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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：,主 要 内 容,雷电的起源及主要参数 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、雷电的起源及主要参数,1、大自然中的雷电活动,在全球范围内，雷电发生频率是很高的，任何时刻大约有2000个地点遇上雷暴，每秒钟就有上百次雷电，每天约有800多万次雷电，一年中平均发生30多亿次雷电，每次闪电在微秒级的瞬间释放出约55kW.h的能量。 森林火灾有50以上因雷电引发； 人们居住生活的建筑物屡遭雷击破坏；电力、石化等工业设施常因雷击而发生灾难
2、性事故。 视频：雷暴 太空中看地球上的雷电活动,3、雷电的产生,1、大自然中的雷电活动,1、大自然中的雷电活动,2、雷云的产生,感应起电说 温差起电说 冻结起电说 破碎起电说 电离起电说 摩擦起电说,感应起电说地球是一个带电的大电容，电离层带正电，地壳表面带负电，带电量约为50万库仑。水滴（也可能是冰晶、雹粒）在垂直大气电场中感应电荷，下端为正、上端为负 ，与大气中上升的负离子的电荷中和，使水滴带负电，形成雷（雨）云起电后的电荷分布。,2、雷云的产生,温差起电说冰块中同时存在氢离子（ H + ）和氢氧根离子（ OH ），由于冰块两端温度不同，会产生发生离子扩散现象。氢离子质量轻，扩散快，冷端呈
3、现带正电。在对流气流和重力的作用下，形成雷（雨）云起电后的电荷分布。,2、雷云的产生,冻结起电说在云层重有许多过冷水滴，当过冷水滴与霰粒碰撞时，会立即冻结，这叫撞冻。当发生撞冻时，过冷水滴外部立即冻成冰壳，但它的内部仍暂时保持着液态，并且由于外部冻结放的潜热传到内部，其内部液态过冷水的温度比外面的冰壳高。温度的差异使得冻结的过冷水滴外部带上正电，内部带上负电。,2、雷云的产生,三个主要阶段： 先导产生阶段； 先导发展阶段； 通道形成及放电阶段；,闪电的初始击穿： 在有积雨云存在的大气中，积雨云的下部有一负电荷中心与其底部的正电荷电荷中心附近局部地区的大气电场达到104v/cm左右时， 则负、正
4、电荷之间的云雾大气会被击穿，负电荷向下中和掉正电和，这时从云层下部到云底部全部为负电荷区。,3、雷电的产生,先导流注： 随大气电场的进一步加强，进入起始击穿的后期，电子与空气的分子发生碰撞，形成天空中带电的雷雨云的云粒（或水成物）向地面延伸，在雷雨云下形成从云层向下的流光，表现为一条暗淡的光柱，即先导流注。,几个参数： 每级通道变化范围约3 200 m 平均速度约 1.5 10 7 cm/s 间隙时间约 30 125 us 每一级的推进速度约 5 10 9 cm/s 通道直径约 1 10 m 每一级的击穿方向是不确定的折线,3、雷电的产生,闪电通道： 流注先导不断地向地面发展，从而形成多枝状的
5、充满负电荷（对负地闪）的通道，其中有一枝是充满负电荷（对负地闪）的主通道，称为电离通道或闪电通道，简称为通道。,主放电过程：放电主通道到达地面，或与大地放电迎面会合以后，就形成 云层到地面的全程（雷击放电通道）放电，此时云中电荷通过主放电通道流入大地，形成主放电。,3、雷电的产生,回击过程：当梯级先导与连接先导会合，形成一股明亮的光柱，沿着梯式先导所形成的电离通道由地面高速冲向云中，这称为回击。,几个参数：,回击电流可达 10 kA。 回击速度约 2 10 9 2 10 10 cm/s 回击通道直径约0.1 0.23 cm 回击通道温度可达 10000 0C 回击时间约60 us,3、雷电的产
6、生,4、雷电的种类,闪电的类型：从闪电表面的形状分类，则可分为： 线状闪电 带状闪电 片状闪电 联珠状闪电 球状闪电从闪电的空间位置分类，则可分为： 云内闪电 云际闪电 晴空闪电 云地闪电云与大地之间的闪电简称地闪，对人类的关系最密切，是防雷研究的主要对象,闪电的类型：从闪电表面的形状分类，则可分为： 线状闪电 片状闪电 带状闪电 联珠状闪电 球状闪电,线状闪电,片状闪电,带状闪电,链珠状闪电,球状闪电,从闪电的空间位置分类，则可分为：云内闪电 云际闪电 晴空闪电 云地闪电云与大地之间的闪电简称地闪，对人类的关系最密切，是防雷研究的主要对象大地被雷击时，多数是负电荷从雷雨云向大地放电，称之为负
7、地闪；少数是正电荷从雷雨云向大地放电，称之正地闪。,1、雷电流波形,1）波头时间及波长 雷电流是一个非周期的瞬态电流，通常是很快上升到峰值，然后较为缓慢的下降。雷电流的波头时间【T1】是指雷电流从零上升到峰值的时间，又称为波前时间；波长时间【T2】是指从零上升到峰值，然后下降到峰值的一半的时间，又称为半峰值时间。由于在雷电流波的起始和峰值处常常叠加有振荡，很难确定其真实零点和到达峰值的时间，因此，我们常用视在波头时间T1和视在波长时间T2来表示雷电流的上升时间和半峰值宽度，一般记为T1 /T2，如下图所示：,5、雷电的波形及主要参数,雷电流标准波形,正极性雷电流波形,负极性雷电流波形,2）标准
8、波形英R.H.Golde雷电一书的记载和近年来大量的观测表明：雷电流具有单极性的脉冲波形，大约有80-90%的雷电流是负极性的，常见的负电流波形前沿呈拱形。国外在圣萨尔瓦托山、纽约州府大厦、意大利和其它高建筑物等观测点观测获得的电流波记录都显示出有相似的拱形前沿，到达峰值雷电流的中值时间有的是5.5s，有的是7s。,在IEC标准、国标中规定的雷击测试波形主要有：8/20us、10/350us（电流波）、10/700us以及1.2/50us（电压波）等。,3）雷电流幅值,通常定义雷电流为雷击于低阻接地电阻(Ri 30)的物体时流过雷击点的电流。它近似等于电流入射波I0的两倍，即,一般地区，雷电流
9、幅值超过 的概率可按下式计算,波前陡度的最大极限值一般可取50 kA/us左右。,4)雷电流的波前时间、陡度及波长,雷电流的波前时间T1处于14us的范围内，平均为2.6us。波长T2 处于20100us的范围内，多数为40us左右。,我国防雷设计采用2.6/40us的波形；在绝缘的冲击高压试验中，标准雷电冲击电压的波形定为1.2/50us,雷电流波前的平均陡度 (kA/us),3、过电压保护中雷电的几个主要 参数 雷电放电涉及到气象、地形、地质等许多自然因素，有一定的随机性，因而表征雷电特性的参数也带有一定的统计性质。在防雷设计中，雷暴日、雷电流波形、幅值等参数是我们比较关心的几个参数。 1
10、）雷暴日 为了表征雷电活动的频率，采用 年平均雷暴日【Td】作为计算单位。 无论一天内听到几次雷声，只要有一次，该天就记为一个雷暴日，一天有多次，仍记为一个雷暴日。2）雷暴小时一年中发生雷电放电的小时数，在一个小时内只要有一次雷电，即计为一个雷电小时（Th）,5、雷电的波形及主要参数,3）雷电活动区域的划分 根据雷电活动的频度和雷害的严重程度，我国根据年平均雷暴日数分类：T90的地区叫做强雷区T40的地区为多雷区15T40的地区为中雷区T15的地区为少雷区 海口市平均年雷暴日105天，属强雷区。,我国一些重要城市的年平均雷暴日,4）地面落雷密度 对于雷电放电来说，云与云之间的放电次数多于云对地
11、放电次数，而上述雷暴日或雷暴小时对于这一事实没有加以区分。从防雷角度分析，地闪发生的频数是确定地闪对人类和建筑物的最重要的参数。,雷云对地放电的频繁程度，用地面落雷密度【Ng】来表示。其定义是每个雷电日每平方公里上的平均落雷次数，又称地闪密度。它的定义为一年中单位地表面积上空所出现的地闪次数的多年平均值。,总的闪电密度为地闪、云闪密度之和。单位为次/km2秒，或次/km2年。在雷暴活动期间，各地的闪电密度相差很大。因此需要对一定面积范围内的平均总闪电密度和平均地闪密度进行足够长期观测，得到足够的资料进得分析统计。观测表明，当雷暴发展到后期，云闪要比地闪出现的闪电密度高；,我国过电压保护规程取地
12、面落雷密度为：Ng=0.015/kd近年来，我国一些单位采用雷电定位系统测量表明，在大多数情况下，Ng的数值为0.09/kd0.1/kd。实际上Ng值与年平均雷电日数Td有关。通常，当Td增大时，Ng也随之增大，由于我国幅员辽阔，Td的变化很大，很难取统一的一个值。因此，一些学者认为采用国际大电网会议33委员会1980年推荐的计算公式较为合理，该公式为：Ng=0.0237Td1.3 我国建筑物防雷规范GB50057-94使用的Ng接近这一数值，式中系数取0.024。,2、雷电对高速铁路的危害,2.1 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
13、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。,2.2 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。,2.3 变电所雷击类型,直击雷 传输雷 地电位反击,2.4 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。,3、防雷措施的种类及作用,3.1 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
14、构成如图所示。,3.2 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，采用的滚球半径不同。,3.3 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,3.3.1 避雷线在防雷中的应用,3.3.2 避雷线在接触网防雷中的作用,3.4 避雷器的发展史,3.4.1 氧化锌避雷器工作原理,3.4.2 避雷器的工作原理及失效机理,安装避雷器是防雷的重要措施，确定避雷器的安装密度、防
15、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。,3.4.3 避雷器在防雷中的应用,3.4.4 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，安装避雷器后，线路耐雷水平提高到24.kA 。,3.4.5 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,3.5 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
16、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,3.5.1 接地网的作用,3.5.2 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,3.5.3 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。,3.5.4 接地极间距对耐雷水平的影响,3.6 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。,
