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1、高 速 铁 路 防雷与综合接地技术,西南交通大学电气工程学院,电 话：13980981411,主 讲： 曹晓斌,E-mail：caoxiaobin,主 要 内 容,雷电对高速铁路的危害 防雷措施与作用 高速铁路防雷技术的发展 综合接地技术,1、雷电对高速铁路的危害,1.1 电气化铁路的雷害现状,电气化铁路遭受雷击会造成信号、通信和电力系统设备的损坏，“7.23”甬台温特大轨道交通事故发生前的7分钟内，累计雷击近100次，是造成此次事故发生的一大诱因。,1.2 接触网的雷击类型,电磁感应,雷电流入地、接地电阻,波阻抗、雷电流,以上3种情况都可能导致接触网故障。,1.3 变电所雷击类型,直击雷 传
2、输雷 地电位反击,1.4 高速铁路的特点,高速铁路采用了大量的高架桥以及隧道结构，如京沪高铁全线共有高架桥梁238座，隧道22座，总长度达1061公里，占全线长度的80.5%，高架桥抬升了高速铁路本身的高度，使得悬挂系统收集雷击的宽度增大，遭受雷击的概率增加。,2、防雷措施的种类及作用,2.1 防雷措施的组成,高速铁路属低空防雷体系,低空防雷体系的构成及防雷措施种类构成如图所示。,2.2 接触网雷击区域的划分,由于高速铁路接触网的结构特殊性，其雷击区域与输电线路有很大的区别。,接闪器（避雷针、避雷带、避雷线）是防直击雷的主要方法，传统建筑屋防雷采用滚球法确定接闪器的防护范围，防护等级不同，采用
3、的滚球半径不同。,2.3 接闪器的作用,采用不同半径的滚球所得到到避雷线的防护范围不一样，对应的绕击概率也不相同，但该方法不能定量分析防护效果,2.3.1 避雷线在防雷中的应用,2.3.2 避雷线在接触网防雷中的作用,2.4 避雷器的发展史,2.4.1 氧化锌避雷器工作原理,安装避雷器是防雷的重要措施，确定避雷器的安装密度、防护范围、分流情况和失效条件是制定合适的接触网防雷措施的前提。,2.4.2 避雷器在防雷中的应用,2.4.3 安装避雷器对接触网 耐雷水平的影响,在支柱接地电阻相同的情况下，安装避雷器可大大提高线路耐雷水平。当支柱接地电阻为30时，无避雷器时的线路耐雷水平为12kA，安装避
4、雷器后，线路耐雷水平提高到24.kA 。,2.4.4 避雷器的工作范围,（a）接地电阻为5欧姆 (b)接地电阻为10欧姆,2.5 接地系统在防雷中的作用,通常认为：接地是将电气系统的某些节点或电气设施的某些部分与大地相连接。 国标DL/T621-1997交流电气装置的接地中定义：将电力系统或建筑物中电气装置、设施的某些导电部分经接地线连接至接地极。 接地系统的好坏直接决定了防雷措施的效果,2.5.1 接地网的作用,2.5.2 接地电阻对接触网反击 耐雷水平的影响,在相同雷电流波形的作用下，接触网耐雷水平随支柱接地电阻的增加降低幅度较大。当支柱接地电阻从5增加到30时，线路耐雷水平从35kA降低
5、到11kA，,支柱落雷时电位分布曲线,曲线1为支柱接地，曲线2为支柱不接地,2.5.3 接地方式对耐雷水平的影响,缩短接地间距，增加接地数量后,线路的耐雷水平升高。,2.5.4 接地极间距对耐雷水平的影响,2.6 放电间隙的作用,在绝缘子上安装放电间隙，当发生雷击时，放电间隙之间的空气首先击穿，电弧不从绝缘子表面经过，因此绝缘子的裙片不会因电弧高温炸裂，防止了绝缘炸裂。,2.7 放电间隙的影响,由于冲击闪络电压U50%下降，导致接触网整体耐雷水平下降； 放电间隙安装在绝缘子上，检修人员攀爬时容易造成参数变动，影响实际使用效果； 放电间隙安装调整较为复杂，其与操作过电压、机车顶部绝缘子的绝缘配合
6、较为复杂。,3、高速铁路防雷研究的发展,3.1 日本接触网防雷措施的构成,S状horn,每间隔200m加一个带放电间隙的绝缘子来分段,在架空地线分段区间的中间进行接地。接地阻抗30以下,AT供电线,接触导线,钢轨,AT保护线,中性线,避雷器 放电开始电压42kV,放电器 放电开始电压：5kV,接地阻抗 10以下,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。,3.2 国内接触网防雷现状,了解接触
7、网的引雷范围与雷电活动参数是确定接触网防护等级的先决条件。,3.3 接触网防雷技术的研究,3.4 雷电活动的地域差异,雷电监测定位系统的发展，为差异化防雷提供了实现基础。,3.4.1 不同地区雷电活动差异,我国地域辽阔，不同地区受雷电危害程度不相同。,3.4.2 同一地区雷电活动差异,即使是同一地区，通过雷电监测定位系统进行分析，发现其内部不同区域受雷电危害程度差异也非常大。,3.4.3 线路沿线雷电活动分析,3.5 地形对雷击概率的影响,牵引供电系统结构高度相对较低，受地形及建筑影响较大。,3.5.1 地形的屏蔽作用,对于电气化铁路而言，地形与建筑物的屏蔽作用有效地降低了其受雷概率。,3.5
8、.2 地形屏蔽作用的评估,3.6 差异化防雷设计,差异化防雷设计是指在线路设计过程中，根据不同区域的雷电流幅值分布、雷电活动次数，被保护物体与周围地形之间的屏蔽关系，以及被保护物体的重要程度，综合考虑经济性与可靠性要求，对线路不同区段采用不同的防雷措施。,4、综合接地技术,由于计算机的应用，机房存在直流系统接地、交流系统接地，防雷及防浪涌电流接地、防静电接地以及信号屏蔽接地，由于机房空间的限制不允许给每一个系统单独提供接地，因此提出了综合接地的概念，此时的综合接地主要是指在同一个接地系统上综合了各种不同的接地功能。,4.1 综合接地的起源,计算机房综合接地,4.2 地铁综合接地系统,地铁综合接
9、地系统与其它地下设备的关系,地铁综合接地系统的作用,钢轨作为回流导体承载着牵引回流。,4.3 牵引变电所综合接地的特点,牵引回流流过钢轨与大地间的泄漏电阻，产生钢轨对地电位。,4.4 钢轨对地电位的形成,高速铁路10000kW。,普速铁路2000-3000kW。,对地泄漏电阻大。,路床电阻率高。,高架桥上接地引线长。,隧道内路基电阻率高。,导致钢轨电 位显著升高。,牵引负荷大,无砟轨道,桥隧比例高,4.5 高速铁路对钢轨电位的影响,日本山阳新干线运行初期钢轨电位达750V.,我国某铁路段现场实测结果，牵引电流约200A， 钢轨电压接近100V.,高速铁路牵引电流达300-500A，钢轨电位会更
10、高！,优点：理论上，可以使钢轨电压可降低一半；,缺点：上下行会车时，效果不明显； 使无负荷一侧钢轨电位升高，危害天窗作业人员安全,A,B,C,接触网,上行轨,下行轨,接触网,牵引变电所,牵引变电所,（1）将上下行钢轨进行连接,横向连接,4.6 降低钢轨电位的措施,（2）改变供电方式,（3）増加钢轨与保护线的连接线（CPW）密度,CPW密度增加一倍后，钢轨电压降低约20%,（4）设置综合接地系统。,系统概述：将铁路沿线的牵引供电回流系统、电力供电系 统、信号系统、通信及其他电子信息系统、建筑物、道床 等需要接地的装置通过贯通地线连成一体的接地系统。,系统核心：综合贯通地线。,路基段贯通线,桥梁段
11、贯通线,隧道段贯通线,主要作用：减小接地电阻，降低钢轨电压； 为沿线设备提供公共参考地电位；,4.7 牵引变电所综合接地的特点,（1）接地系统以综合贯通线为主干，充分利用沿线 的接地体，构成综合接地平台 （2）距接触网5m范围内需要接地的设施、线路两侧 20m内建筑的接地装置均应接入综合接地系统。 （3）综合贯通地线接入处电阻不超过1欧姆。 （4）不便与综合接地系统连接的第三方设备应采取 可靠的绝缘、隔离措施。,4.7 综合接地设计的基本原则,基本原则：,（1）桥梁地段贯通地线铺设在两侧的通信信号电缆槽内， 接地极充分利用桥墩基础设置。,（2）桥梁结构的梁部、桥墩台、承台、基础以及接地系统 的
12、外部接口和各结构之间的连接均进行接地连接,以形 成完善的接地系统并具备良好的接地性能。,（3）预应力钢筋不接入综合接地系统,保证桥梁结构在通过 高电压、电流时结构本身的正常使用功能不受影响并 安全传导电压、电流通过。,4.7.1 桥梁综合接地系统,返回,基本原则：,（1）贯通地线铺设于两侧通信电缆槽内； （2）充分利用锚杆、底板钢筋、非预应力钢筋接地体，以满足接 地电阻的需求； （3）一般不增加专用接地钢筋；,4.7.2 隧道综合接地系统,基本原则：,（1）综合地线铺设于电缆槽正下方的基床底层中，并充分利用 接触网支柱基础； （2）埋设深度距基床底层顶面-0.3m-0.4m; （3）长度超过1
13、000m的路基地段，每间隔500m左右将上下行贯 通地线连接一次； （4）长度为5001000m的路基地段，在路基段中间将上下行贯 通地线连接一次； （5）长度小于500m的路基地段，不考虑贯通地线的横向连接；,4.7.3 路基综合接地系统,返回,综合贯 通地线,牵引电流分配比例,遂渝线：,4.8 综合接地的效果分析,综合地线接地阻抗,接地阻抗满足设计原则。,综合地线对钢轨电位影响,钢轨单独回流,钢轨+综合地线回流,加综合地线后，钢轨电压降低约1/3,问题1：综合接地系统绵延数千公里，其散流方式与传统接地网存在较大差异。综合接地系统雷电冲击特性的表征参量、测量原理和方法均有待研究。,4.9 综
14、合接地系统待解决的问题,问题2：雷电造成钢轨及综合地线电位过高，是破坏通信信号设备的主要因素，综合接地系统的雷电冲击响应机理、雷电流的传播规律及衰减方式有待研究。,问题3：电力、供电、通信、信号等系统对接地的要求各不相同，各分系统雷击过电压幅值、影响因素及系统间的耦合方式有待研究。,问题4：综合接地系统工作环境特殊，雷电在接地系统中产生的热、力学效应对线桥隧结构的危害以及综合接地系统在长期老化、腐蚀后的服役性能有待研究。,谢 谢 ！,5、实验室的研究成果,5.1 青藏铁路输电线防雷接地研究,青藏铁路接地实验现场,青藏铁路线路图,5.2 天府广场地铁综合接地系统,5.3 遂渝线综合接地系统研究,5.4 大秦线接地回流系统研究,5.5 楚雄800kV特高压换流站接地,5.6 泸州局输电线路防雷研究,5.7 惠州局输电线路耐雷水平研究,5.8 对外技术交流,谢 谢 ！,人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。,
