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接触网课程设计接触网的接地与防雷设计

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2020年4月19日
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接触网工程课程设计

指导教师评语

报告（30）

总成绩
修改（40）
平时（30）

专 业： 电气工程及其自动化
班 级： 　　
姓 名：
学 号： 　　
指导教师： 　　
兰州交通大学自动化与电气工程学院
年 7月 13日
1 方案选择
1.1题目
接触网的接地与防雷。
1.2题目分析
接触网是牵引供电系统的重要组成部分，绝大部分裸露在自然环境中没有备份，需要采用必要的大气过电压防护措施。如果缺少防护措施或措施不当，可能引起绝缘子损坏，造成线路跳闸，直接影响电气化铁路运营。同时雷击产生的侵入波过电压经过接触网传入牵引变电所，可能引起所内电气设备的损坏造成更大事故。
中国地域广大，因雷击造成人员伤亡、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，当前开通的26万多千米电气化铁道中部分雷击事故比较频繁，因此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的防雷设计。
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 设计计算
2.1 直接雷击
接触网雷击包括直接雷台，雷电反击和感应雷击过电压等。
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。雷电反击过电压
雷击支柱顶部产生接触网雷电反击过电压，其中不但有雷电流经过支柱，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；按图l表示客运专线典型接触网支柱悬挂方式，根据DL/T 620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》计算方法，计算耐雷电反击过电压水平。感应雷击距接触网有限远处，雷击对地放电时．在接触网上产生的过电压与雷电流幅值成正比，其比值为3.84。
2.2 接触网耐雷击水平计算
(1) 雷击支柱时耐雷击水平
当承力索平均高度，平腕臂对地高度，支柱高度，支柱冲击接地电阻，时，。
根据式(2)可计算出雷电流超过I的概率。
(2) 雷击承力索时耐雷击水平

(3) 建弧率
(4)
式(4)中，—绝缘子串的平均运行电压（有效值）梯度，kV/m。

经过以上计算可知，在平原地区每100Km的电气化铁道线路，每年由于承力索遭受雷击引起跳闸的次数约为15次，这给客运专线的安全运行带来了隐患。
3 接触网的接地与防雷设备选择及示意图
3.1 接触网的接地
接触网的接地是指经过接地线而接于牵引轨。由接地线（接地体）及接地部件组成的接地设备，称为接地装置。接地装置（包括接地线和接地体）均应有可靠的电气连接。
接地导线要连接到距离最近的或接到抗流变压器线圈的中心端子上，而在单轨轨道回路区段上，应直接连接到牵引轨上。
在一般情况下，支柱的接地装置应加设击穿电压不大于800V的火花间隙。在正常情况下，火花间隙可保证支柱与钢轨之间的绝缘，使绝缘子因老化等原因形成的泄漏电流不能直接泄向轨道。一旦火花间隙上出现高电压（如绝缘子闪络），间隙击穿，就把支柱和牵引轨接通，以使保护动作，进而保护电气设备。
自动闭塞区段的轨道回路为双轨道回路时，单线区间内的腕臂支柱在每个闭塞区间范围内应连到同一钢轨上；在复线区段上，腕臂支柱要连接到最近的钢轨上。采用软横跨或硬横跨时仅需要其中的一根支柱连到钢轨上。
在电气化铁路上，轨道被用做第二导线。轨道回路的电阻是由轨道电阻和接头过渡电阻两部分组成。如果轨道回路电阻较大，就会增加轨道内的电压降，并造成杂散电流增加。因此，在正常的轨道接头间要设连接线。
在自动闭塞区间，在绝缘接头的两端要装设扼流变压器，其线圈的端头分别接到两根钢轨上。为了使牵引电流能绕过绝缘接头而流通，用一根导线将扼流变压器线圈中点连接起来，如图1所示。复线间的线间连接是将其连接到相邻绝缘接头上的扼流变压器线圈的中点。在单牵引轨道回路的情况下，只能用一根钢轨来流通牵引电流，而第二根钢轨则用作流通自动闭塞电流，如图2所示。
动闭塞区段上，回流线要连接到电气化线路的钢轨上。在单轨道回路的车站上，要将回流线连接到所有的牵引轨上；在双牵引轨轨道电路情况下，回流线应连接到扼流变压器线圈的中点。当有多条线路时，在回流线连接的位置上，各条线路的钢轨之间应加装线间连接线。

图1 牵引电流在轭流变压器中的流通回路

图2 电气化牵引轨的连接
3.2 接触网的防雷
中国电气化铁道接触网防雷设计主要依据《铁路电力牵引供电设计规范》（TB 10009- ）和《铁路防雷、电磁兼容及接地工程技术暂行规定》（铁建设[ ]39号）的相关规定。
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。具体规定为：
(1) 吸流变压器的原边应设避雷装置；
(2) 高雷及强雷区下列位置设避雷装置；分相和站场端部的绝缘关节、长度2，000 m及以上隧道的两端、长度大于200m的供电线或AF线连接到接触网上的连接处。
(3) 强雷区设置独立避雷线，保护角为0～45度。
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根据国际大电网会议33委员会推荐计算：接触网侧面限界为3m，承力索距轨面平均高度为7m，则单线接触网遭受雷击次数，复线接触网遭受雷击次数，Td为年平均雷电日数。
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。当雷击接触网支柱时，雷电流沿支柱入地在接触网支柱上产生的冲击电压为：
(1)
式(1)中,—支柱冲击电阻，取；
—支柱等值电感；
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。
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。雷电流幅值及其累积概率分布DL /T620-1997《流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中规定：
雷电流幅值的概率：
(1) 除下(2)所述地区以外的中国一般地区雷电流幅值超过嘶概率可按式 (2)求得：
(2)
式(2)中，—雷电流幅值概率；
I—雷电流幅值（）；
(2) 陕南以外的西北地区、内蒙古自治区的部分地区憾类地区的平均年雷暴日数一般在20 d及以下）雷电流幅值较小可由式(3)求得
(3)
4 结论与体会
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。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，只能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。
综上所述，建议在高雷区、强雷区，接触网在下列地点应采用氧化锌避雷器防护：分相和站场端部的绝缘锚段关节，长度 m及以上隧道的两端，长度大于200m的供电线或自耦变压器供电线连接到接触网上的接线处，对于峡谷等落雷概率大的工点、土壤电阻率高且降低难度大的区段应重视防雷方案设计，强雷区应设置避雷线在27.5 kV电缆的接头及电缆终端处设置氧化锌避雷器，切实作好避雷器和避雷线的接地，保障避雷设施正常运行。
参考文献
[1] 于万聚著.高速电气化铁路接触网[M]. 成都:西南交通大学出版社, .
[2] 李爱敏主编.接触网生产实习指导[M]. 北京:中国铁道出版社, .
[3] 李伟主编.接触网[M]. 北京:中国铁道出版社, .