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)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指导教师:张健年月日学院名称:铁道学院年级:2012级1班学号:12302010114论文编号: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;防雷措施目录引言......................................................11.电气化铁路接触网概述....................................12.雷电形成................................................13.避雷器..................................................24.高速铁路防雷概况........................................55.接触网雷害分析..........................................66.关于防雷问题的几点思考.................................87.结论....................................................9致谢......................................................101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2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3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4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5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6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