高速鐵路的防雷與接地

高速鐵路的防雷與接地吳廣寧西南交通大學(xué)主要內(nèi)容高速鐵路防雷技術(shù)研究的意義防雷接地的基本知識(shí)接觸網(wǎng)的防雷高速鐵路的綜合接地CDEGS一、高速鐵路防雷技術(shù)研究的意義廣深鐵路自1998年開通以來(lái)，發(fā)生多起雷擊引起設(shè)備損壞的事故。廣深鐵路長(zhǎng)139.46km，在2000年1月間共發(fā)生雷擊接觸網(wǎng)跳閘45次，其中廣深線平湖牽引變電所雷擊跳閘占事故總跳閘的比例達(dá)57.7%.南昆線昆明局管內(nèi)的325.8km接觸網(wǎng)，在1999年3月27～8月31日期間，發(fā)生雷擊接觸網(wǎng)跳閘85次。二、防雷接地的基本知識(shí)1、典型的雷云電荷分布示意圖圖示為美國(guó)肯尼迫航天中心和美國(guó)國(guó)家航天局于1990年發(fā)布的關(guān)于雷云電荷分布的研究成果。最上部為正電荷區(qū)(P區(qū))、中間為負(fù)電荷區(qū)(N區(qū))和下部為正電荷區(qū)(P區(qū))。雷擊的種類1、直擊雷雷云直接對(duì)地面建筑物或人放電二、防雷接地的基本知識(shí)雷擊的種類2、感應(yīng)雷雷云通過(guò)靜電感應(yīng)或電磁感應(yīng)，在附近的金屬體上產(chǎn)生感應(yīng)電壓二、防雷接地的基本知識(shí)雷擊種類3、雷電電磁脈沖（LEMP）雷電電磁脈沖對(duì)信號(hào)及通信系統(tǒng)造成干擾。并損壞敏感電子元件二、防雷接地的基本知識(shí)現(xiàn)代防雷體系高空防雷區(qū)低空防雷區(qū)地下防雷區(qū)二、防雷接地的基本知識(shí)高空防雷區(qū)二、防雷接地的基本知識(shí)低

空

防

雷

區(qū)二、防雷接地的基本知識(shí)地下防雷區(qū)二、防雷接地的基本知識(shí)接閃器防護(hù)范圍的確定接閃器（避雷針、避雷線、避雷帶、避雷網(wǎng)）的防護(hù)范圍一般用滾球法明確定，不同的防雷等級(jí)所用球的半徑不同二、防雷接地的基本知識(shí)輸電線路避雷線的防雷效果采用不同半徑的滾球所得到到避雷線的防護(hù)范圍不一樣，對(duì)應(yīng)的繞擊概率也不相同二、防雷接地的基本知識(shí)接觸網(wǎng)無(wú)避雷線，不能有效防止直擊雷。當(dāng)雷擊發(fā)生在接觸網(wǎng)附近時(shí)，會(huì)在接觸網(wǎng)上產(chǎn)生感應(yīng)電流。直擊雷電流和感應(yīng)雷電流沿接觸網(wǎng)向兩側(cè)傳播通過(guò)避雷器與接地極放電，當(dāng)雷電流傳到變電所時(shí)就有可能引發(fā)跳閘接觸網(wǎng)防雷的特點(diǎn):三、接觸網(wǎng)的防雷接觸網(wǎng)防雷的特點(diǎn):鐵路隧道內(nèi)接觸網(wǎng)對(duì)地的空氣間隙太小，規(guī)范規(guī)定困難值為240mm，耐雷水平僅11kA，當(dāng)直擊雷電流或感應(yīng)雷電流從接觸網(wǎng)流過(guò)時(shí)。有可能擊穿空氣間隙，造成接地短路，引發(fā)跳閘。三、接觸網(wǎng)防雷接觸網(wǎng)支柱是利用回流線作閃絡(luò)保護(hù)地線的集中接地，支柱基礎(chǔ)上的螺栓可起到一定的接地作用，但普遍接地電阻較大。接觸網(wǎng)防雷技術(shù)可以參考輸電線路的防雷措施，但從客觀環(huán)境看，接觸網(wǎng)防雷較為復(fù)雜一些。三、接觸網(wǎng)防雷日本接觸網(wǎng)防雷區(qū)域劃分防雷措施架空避雷線避雷器設(shè)置位置A區(qū)雷害嚴(yán)重且重要線路，進(jìn)行全面防雷保護(hù)全線架設(shè)避雷線牽引變電所出口接觸網(wǎng)隔離開關(guān)兩側(cè)架空線與電纜連接處架空線終端B區(qū)雷害比較嚴(yán)重且重要的線路，對(duì)雷害場(chǎng)所、重點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行必要的防雷保護(hù)特別需要的場(chǎng)所沿接觸網(wǎng)架設(shè)避雷線1、牽引變電所出口2、接觸網(wǎng)隔離開關(guān)兩側(cè)3、架空線與電纜連接處4、架空線終端C區(qū)A和B以外的區(qū)域牽引變電所出口接觸網(wǎng)隔離開關(guān)兩側(cè)架空線與電纜連接處三、接觸網(wǎng)防雷S狀horn每間隔200m加一個(gè)帶放電角的絕緣子來(lái)分段在架空地線分段區(qū)間的中間進(jìn)行接地。接地阻抗30Ω以下三、接觸網(wǎng)防雷AT供電線接觸導(dǎo)線鋼軌AT保護(hù)線中性線避雷器放電開始電壓42kV放電器放電開始電壓：5kV接地阻抗

10Ω以下三、接觸網(wǎng)防雷國(guó)內(nèi)接觸網(wǎng)防雷現(xiàn)狀在TB10009-98《鐵路電氣牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定：1、吸流變壓器的原邊應(yīng)設(shè)避雷裝置。2、重雷區(qū)及超重雷區(qū)，下列重點(diǎn)位置應(yīng)設(shè)避雷裝置。1）分相和站場(chǎng)端部的絕緣關(guān)節(jié)；2）長(zhǎng)度2000m及以上隧道的兩端；3）供電線或AF線連接到接觸網(wǎng)上的連接處。通過(guò)規(guī)范可以看出，我國(guó)電氣化鐵路接觸網(wǎng)防雷工程設(shè)計(jì)中，除了通過(guò)絕緣子自恢復(fù)絕緣外，還在接觸網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)位置設(shè)置了避雷器以達(dá)到防雷的目的。三、接觸網(wǎng)防雷1－避雷器2－回流線3－承力索4－接觸網(wǎng)導(dǎo)線接觸網(wǎng)示意圖接觸網(wǎng)安裝的避雷器三、接觸網(wǎng)防雷在接觸網(wǎng)上安裝避雷器的優(yōu)點(diǎn):避雷器的體積小、重量輕，安裝在現(xiàn)有接觸網(wǎng)上不會(huì)明顯增加支柱的機(jī)械負(fù)荷。避雷器的結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方式簡(jiǎn)單，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝和更換。避雷器的保護(hù)水平與接觸網(wǎng)的絕緣水平配合良好，特別是帶間隙避雷器的50％沖擊放電電壓與接觸網(wǎng)絕緣子的放電特性一致，且正、負(fù)極性的分散性要小。三、接觸網(wǎng)防雷兩種主要的避雷器用于接觸網(wǎng)線路的避雷器主要有兩種，一種是火花間隙形避雷器，另一種是氧化鋅避雷器三、接觸網(wǎng)防雷曲線1為支柱接地，曲線2為支柱不接地支柱落雷時(shí)電位分布曲線支柱接地布置對(duì)架空線電位影響三、接觸網(wǎng)防雷接地間距對(duì)耐雷水平的影響接地電阻對(duì)耐雷水平的影響接地電阻與耐雷水平的關(guān)系接地間距與耐雷水平的關(guān)系三、接觸網(wǎng)防雷四、高速鐵路的綜合接地接觸網(wǎng)的綜合接地牽引變電所的綜合接地接觸網(wǎng)的綜合接地電氣化鐵路中，牽引電流通過(guò)鋼軌回流，軌道信號(hào)電路也通過(guò)鋼軌傳遞，接觸網(wǎng)的綜合接地問(wèn)題即通過(guò)合理的接地方式減少機(jī)車牽引電流、雷電流對(duì)信號(hào)以及通信的干擾。四、高速鐵路的綜合接地接觸網(wǎng)的綜合接地四、高速鐵路的綜合接地高速鐵路牽引變電所綜合接地牽引變電所接地系統(tǒng)的電流特點(diǎn)由于機(jī)車在運(yùn)行中要進(jìn)行啟動(dòng)、制動(dòng)以及升降弓等操作，因此通過(guò)接地系統(tǒng)的電流不是恒定值。接地系統(tǒng)要起到收集地回流的作用，因此正常情況下接地系統(tǒng)中有電流通過(guò)，電流的大小由供電方式?jīng)Q定。四、高速鐵路的綜合接地直供方式BT供電方式四、高速鐵路的綜合接地牽引變電所接地中主要存在的問(wèn)題地網(wǎng)電流對(duì)接地性能的影響牽引電流通過(guò)回流網(wǎng)流回主變壓器，電流通過(guò)接地網(wǎng)時(shí)，會(huì)造成接地網(wǎng)各個(gè)部位電位不相等，地電位差異將對(duì)測(cè)量以及信號(hào)設(shè)備造成影響。地網(wǎng)電流變化對(duì)綜合自動(dòng)化設(shè)備的電磁干擾變電所采用綜合自動(dòng)化系統(tǒng)大量使用了以計(jì)算機(jī)和微處理機(jī)為基礎(chǔ)的微電子設(shè)備。這些設(shè)備比傳統(tǒng)的繼電保護(hù)方式更容易受到電磁場(chǎng)的干擾。地網(wǎng)電流變化時(shí)將產(chǎn)生電磁波，這些電磁波有可能干擾上述設(shè)備。四、高速鐵路的綜合接地減少接地網(wǎng)電勢(shì)差常用的方法有采用環(huán)網(wǎng)消除局部電位差。接地環(huán)網(wǎng)可以分為四個(gè)部分：主控室接地環(huán)網(wǎng)、高壓室接地環(huán)網(wǎng)、主變壓器接地環(huán)網(wǎng)、各接地環(huán)網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)線。各接地環(huán)網(wǎng)通過(guò)聯(lián)絡(luò)線與變電所的主接地網(wǎng)連接以減少各接地環(huán)網(wǎng)電位差，避免在各接地環(huán)網(wǎng)之間的二次電纜或通訊電纜屏蔽層中產(chǎn)生大電流燒壞這些設(shè)備。牽引變電所綜合接地四、高速鐵路的綜合接地當(dāng)設(shè)備與干擾源串聯(lián)時(shí)，各個(gè)設(shè)備接地電流在引線電阻上產(chǎn)生的電位疊加，A、B、C點(diǎn)間的電位差較大，該接地方式會(huì)增大A點(diǎn)干擾源的電壓信號(hào)，但在簡(jiǎn)單的接地系統(tǒng)中應(yīng)用仍然較多。

改變接地方式減少電磁干擾設(shè)備串聯(lián)接地方法示意圖牽引變電所綜合接地四、高速鐵路的綜合接地干擾源與設(shè)備間的地線是并聯(lián)時(shí)，各電路的地電位只與本電路的地電流、地線阻抗有關(guān)，B、C點(diǎn)間的電位差較小。通常情況下，A點(diǎn)離接地網(wǎng)越近，抗干擾效果越好。設(shè)備并聯(lián)接地方法示意圖四、高速鐵路的綜合接地牽引變電所綜合接地系統(tǒng)的組成方案四、高速鐵路的綜合接地上圖為一種牽引變電所綜合接地方案，圖中根據(jù)設(shè)備的不同用途以及地點(diǎn)位置設(shè)置了三個(gè)接地環(huán)網(wǎng)；一次設(shè)備與二次設(shè)備分別接于不同的接地環(huán)網(wǎng)中，回流電流單獨(dú)使用一個(gè)環(huán)網(wǎng)，強(qiáng)弱電設(shè)備分別設(shè)置接地母排并采用并聯(lián)接地方式。這樣不但可以減少同一個(gè)系統(tǒng)中不同設(shè)備接地點(diǎn)的電位差，還可以降低高壓設(shè)備以及電源對(duì)綜合自動(dòng)化裝置中通信和信號(hào)設(shè)備的電磁干擾，有效地解決了原來(lái)的接地系統(tǒng)中存在的問(wèn)題。四、高速鐵路的綜合接地CDEGS軟件CDEGS軟件是加拿大SES公司研制開發(fā)的分析軟件?？捎糜谶M(jìn)行接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析和電磁場(chǎng)干擾分析等方面的工作，目前已成為接地系統(tǒng)和電磁場(chǎng)干擾防護(hù)方面的通用軟件。CDEGS軟件主要組成（1）接地系統(tǒng)分析（2）電磁場(chǎng)干擾及防護(hù)仿真接地系統(tǒng)分析（1）土壤模型計(jì)算該模塊可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的電阻率-極間距數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算來(lái)決定一個(gè)等值的土壤結(jié)構(gòu)模型。為接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工提供準(zhǔn)確的土壤模型。接地系統(tǒng)分析（2）接地網(wǎng)分析

可對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)土壤里的金屬接地網(wǎng)接地電阻、電位分布和導(dǎo)體屏蔽等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。并可用于為HVAC和HVDC發(fā)電站、變電站接地網(wǎng)或輸電桿塔的分析和設(shè)計(jì)，或者為陰極保護(hù)裝置設(shè)計(jì)陽(yáng)極床。地網(wǎng)安全性分析接地系統(tǒng)分析（3）故障電流分布計(jì)算

可計(jì)算多終端傳輸/配電線路網(wǎng)絡(luò)的故障電流分布?？蓪?duì)輸電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，短路入地故障電流大小及其分布進(jìn)行計(jì)算。電磁場(chǎng)干擾及防護(hù)仿真

（1）線路參數(shù)計(jì)算計(jì)算線路的有關(guān)參數(shù)，如線路的電感、電容和導(dǎo)體導(dǎo)納等。計(jì)算線路的空間電磁場(chǎng)和電位。

磁感應(yīng)干擾和電容偶合干擾電磁場(chǎng)干擾及防護(hù)仿真

（2）電磁環(huán)境分析計(jì)算可分析和設(shè)計(jì)架空的交直流傳輸線路。

可迅速的估算線路參量、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電暈參量（如損耗、射頻噪聲、音頻噪聲等）

青藏線110kV輸電線路仿真分析青藏高原凍土地區(qū)土壤電阻率影響因素的研究天府廣場(chǎng)地鐵綜合接地系統(tǒng)研究HVDC輸電系統(tǒng)接地系統(tǒng)的研究4已開展的工作及成果青藏鐵路線路圖青藏線110kV輸電線路仿真分析

110kV輸電桿塔結(jié)構(gòu)示意圖避雷器安裝方式與耐雷水平的關(guān)系（全線安裝）避雷器安裝方式與耐雷水平的關(guān)系（單個(gè)桿塔安裝）避雷器安裝形式對(duì)耐雷水平的影響受雷塔接地電阻與避雷器放電電流