接触网雷害分析及对防雷设备的几点思考.docx

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接触网雷害分析及对防雷设备的几点思考

附件4

呼和浩特职业学院毕业论文（设计）

学院名称:

铁道学院

年级:

2012级1班

学号:

12302010114

论文编号:

题目:

接触网雷害分析及对防雷设备的几

点思考

专业:

电气化铁道技术

学生姓名:

学号:

完成时间:

2014.10

********

年月日

摘要:

雷电是大自然中的一种气体放电现象。

因为雷电会危及人类及动物的生命安全、引发森林火灾、毁坏各种建筑物，所以我们要关注雷电，了解它的基本常识，掌握它的保护方法，以及保证电力牵引系统的安全运行。

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。

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。

关键词：

接触网;雷害分析;防雷措施

引言......................................................1

1.电气化铁路接触网概述....................................1

2.雷电形成................................................1

3.避雷器..................................................2

4.高速铁路防雷概况........................................5

5.接触网雷害分析..........................................6

6.关于防雷问题的几点思考.................................8

7.结论....................................................9

致谢......................................................10

接触网雷害分析及对防雷设备的几点思考

引言:

铁路是我国的主要交通干线,2012年12月1日哈大高铁正式开通，中国电气化铁路总里程突破4.8万公里，超越了俄罗斯，跃升为世界第一位。

在四大交通中，飞机造价太高，汽车运力不足，轮船受地理气候条件限制。

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，尤其是电气化铁路的发展。

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。

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。

1.电气化铁路接触网概述

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。

2.雷电形成

雷电是伴有闪电和雷鸣的一种雄伟壮观而又有点令人生畏的放电现象。

雷电一般产生于对流发展旺盛的积雨云中，因此常伴有强烈的阵风和暴雨，有时还伴有冰雹和龙卷。

积雨云顶部一般较高，可达20公里，云的上部常有冰晶。

冰晶的凇附，水滴的破碎以及空气对流等过程，使云中产生电荷。

云中电荷的分布较复杂，但总体而言，云的上部以正电荷为主，下部以负电荷为主。

因此，云的上、下部之间形成一个电位差。

当电位差达到一定程度后，就会产生放电，这就是我们常见的闪电现象。

闪电的的平均电流是3万安培，最大电流可达30万安培。

闪电的电压很高，约为1亿至10亿伏特。

一个中等强度雷暴的功率可达一千万瓦，相当于一座小型核电站的输出功率。

放电过程中，由于闪道中温度骤增，使空气体积急剧膨胀，从而产生冲击波，导致强烈的雷鸣。

带有电荷的雷云与地面的突起物接近时，它们之间就发生激烈的放电。

在雷电放电地点会出现强烈的闪光和爆炸的轰鸣声。

这就是人们见到和听到的闪电雷鸣。

3.避雷器

3.1避雷器的作用

避雷器是保护电工设备免遭雷电冲击波袭击的设备。

能释放雷电或兼能释放电力系统操作过电压能量，截断续流，不致引起系统接地短路。

避雷器通常接于带电导线与地之间，与被保护设备并联。

当过电压值达到规定的动作电压时，避雷器立即动作，流过电荷，限制过电压幅值，保护设备绝缘；电压值正常后，避雷器又迅速恢复原状，以保证系统正常供电。

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。

3.2避雷器的保护原理

避雷器实质上是一种放电器，并联连接在被保护设备附近。

避雷器保护作用原理如图所示。

避雷器的击穿电压要比被保护设备的低。

当过电压波沿线路入侵并超过避雷器的放电电压时，避雷首先放电把入侵波导入大地，限制了作用于设备上的过电压数值，从而保护了设备绝缘免遭击穿破坏。

当入侵波消失后，避雷器应能自行恢复绝缘能力，以免造成工频接地短路事故。

过电压波

避

雷

器被保护设备

避雷器的保护作用原理示意图

对避雷器一般有如下几个基本要求：

（1）具有较强的绝缘自恢复能力

（2）具有平直的伏秒特性曲线

（3）具有一定通流容量

3.3避雷器的分类

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；管型避雷器——也是一个保护间隙，但它能在放电后自行灭弧；阀型避雷器——是将单个放电间隙分成许多短的串联间隙，同时增加了非线性电阻，提高了保护性能；磁吹避雷器——利用了磁吹式火花间隙，提高了灭弧能力，同时还具有限制内部过电压能力；氧化锌避雷器——利用了氧化锌阀片理想的伏安特性（非线性极高，即在大电流时呈低电阻特性，限制了避雷器上的电压，在正常工频电压下呈高电阻特性），具有无间隙、无续流残压低等优点，也能限制内部过电压，被广泛使用。

3.4电气化铁路接触网上采用的避雷设备

（1）管型避雷器

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。

作用：

保护输电线路上的个别薄弱环节，如杆上隔离开关，换位杆，交叉跨越处或木杆线路上的个别金属杆，线路与电源连接处以及接地电阻难于降低的个别杆塔等。

作为发电厂直配发电机和变电所的进线保护，将进线上侵入的雷电波大部分放掉，减轻厂、所阀型避雷器的负担，从而防止危险过电压的出现。

直接保护配电网的杆上变压器和电器。

（2）串联间隙氧化锌避雷器

碳化硅避雷器因其间隙结构（隙距小，数量多）带来一些缺点：

如没有雷电陡波保护功能；没有连续雷电冲击保护能力；动作特性稳定差可能遭受暂态过电压危害；动作负载重寿命短等。

无间隙氧化锌避雷器因其拐点电压较低，有暂态过电压承受能力差，损坏爆炸率高和寿命短等缺点。

串联间隙氧化锌避雷器既有间隙又用ZnO阀片，其间隙结构不同于碳化硅避雷器，因其间隙数量少，当过电压达到冲击放电电压时间隙无时延击穿，同时因隙距大动作特性稳定，故它可避免碳化硅避雷器间隙带来的一切缺点。

串联间隙氧化锌避雷器的间隙已将全部暂态过电压限定在保护死区内免受其危害，故它可避免无间隙氧化锌避雷器因拐点电压偏低带来一切缺点。

串联间隙氧化锌避雷器仍有前两种避雷器保护性能优点，而避免它们的缺点。

（3）接触网地线

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.地线的安设及要求

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。

（4）避雷线　

避雷线架设在杆塔顶部，其作用是保护线路导线，减少雷击机会，提高线路耐雷水平，降低线路雷击跳闸次数，从而提高线路运行的安全可靠性，保证连续供电。

根据线路的重要性以及线路通过地区的雷电活动情况，每条线路可在杆塔上架设一条或两条避雷线。

山区宜采用较小的保护角；重冰区的线路则不宜采用过小的保护角；双避雷线线路，两避雷线间距离不应超过避雷线与导线间垂直距离的5倍。

避雷线一般采用镀锌钢绞线。

镀锌钢绞线是采用镀锌高碳钢丝同心绞合而成，具有一定的防腐蚀能力，机械强度较高。

常用的截面是25、35、50、70平方毫米。

导线的截面越大，使用的避雷线截面也越大。

避雷线也会因风吹而振动，常易发生振动的地方通常装有防振锤。

近年来，国外超高压线路有采用良导线架空地线的趋势，主要采用铅包钢线，它具有强度较高、不生锈、又有适当的导电率的优点。

一般用绝缘子使之与杆塔相互绝缘，利用间隙引导雷电流入地，这样，可利用架空地线作为载波通道并减少电能感应损耗。

4.高速铁路防雷概况

4.1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。

4.2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100Km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。

4.3国内接触网防雷设计概况

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。

5.接触网雷害分析

5.1接触网雷害造成的危害

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。

在雷害情况下，如果缺少防护措施或措施不当，可能引起或造成的损害有：

（1）绝缘子损坏，造成线路跳闸，直接影响电气化铁道运营;

（2）雷击造成接触网线坠落，使轨道电路发生红光带;

（3）产生跨步电压;

（4）接触网设备遭受雷击导致变电所跳闸，严重时会造成接触网设备的损坏，从而使整个供电臂停电，影响运输安全；

（5）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。

5.2接触网雷害的分析

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。

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。

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。

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。

（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0.1～0.2s。

（2）接触网遭受雷击过电压的分析

接触网雷击包括直接雷击，雷电反击和感应雷击过电压等。

（3）直接雷击

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。

（4）雷击过电压

雷击支柱顶部产生接触网雷击过电压，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。

5.3避雷器设置的条件

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，其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27．5kV，额定电压有效值为42kV，持续运行电压有效值为34kV，陡波冲击电流残压为138kV，雷电冲击电流残压为120kV，操作冲击电流残压为98kV。

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。

接触网上安装的避雷器保护范围有限，只能防止其保护范围内的接触网绝缘闪络、机车车顶保护电器动作；接触网用氧化锌避雷器大都采用带串联间隙的结构，其复合绝缘子长度短，污秽条件下的工频电压耐受能力低可能会增加污闪事故率；如大密集安装避雷器则每年的预防试验和维修工作量极大，维修费用也将大大增加；牵引变电所馈线侧设有避雷装置且设有自动重合闸装置，即使雷击造成馈线断路器跳闸，1—2s后自动重合闸可恢复供电。

6.关于防雷问题的几点思考

6.1避雷器自身过电压防护问题

避雷器是过电压保护电器，其自身仍存在过电压防护问题。

对于能量有限的过电压如雷电过电压和操作过电压，避雷器泄流能起限压保护作用。

对能量是无限（有补充能源）的过电压，如暂态过电压（工频过电压和谐振过电压的总称），其频率或为工频或为工频的整数倍或分数倍，与工频电源频率总有合拍的时候，如因某些原因而激发暂态过电压，工频电源能自动补充过电压能量，即使避雷器泄流过电压幅值不衰减或只弱衰减，暂态过电压如果进入避雷器保护动作区，势必长时反复动作直至热崩溃，避雷器损坏爆炸，因此暂态过电压对避雷器有致命危害。

如果已将全部暂态过电压限定在保护死区内不受其危害的避雷器，称之为暂态过电压承受能力强，反之称暂态过电压承受能力差。

对暂态过电压危害有效防护办法是加结构性能稳定的串联间隙将全部暂态过电压限定在保护死区内，使避雷器免受其危害。

串联间隙氧化锌避雷器有此独具优点。

6.2避雷器自身对电力系统不安全影响

保护间隙和管型避雷器在间隙击穿后，保护回路再也没有限流元件，保护动作都要造成接地故障或相间短路故障，保护作用增多电力系统故障率，影响电力系统的正常、安全运行。

应用氧化锌避雷器，从根本上避免保护作用产生接地故障或相间短路故障，且不用自动重合闸装置就能减少线路雷害停电事故。

6.3避雷器其连续雷电冲击保护能力

有时高压电力装置可能遭受连续雷电冲击，连续雷电冲击是指两次雷电入侵波间隔时间仅数百μs至数千μs，间隔时间极短。

碳化硅避雷器保护动作既泄放雷电流也泄放工频续流，切断续流时耗最大达10000μs，一次保护循环时间要远大于10000μs才能恢复到可进行再次动作能力，故碳化硅避雷器没有连续雷电冲击保护能力。

氧化锌避雷器保护动作只泄放雷电流，雷电流泄放（小于100μs）完毕，立即恢复到可进行再次动作能力，故氧化锌避雷器具有连续雷电冲击保护能力，这对于多雷区或雷电活动特殊强烈地区的防雷保护尤为重要。

综上所述，接触网上安装避雷器的保护距离和发挥的作用有限，只能作为牵引供电系统防雷技术措施的一种补充。

防雷与线路所在地形、气象条件密切相关，不同的地域差异较大，同一地域中线路经过的不同地形也有一定差别，因此应在防雷设计时充分考虑这些因素；同时也应清楚认识到，由于雷击发生的时间和地点以及雷击强度的随机性，对雷击的防范难度很大，要达到阻止和完全避免雷击事故的发生是不可能的，只有将雷电灾害降低到最低限度，大大减小被保护的接触网和牵引变电设备遭受雷击损害的风险。

在接触网上安装避雷器时，应根据线路及其具体情况，充分分析安装避雷器的利弊，综合考虑，适量安装。

7.结论

本论文主要针对铁路接触网雷害分析及防雷措施进行论述。

接触网上安装避雷器的保护距离和发挥的作用有限，只能作为牵引供电系统防雷技术措施的一种补充。

可以考虑采用架设避雷线或大量装设避雷器。

防雷与线路所在地形、气象条件密切相关，不同的地域差异较大，同一地域中线路经过的不同地形也有一定差别，因此应在防雷设计时充分考虑这些因素，同时也应清楚认识到，由于雷击发生的时间和地点以及雷击强度的随机性，对雷击的防范难度很大，要达到阻止和完全避免雷击事故的发生是不可能的，只有将雷电灾害降低到最低限度，大大减小被保护的接触网和牵引变电设备遭受雷击损害的风险。

在接触网上安装避雷器时，应根据线路及其具体情况，充分分析安装避雷器的利弊，综合考虑，适量安装。

致谢

光阴似箭，日月如梭，转眼之间为期三年的学习生活即将结束，回首这段人生中的珍贵的时光，不仅感慨万千!

值此毕业论文完稿之时，谨向教育我、帮助我、支持我和关心我的人致以诚挚的感谢!

在过去的三年时间里，学校的各位代课老师以其宽广的胸襟、乐观坚毅的性格、信任坦诚的待人态度，给予了我极大的影响。

他们学习上对我严格要求，在学术上对我精心指导，在科研上给我提供优越的环境和条件，在生活上对我无微不至的关怀，这些我都将永远铭记在心。

在此还要感谢张健老师，感谢他对我的毕业论文提出了宝贵的意见和建议，以及在学校期间对我的学习、工作和生活都给予了我极大的支持。

感谢大学期间与我亲密合作的师姐妹，我们一起为该课题的研究付出了心血和智慧，大家的共同努力才使得课题的研究取得成功。

最后，感谢我的父母，他们在生活上、精神上给予了极大帮助和支持，使我得以圆满完成学业。

谨己此文表达我对他们无言的感谢和深深的爱！

参考文献

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（2）于增，接触网防雷技术研究，铁道工程学报，2002

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国防科技大学出版社，2008

（4）于万聚，高速电气化铁路接触网，成都：

西南交通大学出版社，2002

（5）刘成文，电气化铁路接触网线路防雷技术探讨，城市建设理论研究，2014年14期

（6）李强，高铁接触网防雷措施，中国科技博览，2014年14期