高速铁路的防雷与接地

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1、高速铁路的防雷与接地吴广宁 西南交通大学主要内容l高速铁路防雷技术研究的意义l防雷接地的基本知识l接触网的防雷l高速铁路的综合接地lCDEGS一、高速铁路防雷技术研究的意义广深铁路自1998年开通以来，发生多起雷击引起设备损坏的事故。广深铁路长139.46km，在2000年1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278月31日期间，发生雷击接触网跳闸85次。二、防雷接地的基本知识1、典型的雷云电荷分布示意图图示为美国肯 尼迫航天中心和美 国国家航天局于 1990年发布的关于 雷云

2、电荷分布的研 究成果。最上部为 正电荷区(P区)、中 间为负电荷区(N区) 和下部为正电荷区 (P区)。雷击的种类1、直击雷雷云直接对 地面建筑物或人 放电二、防雷接地的基本知识雷击的种类2、感应雷雷云通 过静电感应或 电磁感应，在 附近的金属体 上产生感应电 压二、防雷接地的基本知识雷击种类3、雷电电磁脉 冲（LEMP）雷电电磁脉冲 对信号及通信系统 造成干扰。并损坏 敏感电子元件二、防雷接地的基本知识现代防雷体系高空防雷区 低空防雷区 地下防雷区二、防雷接地的基本知识高空防雷区二、防雷接地的基本知识低 空 防 雷 区二、防雷接地的基本知识地下防雷区二、防雷接地的基本知识接闪器防护范围的确定

3、接闪器（避 雷针、避雷线、避 雷带、避雷网）的 防护范围一般用滚 球法明确定，不同 的防雷等级所用球 的半径不同二、防雷接地的基本知识输电线路避雷线的防雷效果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 相同二、防雷接地的基本知识接触网无避雷线， 不能有效防止直击雷。 当雷击发生在接触 网附近时，会在接触网 上产生感应电流。 直击雷电流和感应 雷电流沿接触网向两侧 传播通过避雷器与接地 极放电，当雷电流传到 变电所时就有可能引发 跳闸接触网防雷的特点:三、接触网的防雷接触网防雷的特点: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，耐雷水平仅 1

4、1kA，当直击雷电流 或感应雷电流从接触网 流过时。有可能击穿空 气间隙，造成接地短路 ，引发跳闸。三、接触网防雷接触网支柱是利用回流线作闪络保护 地线的集中接地，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 。 接触网防雷技术可以参考输电线路的 防雷措施，但从客观环境看，接触网防雷 较为复杂一些。三、接触网防雷日本接触网防雷区域划分防雷措施架空避雷线避雷器设置位置A区雷害严重且重要线 路，进行全面 防雷保护全线架设 避雷线1.牵引变电 所出口 2.接触网隔离开关两侧 3.架空线与电缆连 接处 4.架空线终 端B区雷害比较严 重且重 要的线路，对 雷害场所、重 点设备进 行必 要

5、的防雷保护特别需要的 场所沿 接触网 架设避 雷线1、牵引变电 所出口 2、接触网隔离开关两侧 3、架空线与电缆连 接处 4、架空线终 端C区A和B以外的区域1.牵引变电 所出口 2.接触网隔离开关两侧 3.架空线与电缆连 接处三、接触网防雷S状horn每间隔200m加一个带放电角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以下三、接触网防雷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以下三、接触网防雷国内接触网防雷现状在TB10009-98铁路电气牵引供电设计规范中 规定：1、吸流变压器的原边应设避雷装置。2

6、、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。 三、接触网防雷1避雷器2回流线3承力索4接触网导线接触网示意图接触网安装的避雷器三、接触网防雷在接触网上安装避雷器的优点 :避雷器的体积小、重量轻，安装在现有接触网上不会明显增加支柱的机械负荷。避雷器的结构紧凑、安装方式简单，便于现场安装和更换。避雷器的保护水平与接触网的绝缘水平配合良好， 特别是带间隙

7、避雷器的 50冲击放电电压与接触网绝缘子的放电特性一致，且正、负极性的分散性要小。三、接触网防雷两种主要的避雷器用于接触网 线路的避雷器 主要有两种， 一种是火花间 隙形避雷器， 另一种是氧化 锌避雷器三、接触网防雷曲线1为支柱接地，曲线2为支柱不接地支柱落雷时电位分布曲线支柱接地布置对架空线电位影响三、接触网防雷接地间距对耐雷水平的影响接地电阻对耐雷水平的影响接地电阻与耐雷水平的关系接地间距与耐雷水平的关系三、接触网防雷四、高速铁路的综合接地接触网的综合接地 牵引变电所的综合接 地接触网的综合接地电气化铁路中，牵引电流通过钢轨回 流，轨道信号电路也通过钢轨传递，接触 网的综合接地问题即通过合

8、理的接地方式 减少机车牵引电流、雷电流对信号以及通 信的干扰。四、高速铁路的综合接地接触网的综合接地四、高速铁路的综合接地高速铁路牵引变电所综合接地牵引变电所接地系统的电流特点由于机车在运行中要进行启动、制动以及升降弓等操作，因此通过接地系统的电流不是恒定值。接地系统要起到收集地回流的作用，因此正常情况下接地系统中有电流通过，电流的大小由供电方式决定。四、高速铁路的综合接地直供方式直供方式BTBT供电方式供电方式四、高速铁路的综合接地牵引变电所接地中主要存在的问题地网电流对接地性能的影响牵引电流通过回流网流回主变压器，电流通过接 地网时，会造成接地网各个部位电位不相等，地电位差异 将对测量以及

9、信号设备造成影响。地网电流变化对综合自动化设备的电磁干扰变电所采用综合自动化系统大量使用了以计算机 和微处理机为基础的微电子设备。这些设备比传统的继电 保护方式更容易受到电磁场的干扰。地网电流变化时将产 生电磁波， 这些电磁波有可能干扰上述设备。四、高速铁路的综合接地减少接地网电势差常用的方法有采用环网消除局部电位差。 接地环网可以分为四个部分：主控室接地环网、 高压室接地环网、主变压器接地环网、各接地环 网之间的联络线。各接地环网通过联络线与变电 所的主接地网连接以减少各接地环网电位差，避 免在各接地环网之间的二次电缆或通讯电缆屏蔽 层中产生大电流烧坏这些设备。牵引变电所综合接地四、高速铁路

10、的综合接地当设备与干扰源串联时，各个设备接地电流 在引线电阻上产生的电位叠 加，A、B、C 点间的电位差 较大，该接地方式会增大A点干扰源的电压信号，但在 简单的接地系统中应用仍然较多。 改变接地方式减少电磁干扰设备串联接地方法示意 图牵引变电所综合接地四、高速铁路的综合接地干扰源与设备间的地线是并联时，各电路的地电位只与本电路的地电流、 地线阻抗有关，B、C点间的电位差较小。通常情况下 ，A点离接地网越近，抗干扰效果越好。 设备并联接地方法示意 图四、高速铁路的综合接地牵引变电所综合接地系统的组成方案四、高速铁路的综合接地上图为一种牵引变电所综合接地方案，图中 根据设备的不同用途以及地点位置

11、设置了三个接 地环网；一次设备与二次设备分别接于不同的接 地环网中，回流电流单独使用一个环网，强弱电 设备分别设置接地母排并采用并联接地方式。这 样不但可以减少同一个系统中不同设备接地点的 电位差，还可以降低高压设备以及电源对综合自 动化装置中通信和信号设备的电磁干扰，有效地 解决了原来的接地系统中存在的问题。 四、高速铁路的综合接地CDEGS软件CDEGS软件是加拿大SES公司研制开发的分析软件。可用于进行接地系统设计、分析和电磁场干扰分析等方面的工作，目前已 成为接地系统和电磁场干扰防护方面的通 用软件。CDEGS软件主要组成（1）接地系统分析（2）电磁场干扰及防护仿真接地系统分析（1）土

12、壤模型 计算该模块可根据现场测量的电阻率-极间距数据通过计算来决定一个等值的土壤结构模型。为接地系统的设计和施工提供准确的土壤模型。接地系统分析（2）接地网分析可对复杂结构土壤里的金属接地网接地电阻、电位分布和导体屏蔽等参数进行计算 。并可用于为HVAC和HVDC发电站、变电站接地网或输电杆塔的分析和设计，或者为 阴极保护装置设计阳极床。地网安全性分析接地系统分析（3）故障电流分 布计算可计算多终 端传输/配电线路网络的故障电流分布。可对输电系统发生单相接地故障后， 短路入地故障电流大小 及其分布进行计算。电磁场干扰及防护仿真（1）线路参数计算计算线路的有关参数，如线路的电感、电容和导体导纳等

13、。计算线路的空间电磁场和电位。磁感应干扰和电容偶合干扰电磁场干扰及防护仿真（2）电磁环境分析计算可分析和设计架空的交直流传输线路 。可迅速的估算线路参量、电场、磁场 、电晕参量（如损耗、射频噪声、音频噪声等 ）青藏线110kV输电线路仿真分析青藏高原冻土地区土壤电阻率影响因素的研 究天府广场地铁综合接地系统研究HVDC输电系统接地系统的研究4 已开展的工作及成果青藏铁路线路图青藏线110kV输电线路仿真分析110kV输电杆塔结构示意图 避雷器安装方式与耐雷水平的避雷器安装方式与耐雷水平的 关系（全线安装）关系（全线安装）避雷器安装方式与耐雷水平避雷器安装方式与耐雷水平 的关系（单个杆塔安装）的关系（单个杆塔安装）避雷器安装形式对耐雷水平的影响受雷塔接地电阻与避雷器 放电电流的关系受雷塔接地电阻与避雷器吸 收能量的关系避雷器安全性能的分析冻土地区土壤电阻率影响因素的研究温度和含水量对土壤电阻率的影响接地网面积对接地电阻的影 响垂直接地极长度对接地电阻的 影响天府广场综合接地仿真研究土壤厚度与反射系数之间的等效关系二维接触电压分布图接触电压三维分布图HVDC直流接地系统研究直流电流密度对土壤电阻率的影 响电场效应对人体的影响人体周围的合成电场分布 流过人体的离子电流谢谢！