1、电气化铁路接触网雷害分析与防雷研究系别： 内江教学点 专业： 姓名： 西南交通大学成人教育学院院 系 专 业 年 级 姓 名 题 目 电气化铁路接触网雷害分析与防雷研究 指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日毕业设计（论文）任务书班 级 学生姓名 学 号 发题日期： 年 月 日 完成日期： 月 日题 目 1、本论文的目的、意义 2、学生应完成的任务 3、论文各部份内容及时刻分派：（共 周）第一部份 ( 周) 第二部份 ( 周) 第三部份 ( 周)第四部份 ( 周) 第五部份 ( 周)评阅及答辩 ( 周)备 注 指导教
2、师： 年 月 日审 批 人： 年 月 日摘 要本论文主要论述接触网雷害分析及防雷办法。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，蒙受雷电解决的机率大，容易受雷击致使电气设备损坏。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。如此的简单方式对避免雷电过电压是不够的。本文就是针对铁路电网结构及特点，研究雷电过电压及其保护办法，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，也对加速社会物质流动和经济建设步伐具有重要的意义，也是工程
3、实际中需要研究解决的热点课题。我国客运专线建设速度加速，所经地域地理、气象、气候条件不同较大，情形复杂，若是接触网不设避雷线，易蒙受雷击引发损坏。为保证接触网运行的高靠得住性在分析德国、日本接触网防雷办法的基础上结合我国电气化铁道现状，提出接触网系统防雷的改建建议。通过度析和理论计算，对客运专线接触网系统防雷进行研究。针对电气化铁道中部份线路蒙受雷击较频繁的现状对广深线接触网蒙受雷击跳闸进行了统计分析，建议广深线全线架设架空地线架空地线采用柱顶方式安装。在强雷区应设置避雷线对客运专线应切实做好避雷器和避雷线的接地，保障避雷设施正常运行。关键词：接触网；雷害分析；防雷办法引 言铁路是我国的主要交
4、通干线，计划近期将建成铁道总里程80000km，其中电气化铁道20000km,占全国铁路营业总里程的24%，但电气化铁路承担运量占我国铁路总运量的1/3以上。在四大交通中，飞机造价太高，汽车运力不足，轮船受地理条件限制，因此，铁道必将是国民经济进展的先行，高速、重载电气化铁道是铁路运输进展的方向。按照国家制定的战略进展计划，此后相当长的时期内将重点进展交通和能源。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，蒙受雷电解决的机率大，容易受雷击致使电气设备损坏。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
5、接在钢轨上，或接入轨道电路的轭流变压器线圈中点。如此的简单方式对避免雷电过电压是不够的。例如：广州东至深圳段，全线80km（139正线千米，730条千米），1998年8月28日正式开通运营后，昔时雷电活动仅剩的 个月内就多次发生雷击闪路、跳闸，接触网的钢筋混凝土支柱数十根发生电烧伤，支柱上小块混凝土炸裂，沿线电务信号设备多处发生击穿、烧损，严峻地要挟到了铁路行车装备的安全。所以，必需对接触网的防雷保护状况给予高度重视，目的是减少雷电对接触网的危害，保证铁路电网安全运行。2004年4月18日，全国铁路迎来第五次大提速，若是不能专门好的保证铁路电网的防雷安全，也就不能保证铁路交通的顺畅，提速也就无
6、心义了。接触网雷害分析及防雷办法是不是适当对电气化铁路有必然的影响，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。第一章 电气化铁道概述中国的电气化铁路采用了目前国际上普遍利用的先进的25kV单相工频交流制。其长处为：牵引供电系统的结构简单，牵引变电所损耗小、间距大、数量少，机车粘着性能和牵引性能良好，大大降低了建设投资和运营费用。 电气化铁路接触网的概述在铁路运输中，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较，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
7、统主要包括牵引变电所和接触网两大部份。接触网是电气化铁路中主要供电装置之一，是沿铁线路上空架设，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，常常受冰、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。所以，对接触网在设计方面和日常保护方面提出以下大体要求：一、接触悬挂应弹性均匀，高度一致，在高速行车和恶劣气候条件下，能保证正常取流。二、结构应力求简单，并保证在施工和运营检修方面具有充分的靠得住性和灵活性。3、寿命应尽可能长，具有足够的耐磨性和抗侵蚀能力。4、应注意节约有色金属及其他珍贵材料，以降低本钱
8、。五、在日常保护时，按标准化作业程序，坚持标准化作业，严格依照设备M技术标准检修，严禁凭经验、臆测行事。六、按铁道部接触网安全工作规程、接触网运行检修规程中的巡视周期、检修周期，按期进行巡视检修。对开展停电作业的，若天窗不能兑现，应按其检修周期进行测量，发觉影响行车的设备，当即报段生产调度和供电调度，要点检修。在检修前，应做好临时安全办法并做好记录。 电气化铁路组成和分类（1）电力机车从防制到独立开发，我国的电力机车已经形成了韶山车族电力机车，其牵引功率已达9000 KW，时速超250KM/h,和谐号动车组成为客运专线主要运营车辆。图 韶山车族电力机车受电弓以（）N的接触压力紧贴接触线摩擦滑行
9、，将电能引人机车。 图 受电弓（2）接触网供电接触网供电是向电力机车供电的特殊输电线路。接触网上的额定电压：为25kv，由于较长距离的供电，在输电电线路和接触网中产生的电压和电能损耗，使接触网未端电压降低。为了使接触网未端不低于电力机车的最低工作电压，牵引变电所馈出母线上的额走电压为275kV。图所示为直接供电方式的供电系统。图供电系统1高压输电线，2牵引变用所，3馈电线，4接触网，6电力机车；7钢轨接触网的供电方式1单边供电2双边供电3越区供电（3）接触网的组成 图接触网组成一、接触悬挂接触悬挂包括接触线、吊弦、承力索和连接零件。接触悬挂应知足以下要求：（1）接触悬挂的弹性应尽可能均匀。（2
10、）接触线对轨面的高度应尽可能相等。（3）接触悬挂在受电弓压力及风力作用下应有良好的稳固性。（4）接触悬挂的结构及零部件应力求轻巧简单，做到标准化。（5）另外，要结合国情尽可能节省有色金属及钢材，降低造价。二、支持装置支持装置用以支持接触悬挂，并将其负荷传给支柱或其它建筑物。支持装置包括腕臂、水平拉杆、悬式绝缘子串，棒式绝缘子及其它建筑物的特殊支持设备。3、定位装置定位装置包括定位管和定位器。功用是固定接触线的位置，使接触线在受电弓滑板运行轨迹范围内，保证接触线与受电弓不离开，并将接触线的水平负荷传给支柱。4、支柱与基础支柱与基础用以经受接触悬挂、支持和定位装置的全数负荷，并将接触悬挂固定在规定
11、的位置和高度上。 接触网的地线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超级带电的金属部份于钢轨连接起来，当绝缘子发生击穿，闪络或因老化而严峻漏电时，变电所保护装置回当即反映事故状态，迅速切断电路。2.地线的按设及要求按照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。目前大部份地线是通过火花间隙接钢轨，以避免对信号轨道电路发生干扰。 避雷器技术人类对雷电采取防护办法，最先可追溯到12世纪。我国湖南现存的岳阳慈氏塔(约在1100年重建)，自塔顶有6条铁链沿六个角下垂至地面上必然高度，可
12、用来避免雷击损坏。有的古塔还将此类铁链沉入井，实现良好接地。几年前作者偶然在安庆调查一类似上述结构的古塔，六条铁链下垂到地面以上约1m，询向本地居民，也有说传言说过去铁链沉入井中，问此刻何以无井，均未能答。中国古代屋宇顶上的龙咀伸出舌须，或许是人们寄希望于避免龙抓(雷击)。听说，有的舌须根部用细铁丝直通地下，这可能是现代避雷针的雏形。1750年，美国B.富兰克林提出了以避雷针保护建筑物的理论和方式。此前，他冒生命危险用金属线放风筝飞入雷云中，证明了雷闪现象的本质是电。不久，俄国科学家罗蒙诺索夫和他的老友利赫曼也在雷云天，放风筝做实验。实验本身是达到了目的：由雷云从风筝金属线向大地放电，形成由人
13、干与的向地直接雷击和主放电，即达到了“引雷成功”，而代价是太大了：科学家利赫曼为科学而捐躯，一路放风筝的罗蒙诺索夫幸免于难。(风筝实验的图略，见文献)作者以为，咱们这些防雷工程师应当永久铭刻这三位高电压和防雷前驱： 富兰克林罗蒙诺索夫利赫曼历史进展的辩证法常常是经历多少年后，再以更进展的形式重复某一事件。二百连年以后，作者于20世纪90年代初，作为特约专家，在北京主持我国中科院兰州大气物理所和解放军二炮合作完成国防重点课题火箭引雷车研制与火箭引雷实验研究的国家鉴定(任主任委员)，1997年又在电力部参加火箭引雷实验可行性论证专家研讨会，会后又应邀作为七位专家之一，为部领导写关于立课与否的专家意
14、见，并由作者撰写七位专家的综合意见，直到不久前，在我所主持的2002年高电压技术与社会进展专委会学术研究会，厦门)论文集中，国家电力公司广东省电力实验研究所等提供火箭引雷对防雷装置实验这一国家重点课题所取得的重要科研功效，将雷电先导的进展和向防雷装置定位及放电的现象(光学的和电的)和规律，在理论上向前推动了一步。一个鲜为人知的重要事实是在富兰克林发明避雷针的第二年，一名法国工程师写信给富兰克林，报告并祝贺，按他的发明安装的一支避雷针接闪，即把雷引向避雷针从而避免了临近被保护物蒙受雷击。这既是人类第一次干与雷闪自然活动途径(而且是致使自然灾害的活动)的预期目的取得成功，又是无可辩驳的事实，使发明
15、者改变了原来的想法缓缓放电，中和雷云中的电荷，避免雷害，得出了“引雷”击于自身，避免击于被保护物的正确观点。主要参数一、标称电压Un：被保护系统的额定电压相符，在信息技术系统中此参数表明了应该选用的保护器的类型，它标出交流或直流电压的有效值。二、额定电压Uc：能长久施加在保护器的指定端，而不引发保护器特性转变和激活保护元件的最大电压有效值。3、额定放电电流Isn：给保护器施加波形为8/20s的标准雷电波冲击10次时，保护器所耐受的最大冲击电流峰值。4、最大放电电流Imax：给保护器施加波形为8/20s的标准雷电波冲击1次时，保护器所耐受的最大冲击电流峰值。五、电压保护级别Up：保护器在下列测试
16、中的最大值：1KV/s斜率的跳火电压；额定放电电流的残压。六、响应时刻tA：主要反映在保护器里的特殊保护元件的动作灵敏度、击穿时刻，在一按时刻内转变取决于du/dt或di/dt的斜率。7、数据传输速度Vs：表示在一秒内传输多少比特值，单位：bps；是数据传输系统中正确选用防雷器的参考值，防雷保护器的数据传输速度取决于系统的传输方式。八、插入损耗Ae：在给定频率下保护器插入前和插入后的电压比率。九、回波损耗Ar：表示前沿波在保护设备（反射点）被反射的比例，是直接衡量保护设备同系统阻抗是不是兼容的参数。10、最大纵向放电电流：指每线对地施加波形为8/20s的标准雷电波冲击1次时，保护器所耐受的最大
17、冲击电流峰值。1一、最大横向放电电流：指线与线之间施加波形为8/20s的标准雷电波冲击1次时，保护器所耐受的最大冲击电流峰值。1二、在线阻抗：指在标称电压Un下流经保护器的回路阻抗和感抗的和。通常称为“系统阻抗”。13、峰值放电电流：分两种：额定放电电流Isn和最大放电电流Imax。14、漏电流：指在75或80标称电压Un下流经保护器的直流电流。相关标准防雷器的常见执行标准（各国要求不一样）：IEC61643-1 、UL1283Filter 、我国此刻防雷系统此刻实施的是中华人民共和国建设部2004年3月1日制定的：GB503432004建筑物电子信息系统防雷技术规范和中华人民共和国建设部20
18、00年10月1号制定的：GB5005794建筑物设计防雷规范。知名品牌目前市面上比较常见的防雷器有：国内的艾尔盾、雷安、中光、爱劳、地凯、雷尔盾、迪舰、科比特、雷科星、雷光、雷迅、万佳等国外的DEHN、OBO、Phoenix、Soule等（以上排位不分前后）1.4.1 避雷器的作用防雷器的作用是用来保护电力系统中各类电器设备免受雷电过电压、操作过电压、工频暂态过电压冲击而损坏的一种电器。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
19、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但在某种情形下会出现大大超过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周围，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。1.4.2 间隙、磁吹间隙19世纪7080年代是电力网进展的初期阶段，那时几乎无任何过电压保护装置。80年代末期，在电力网中才采用了电话的保护装置导雷器，实际就是保护间隙串联一个熔断器，或只装间隙。(如图所示)后来在本世纪30年
20、代初，进展成去游离避雷器，即由纤维管制成的管型避雷器。至于间隙，则直到此刻还在某些情形下利用。例如，从我国低压220/380V配电，短波、超短波越天线引入机房时的第一道防护装置到欧洲220400kV变电所设备上的辅助保护间隙。 图导电器注：1火花间隙上世纪90年代初期，制出了磁吹间隙，用来保护直流电力设备。图所示能够说，这是现代磁吹避雷器的前身。20世纪初，开始注意限制工频续流问题。1901年德国制成用串联线性电阻限流的角形间隙，这是现代阀型避雷器的前身。上述保护装置，实际上主如果用来避免感应雷造成的事故。若是是直击雷，或是击于线路上的近区雷击，电气设备多数还会被击毁。值得注意的是，最近几年德
21、国一公司自称造出吸收能量最大的MOV过电压保护器(多数是70kA、100kA)，而且可通过10/350s长波通流实验，其特点就是MOV串联一个磁吹角型间隙。 图 磁吹避雷器注：1角形间隙；2磁吹线圈；3直流发电机1.4.3 高压电容器1908年瑞士MOscick提出利用高压电容器作防雷元件的方案，一般是与电抗线圈配合利用，组成防雷吸波器。如图所示30年代初，前苏联莫斯科电力系统曾用电感线圈保护几个33kV变电所，但因阀型避雷器装于电感线圈外侧，电感与变压器入口电容谐振，使变电所雷害事故率翻一番，而且电感线圈本身还发生很多绝缘事故，因尔后来拆除这些电感元件。我国40年代和50年代初，有些发电机、
22、升压变压器和配电变压器曾采用电感元件保护，可惜未专门好总结经验，后来多数电感元件没有继续利用。只是到了60年代，波兰才在35110kV变电所，利用装于进线入口的电感元件取得良好的防雷效果(阀型避雷器装于变压器与电感元件之间，避免了L-C谐振)。直到此刻，电容电感元件仍是我国和国外保护旋转电机的有效保护装置。咱们过电压保护与接地国标修订组调查分析表明，通过电感线圈供电的发电机，其平均无端障工作时刻MTBF(雷害)290年，即提高防雷靠得住性310倍。咱们将电力部门近千个微波站全国指标MTBF60年提高到200500年的微波站过电压保护柜，办法之一是11变压器。最近几年，国外公司在电力、电子保护环
23、节中所用的解耦(退耦)元件并非新物，就是一个电感线圈。裸导线510m长的电感有时也相当解耦元件。 图 防雷吸波器T变压器；S水电阻器或导体电阻器；L电抗线圈；C一、C2电容器1.4.4 铝电解避雷器1907年在美国出现了铝电解避雷器，利用它在不同电压下能通过或阀截电流的特性遮断工频续流，它曾用于100kV高压电网。1922年美国西屋公司(WH)制出了自动阀型避雷器。1929年美国通用电力公司(GE)制出契利特阀型避雷器，使系统雷击损坏率下降90。阀型避雷器通过雷电流能力的进展情形如下(多数用8/20s后实验，通过20次，且残压转变不大于10)。111982193419351937（年）3003
24、00010000100000（A）后者系4/10s波形2次，100kA及以上。50年代初，磁吹避雷器问世，它兼能防护雷电过电压和内过电压，这是避雷器进展的一个转折点。因为直到今天，即便在220/380V低压配电网中的过电压保护器也要求对操作过电压波(SEMP)具有防护能力。其2ms方波或工频续流通流能力从开始的150A，进展到80年代初的1500A左右，我国高压避雷器的2ms方波通波能力进展情形如下。 19641972197719801982(年)400800100012001500（A）此刻保护220/380V电源的过电压保护器应具有SEMP的防护能力，其主要判据是2ms方波的通波能力。固然
25、，还有待定出MOV的耐受电流标准值。1.4.5 氧化锌避雷器1968年日本大阪松下电气公司研制出了新一代“无间隙避雷器”，即氧化锌避雷器，开始应用于电子工业。这是一种利用金属氧化物对电压敏感特性来吸收交、直流电路中雷电过电压和操作过电压，以保护电力、电子器件的装置。开始主要用于产生电火花的电触点，用来吸收暂态电压能量。1976年，迅速向高电压电网进展，日本第一制成84kV级耐污型无间隙避雷器，到80年代初已制出275kV和500kV级超高压避雷器。由于开始时造价较高，而性能又大有改良，故其进展和利用在很长一段时刻主要用于超高压电网，而且各国多是从超高压利用，待价钱下降后才慢慢用于较低电压电网。
26、因为前者残压每降低8左右，可使设备的绝缘水平降低一级(68)，相应的设备造价可下降46。这对几百万元、上万万元一台的超高压电力设备，采用MOV具有专门大经济意义，即便一组MOV价值数十万元也是值得的。1972年，我国武汉市一个小厂生产出我国第一批氧化锌压敏元件，属于世界上少数几个继日本以后能制造MOV的国家之一。MOV在我国的应用也是从高电压向低电压进展的模式。例如，80年代初，华北500kV超高压电网第一从瑞典ASEA公司引进500kV MOV，同期机械工业部同水利电力部一路观察、分析、谈判后决定，西安电瓷厂和抚顺电瓷厂别离从美国GE和日今日立公司引进生产专利，不久即造出接近世界水平的500
27、kV MOV。80年代中后期，前后在330kV、220kV、110kV等电网应用国产MOV。80年代后期，又在10kV和低压220/380V配电网普遍采用氧化锌避雷器，效果良好。1.4.6 管型避雷器1927年，美国一些线路开始采用在管内产生非游离气体以遮断续流的管型避雷器。续流在个周波内熄灭电弧。80年代初，我国又制成一种无续流管型避雷器，并在高压电力系统试用。后因用量太少，生产厂效益不佳，陆续被阀型避雷器所代替。 避雷带、避雷网、避雷线和耦合地线如前所述，1750年，富兰克林提出以针尖放出电荷缓慢中和雷云中的电荷的避雷针用来防雷。后来的实践证明，它不能“避雷”，而是将雷引向自身来保护其周围
28、的设备。随着俄国罗蒙诺索夫在重复了富兰克林的著名风筝实验以后，于1753年发表的论文关于因电力而产生的大气现象的发言中也对此作了重要论证。避雷针的实际应用，必需解决的是它的保护范围问题。这是在实验室和实际应用中连年慢慢定量化的，而且其精准性已大体知足了工程设计的需要。正是各国高压输电和电力系统的进展推动了这一科研工作的前进。19251926年，Peek第一个在实验室内利用冲击电压发生器造成“人工雷”对避雷针模型放电，研究保护范围保护系数与雷云高度对针高之比(H/h)的关系，并研究了雷云极性对保护系数的影响。自动重合闸装置(AB)和备用电源合闸装置(ABP)20年代中期，美国Still提出，利用
29、断路重视合闸消除瞬时短路包括雷击引发电力线路短路跳闸来保证电力供给，到30年代各国已普遍采用。后来又进展二次重合闸、单相重合闸和单相与三相综合重合闸。我国于1950年夏，在鸡西电业局安装苏联提供的35kV开关，这可能是我国第一批带重合闸的少油开关，随后写出鸡西发电厂和电业局全面改造继电保护，推行自动重合闸及备用电源自动合闸(别离称AB和ABP)的设计书，后来成为专著出版。很有趣，这项普遍应用于35500kV输电系统的技术此刻不仅应用于10kV电网，而且也有时应用于重要的220/380V供电，如铁路信号电源(象北京铁路局)，应用此项技术和备用电源自动合闸装置也大大减少了雷击停电事故。高压线路雷击
30、跳闸故障，重合闸能在几分之一秒重合，成功率达85左右，即将事故减少到15左右。重要通信台(站)的电源也可考虑采用此办法。一些军用台(站)即采用备用电源合闸装置。电磁兼容(EMC) 电力线和电信线进展初期，虽然二者不免彼此交*和平行接近，但因电力线电压低、电流小，一般是各行其道，相安无事。电力系统大进展以后，才产生干扰影响，出现电磁兼容问题。 研究科技史文献可知，初期电力工程、电信工程高作，防雷问题几乎不予涉及，因为那时防雷的重要性，包括它的危害程度，因工程规模小而未引人注目。例如，,Hall Williams主编著名的科技史宏篇巨著“A History of Technology”，Oxfor
31、d At The Clearendon Press，1958，和国内电工史专著，对于电工进展前期的防雷也是或不涉及，或语焉不详。从避雷针到出现简单间隙、电容、线圈，通过了漫长的158年。到制出原始型避雷器，又通过了10年。这绝非因为人类智慧贫因，而是电力工业的进展，才有了防雷的需要。防雷和过电压保护装置的出现，与输电电压品级相关图(如图所示)充分说明了这一问题。直到出现几万万和上亿千瓦的联合电力系统(如华北500kV网架连接的系统装机容量已近4000万千瓦)，其一次雷击足以致使大地域的灾难，如美国出名的纽约大停电，才迫令人们利用几万万元的高压实验设备进行不断的研究，使防雷系统日臻完善。与此相似，正是由于初期室内只有电灯和马达这种电器，其防雷要求不高，建筑物防雷独特的地方不多。最近几年电子设备的普遍应用，而且多数装
