形式，也可
升级会员 