带回流线的直接供电方式接触网防雷技术的研究毕业设计论文.docx
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带回流线的直接供电方式接触网防雷技术的研究毕业设计论文
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:
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[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
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[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
44.2直供方式牵引供电系统的绝缘及其配合…………………………18
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
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，也可以看成是直接供电方式的改进形式。
回流线与接触网同杆设置，一般在接触网上方或者外侧偏上架设。
回流线与钢轨间的横连线间隔可视具体情况确定，一般可按1.5-5km设置。
如图所示。
带回流线的直接供电方式能使钢轨电位大为降低，对通讯干扰有较好的抑制作用，其效果与回流线的布置方式、根数，横连线的间隔及有无串联补偿有关。
带回流线的直接供电方式由于没有吸流变压器，降低了牵引网的阻抗，使供电臂延长约30%，同时回流线断线不会影响正常供电，这与BT供电方式不同。
4.2牵引供电系统的绝缘
由于牵引供电系统采用的是一相接地,单相运行方式,电气设备承受电压为线电压,因此需要采用相间绝缘方式。
另外,接触网导线架设高度低（较电力系统的高压输电线路）、沿线大气污染严重等,也是电气化铁道牵引供电系统的特点。
根据这些特点,沿线的污染源主要以列车在运行中产生的尘土、金属粉尘及少量散装货物飘逸的粉尘、附近城市和工业污染、混合牵引产生的蒸汽、粉尘和油污等构成。
因此,牵引供电系统的外绝缘主要以污秽绝缘为主。
在计及电气化铁道牵引系统电压的波动（主要是由于电铁负荷波动和系统电压波动引起,考虑最严重情况）后,规程规定牵引供电系统的爬电比距在轻污区为33.5mmk/V；在重污区为41.5mm/kV；超重污区为50.0二k/V。
同时,规范也规定在重污秽区,接触网棒式绝缘子爬距为120Omm。
2、引供电系统的绝缘配合
电气化铁道的牵引系统由牵引供电系统（包括牵引变电所和接触网）、车两大部分组成,和电力系统一样,电气化铁道牵引系统的绝缘、电压保护和绝缘配合直接关系到电气化铁道牵引系统的安全运营。
由于电气化铁道牵引系统存在着特有的供电方式复杂、电压波动大（标准规定为20kV一29kV）、其对地绝缘长时间承受额定电压的作用、接触网导线架设高度低（标准规定线距轨面高度不大于6.sm）、机车车顶净空小、沿线大气污染严重等问题,因此在其绝缘等问题上有着一定的特殊性。
1变电所
关于绝缘配合,在牵引变电所主要以防雷电过电压为主,兼顾防护操作过电压"牵引变电所内,采用的是两级配合的原则,各种设备的绝缘都接受避雷器的保护,设备的绝缘仅与氧化锌避雷器进行绝缘配合。
氧化锌避雷器的保护特性成为绝缘配合的基础,只要将它的保护水平乘上一个综合考虑各种影响因素和必要的系数,就能取定绝缘应有的耐压水平。
2、接触网
对于接触网系统,由于其工作特性与无后备的供电线路相当,绝缘主要以自恢复绝缘为主。
（其中少量电气设备的绝缘配合按变电所设备绝缘配合考虑,如网上隔离开关、分段绝缘器、电分相等,这些设备附近都安装相应电压等级的避雷器,因此可以采用二级配合法进行绝缘配合）因此仅考虑绝缘在正常工作电压下与所处环境的污秽配合,所以对于接触网的一般线路,不设线路避雷器。
根据我国特点,铁路隧道多,而隧道内牵引网的绝缘水位因隧道空间的限制,比隧道外要低.同时,隧道内保持着潮湿、重污秽等不利运行条件。
因此,在铁路长大隧道,在易受雷击的车站和桥梁,或是高雷击地区的线路等,为了确保设施和线路安全,则采用了在区域两端,按现场雷击局部地域设置氧化锌避雷器等予以防护。
这也是TB10009-98《铁路电力牵引供电设计规范》中对接触网防雷规定的初衷。
3、电力机车
由于电力机车运行在牵引网下,承受着与接触网相同的电压和污秽。
因此,对机车的内、外绝缘,尤其是设备的非自恢复绝缘。
机车车顶的外绝缘等同样有着一定的要求。
可是,电力机车的运行环境决定了机车不可能具备有较大的空间,也不可能要求
机车象牵引系统中的其他系统那样根据运行环境决定所具有的绝缘水平;但是,电力机车接地良好,受到了接触网和车顶避雷器的保护,机车频繁地进出车库又为日常维护提供了相对宽松的条件。
现行的电力机车高压侧的保护采用了氧化锌避雷器和放电间隙两种方式,运行中的机车根据现场和制造工厂的习惯或采用两种方式中的一种,或两种方式全部采用。
4、分析
综上所述,我国部分电气化铁道牵引供电系统总体绝缘配合的现状如图:
侵入牵引变电所的雷电波的幅值,在一定程度上受到引入变电所的线路绝缘水平的限制。
随着高速、重载铁路的发展,铁路运输对于接触网的可靠性提出了越来越高的要求,接触网绝缘水平也逐渐提高、接触网绝缘爬距己提高到1200一16O0mm,防污棒式绝缘子的雷电冲击耐受电压也达到了3O0kV;而牵引变电所供电设备的雷电冲击耐受电压为200kV。
从以上数据上看,牵引变电所是雷电冲击的薄弱环节,必须采取必要的防护措施,削弱来自接触网线路的雷电侵入波幅度和陡度,限制变电所内的过电压水平,才
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