关于对高铁接触网防雷措施的分析研究

1、中南大学怀化函授站电气工程及其自动化专业毕业论文central south university 毕业论文论文题目 关于对高铁接触网防雷措施的分析研究 学生姓名 学 院 中南大学成教学院 专业班级 电气工程及其自动化 指导老师 完成时间 2014.5.1 i- -摘 要本论文主要对接触网雷害进行分析，重点是对高铁防雷措施进行阐述。接触网是电气化铁道系统必不可少的主要设施之一，特点是没有备用线路，发生任何事故，都将中断铁道运营。接触网线路长，穿越山陵旷野，遭受雷电袭击的机率大，容易受雷击导致电气设备损坏，尤其高铁设备大多都是在一些很空旷的场所单独建立一座高架桥，或者是位于高山、跨江大桥等地区，易

2、受到雷击。接触网没有避雷线，接触网上装有少量的避雷器，其工作接地直接接在钢轨上，或接入轨道电路的轭流变压器线圈中点。这样的简单方式对防止雷电过电压是不够的。电气化铁路以其牵引力大、速度快、能耗少、效率高、价格低、无污染等优点逐渐成为铁路运输的发展方向。接触网作为电气化铁路的重要组成部分，没有后备能力，如果防雷措施采用不当，可能引起绝缘子损坏造成线路跳闸，影响电气化铁路运输秩序。同时，雷击产生的侵入波过电压通过接触网传入牵引变电所，可能引起所内电气设备损坏，造成更大的事故。因此提高接触网的防雷性能、减少接触网雷击故障以提高电气化铁路运输安全和效率具有十分重要的意义。据武广高铁一项数据表明，每年发

3、生在高铁因雷击造成的跳闸都在30件以上，而且每次排查出来的结果基本都是腕臂瓷瓶、af线悬挂瓷瓶、供电线支持瓷瓶等等，普速线接触网也存在同样的问题，但是相比高铁没有那么严重。本文针对铁路电网结构及特点，研究雷电过电压及其保护措施，保证铁路电网的安全运行，减少雷击损失。这不仅对铁路运输具有重要的经济意义，也对加快社会物质流动和经济建设步伐具有重要的意义，也是工程实际中需要研究解决的热门课题。我国高铁建设速度加快，所经地区地理、气象、气候条件差别较大，情况复杂，如果接触网不设避雷线，易遭受雷击引起损坏。为保证接触网运行的高可靠性在分析德国、日本接触网防雷措施的基础上结合我国电气化铁道现状，提出接触网

4、系统防雷的改进建议。通过分析和理论计算，对客运专线接触网系统防雷进行研究。针对电气化铁道中部分线路遭受雷击较频繁的现状对武广高铁线接触网遭受雷击跳闸进行了统计分析，建议武广高铁线全线架设架空地线采用柱顶方式安装。在强雷区应增设置避雷线，对客运专线应切实做好避雷器和避雷线的接地，保障避雷设施正常运行。关键词：接触网；雷害分析；防雷措施目 录第一章 绪论11.1研究的意义11.2 国内外研究现状21.3 论文内容及安排3第二章 接触网防雷理论知识介绍12.1 电气化铁路接触网防雷因素分析12.3高速铁路接触网简介92.4接触网的地线11第三章 防雷技术与防雷设备163.1 避雷器技术介绍163.1

5、.2避雷器主要参数173.2 避雷器主要产品介绍183.2.2 高压电容器193.2.3铝电解避雷器203.2.4氧化锌避雷器213.2.5管型避雷器21第四章 接触网雷害分析研究294.1接触网遭受雷击的分析4.2接触网遭受雷击跳闸统计分析4.3接触网雷击跳闸的危害第五章 结论与展望355.1结论355.2展望36结束语39参考文献4045-第一章 绪论1.1研究的意义1.1.1 目前铁路防雷现状铁路是我国的主要交通干线，规划近期将建成铁道总里程80000km，其中电气化铁道20000km,占全国铁路营业总里程的24%，但电气化铁路承担运量占我国铁路总运量的1/3以上。在四大交通中，飞机造价

6、太高，汽车运力不足，轮船受地理条件限制，因此，铁道必将是国民经济发展的先行，高速、重载电气化铁道是铁路运输发展的方向。根据国家制定的战略发展规划，今后相当长的时期内将重点发展交通和能源。接触网是电气化铁道系统必不可少的主要设施之一，特点是没有备用线路，发生任何事故，都将中断铁道运营。接触网线路长，穿越山陵旷野，遭受雷电袭击的机率大，容易受雷击导致电气设备损坏。接触网没有避雷线，接触网上装有少量的避雷器，其工作接地直接接在钢轨上，或接入轨道电路的轭流变压器线圈中点。这样的简单方式对防止雷电过电压是不够的。例如：广州东至深圳段，全线80km（139正线公里，730条公里），1998年8月28日正式

7、开通运营后，每年雷电活动仅有5个月就多次发生雷击闪络、跳闸，接触网的钢筋混凝土支柱数十根发生电烧伤，支柱上小块混凝土炸裂，沿线电务信号设备多处发生击穿、烧损，严重地威胁到了铁路行车装备的安全。所以，必须对接触网的防雷保护状况给予高度重视，目的是减少雷电对接触网的危害，保证铁路电网安全运行。2004年4月18日，全国铁路迎来第五次大提速，如果不能很好的保证铁路电网的防雷安全，也就不能保证铁路交通的顺畅，提速也就无意义了。尤其高铁建设步伐不断加快，为满足快速增长的旅客运输需求，建立省会城市及大中城市间的快速客运通道，规划“四纵四横”等客运专线以及经济发达和人口稠密地区城际客运系统。到2020年，我

8、国将建设客运专线1.6万公里以上，但高铁防雷目前仍是一个较为难以解决的问题。接触网雷害分析及防雷措施是否得当对电气化铁路有一定的影响，希望通过对此课题的研究，自己能对这方面的知识有更深层次的了解。1.1.2 高铁防雷研究设想中国的电气化铁路采用了目前国际上普遍使用的先进的25kv单相工频交流制。其优点为：牵引供电系统的结构简单，牵引变电所损耗小、间距大、数目少，机车粘着性能和牵引性能良好，大大降低了建设投资和运营费用。电气化铁路接触网雷击事故亟待解决。随着社会以及经济的不断发展，电气化铁路为我国国民经济的发展发挥着巨大的作用。但是我国目前绝大部分，的接触网都裸露在自然环境中并且没有备用设备，由

9、于接触网是牵引供电系统的重要组成部分因此对其采用必要的措施，通常采用大气过电保护措施。由于我国地域辽阔、地形复杂并且雷电活动比较频繁剧烈，如果电气化铁路处于高、强雷地区接触网就会时常遭受到雷击，如果不对接触网进行防护或者防护措施不到位都会造成变电所跳闸、承力索被烧断以及接触网支柱被击毁等供电故障，不仅严重影响铁路的行车安全还给经济带来重大的损失，如果雷击产生的侵入波过电压传到牵引变电所，还有可能造成设备的损坏等更大的事故。根据牵引供电系统运营部门的数据分析，出现事故比较频繁的是开通的3.2万公里的电气化铁道中部分线路，特别是沿海地区及高架桥上的电气化线路更是雷击事故多发区，因此研究有效的接触网

10、防雷击措施对于预防雷击事件造成的损失有重大的意义。1.2 国内外研究现状1.2.1国外高速铁路防雷设计概况德国铁路防雷现状。德国铁路经实际测量表明，欧洲中部地区每100 km接触网在1年的时间内可能遭受1次雷电冲击。雷电对接触网的直接冲击会导致雷电冲击过电压，其在设计中考虑过采用过电压保护装置限制雷电过电压一般应用避雷器。同时他们也认为避雷器只能对过电压进行有限的保护一般只用于有频繁雷电存在的地段在其它区段，无论是从经济方面还是防护效益方面一般不考虑设置防雷装置，这也是我们在欧洲的电气化铁道中很少见到接触网避雷装置的原因。 日本铁路防雷现状。日本由于其特殊的地理条件和气象条件，在电气化铁道接触

11、网设计中根据雷击频度及线路重要程度，将国土的防雷等级划分为a、b、c区域并规定了相应的防雷措施（如表1.1）：a级区的雷害严重且线路重要，需要进行全面防雷保护、全线接触网架设架空避雷线，同时在牵引变电所出口、接触网隔离开关、电缆接头或连接处、架空地线终端设置避雷器，b级区雷害比较严重且线路重要，对部分特别需要的场所沿接触网架设架空避雷线，同时在牵引变电所出口、接触网隔离开关、电缆接头或连接处、架空地线终端设置避雷器，除a、b级以外的区域为c级区，一般在牵引变电所出口、接触网隔离开关、电缆接头或连接处设置避雷器。 表1.1 防雷等级划分为a、b、c区域划分表区域划分防雷措施架空避雷线避雷器设置位

12、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牵引变电所出口接触网隔离开关两侧架空线与电缆连接处架空线终端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以外的区域牵引变电所出口接触网隔离开关两侧架空线与电缆连接处国际接触网防雷研究现状。doug haluza的研究结果表明铁路传输系统特别容易遭受雷电袭击，造成信号、通信和电力系统设备的损坏。并认为雷电主要通过造成地电位升高从而损坏电气设备，而且认为接地状态不良是造成地电位过度升高的主要因素；瑞典n

13、elson theethayi等人研究了在铁路架空牵引系统中在多导线传输系统中关于导线高度和失地对雷击相互作用的影响以及铁路感应雷对电力系统变压器的影响。 dev paul主要研究在轻轨传输直流牵引供电系统过电压保护中选择避雷器参数的方法；1.2.1国内接触网防雷设计概况我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 10009-2005）和铁路防雷、电磁兼容及接地工程技术暂行规定（铁建设200739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

14、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：吸流变压器的原边应设避雷装置；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。强雷区设置独立避雷线，保护角为045。香港qi-bin和y. du等人初步研究了电气化铁路直流牵引供电系统的雷电过电压；何金良等人主要研究zno避雷器在交流铁路的应用，分析了避雷器的雷电冲击放电电流和避雷器吸收的冲击放电能量和避雷器的保护效果等；铁道部科学研究院机辆所夏宝哲等研究

15、了氧化锌避雷器的应用；铁一院刘长利等研究了高速铁路长大隧道内接触网安全防御措施；中铁电化集团于增针对几条电气化铁路的接触网设计，对雷电机理、耐雷水平等进行分析；1.3 论文内容及安排1.3.1 论文内容研究如何采取架空避雷线的方式提高高铁防雷性能。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2000m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

16、和避雷线的接地，保障避雷设施正常运行。（1） 重点介绍了接触网防雷研究意义，通过查阅大量文献资料，初步掌握接触网防雷设计方法，对目前国内外所采用的避雷器技术进行对比分析，尤其对间隙、磁吹间隙、高压电容器、铝电解避雷器、氧化锌避雷器、管型避雷器等避雷设备进行分析比较。（2） 本文阐述了接触网防雷理论与设计说明。主要对电气化铁路防雷现状、接触网防雷统计分析、累计跳闸的危害及建议进行了详细说明。（3） 本文对防雷装备与防雷设计进行了详细分析，对目前我国接触网防雷因素上进行了深刻分析，尤其在对防雷设计方面，结合了国内外目前所采用的先进防雷技术，大胆提出国内防雷设想。本次毕业设计就是以武广高铁、广深城际

17、为研究主线，介绍了普速接触网、高铁接触网的组成，对目前铁路防雷状况进行了详细分析。本课题要求：（1）了解铁路接触网防雷相关知识。（2）掌握接触网供电方式、目前采用的防雷方式。（3）了解接触网加装避雷线的原理。1.3.2 论文安排表1.2 论文安排阶段阶 段 内 容起止时间1查阅资料，了解相关知识13周2系统总体参数设计、计算47周3系统设计和分析812周4撰写、修改毕业设计论文1317周5准备及论文答辩18周第二章 接触网防雷理论知识介绍2.1 电气化铁路接触网防雷因素分析2.1.1接触网防雷保护现状目前我国电气化铁路接触网与电力系统输电线路的防雷保护比较，呈现以下几个特点:接触网无避雷线，不

18、能有效防止直击雷。接触网系统中的架空地线和架空回流线虽然有一定的防雷作用，但因其架设高度没有达到有效防止直击雷的高度，仅能起到部分防雷作用。个面具尖端放电原理，我们接触网上的承力索才是位置最高的带电设备，因此，雷电首先击中的就是承力索，所以回流线、架空地线基本无法起到避雷的作用。对于重雷区及超重雷区来说，铁路隧道内接触网对地空气间隙太小，规范规定困难值为240mm，其承受冲击放电电压为170kv，而雷击耐受水平仅11ka，超过雷电流概率为75%，与绝缘子不匹配。电气化铁道中成排的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。零散的接触

19、网支柱设置独立接地极。当架空回流线遭受雷击时，由于架空回流线的接地间距比较大，大部分情况下，雷击过电压将首先导致架空回流线的针式绝缘子闪络，然后击穿肩架与混凝土之间的保护层，经支柱泄入大地。2.1.2影响接触网防雷性能的因素输电线路防雷性能的优劣主要由耐雷水平及雷击跳闸率来衡量。线路的耐雷水平越高，线路绝缘发生闪络的机会就越小。电气化铁路牵引系统的绝缘、过电压保护和绝缘配合直接关系到接触网的防雷性能。随着我国电气化铁路里程数的不断增加，既有电气化铁路运营时间的增长，接触网系统将逐渐出现以下几个问题:我国铁路运输主要特点是客货混运，以货为主，加上铁路线上各类型机车混合牵引，机车内部排出的废气，列

20、车运行时形成的气流将散装货物和各种飘落在道床上的尘埃扬起，铁路线路使接触网绝缘子大量被污染。根据接触网结构特点和铁路运输组织，当绝缘子发生污染后，往往不能及时清洗，从而导致更严重的污染，尤其是铁路隧道中的绝缘子。铁道沿线的土壤电阻率普遍较高，因此制作低电阻地网十分困难，且投入很大。接触网支柱在使用常规方法做成地网后，其接地电阻大都随着时间的推移而不断增高，而且随着气候的变化而不断变化。2.1.3接触网防雷的薄弱环节随着高速、重载铁路的发展，铁路运输对于接触网的可靠性提出了越来越高的要求，接触网绝缘水平也逐渐提高。接触网绝缘爬距己提高到1200-1600mm，防污棒式绝缘子的雷电冲击耐受电压也达

21、到了300kv; 另一方面对于接触网系统，虽然其绝缘水平比较高，应用最多的耐污棒式绝缘子和复合悬式绝缘子串的雷电冲击耐受电压水平达到了300kv和270kv。但这样的绝缘水平只适用于铁路线路建成后比较短的一段时间，因为随着铁路运营时间的增长，绝缘子逐渐被污染，导致其绝缘水平不断下降。总的从冲击耐受电压角度来看，牵引变电所为牵引供电系统的薄弱环节，但实际上因其运行环境较好、保护措施设置完善，因而较接触网系统发生雷害的概率小。反之，因客观条件的限制，接触网绝缘子污染较为严重、支柱接地电阻较高等原因，接触网系统发生雷害的事故很多。2.2普速电气化铁路接触网介绍 2.2.1电力机车简介从防制到独立开发

22、，我国的电力机车已经形成了韶山车族电力机车，其牵引功率已达9000 kw，时速超250km/h,和谐号动车组成为客运专线主要运营车辆(图2.1)。图2.1 韶山车族电力机车目前京广高铁普遍采用crh3，8800kw，crh380a ，9600kw，crh380bl，18400kw,随着大功率动车组的上限运行，对供电质量要求也在不断提升（图2.2）。图2.2 crh380bl动车组受电弓以（68.69.8）n的接触压力紧贴接触线摩擦滑行，将电能引人机车（如图2.3所示）。 图2.3 电力机车受电弓2.2.2 接触网工作原理在铁路运输中，目前存在着三种主要牵引动力:蒸汽机车牵引、内燃机车牵引和电力

23、机车牵引。采用电力机车牵引列车运行的铁路称为电气化铁路。它和蒸汽、内燃机车牵引的铁路相比，增加了一套牵引供电系统，是电气化铁路设备上的主要特点，牵引供电系统主要包括牵引变电所和接触网两大部分。接触网是电气化铁路中主要供电装置之一，是沿铁路线上空架设，其功用是通过它与电力机车受电弓直接接触将电能传送给电力机车的一种特殊形式的输电线路，是一种无备用的户外供电装置，经常受冰、雨、雪、风等恶劣气候条件的影响，一旦损坏将中断行车，给铁路运输生产带来损失。所以，对接触网在设计方面和日常维护方面提出以下基本要求：(1)接触悬挂应弹性均匀，高度一致，在高速行车和恶劣气候条件下，能保证正常取流。(2)结构应力求

24、简单，并保证在施工和运营检修方面具有充分的可靠性和灵活性。(3)寿命应尽量长，具有足够的耐磨性和抗腐蚀能力。(4)应注意节约有色金属及其他贵重材料，以降低成本。(5)在日常维护时，按标准化作业程序，坚持标准化作业，严格按照设备m技术标准检修，严禁凭经验、臆测行事。(6)按铁道部接触网安全工作规程、接触网运行检修规程中的巡视周期、检修周期，定期进行巡视检修。对开展停电作业的，若天窗不能兑现，应按其检修周期进行测量，发现影响行车的设备，立即报段生产调度和供电调度，要点检修。在检修前，应做好临时安全措施并做好记录。2.2.3接触网的供电方式接触网是架设在铁路线上空向电力机车提供电能的特殊形式的输电线

25、路。电能由地方电力网输送到铁路牵引变电所后，经主变压器降压达到电力机车正常使用所需电压等级，再由馈电线将电能送至接触网。电力机车靠从接触网上获取电能以提供牵引动力，保证列车运行。目前，我国电气化铁道干线上牵引变电所牵引侧母线上的额定电压为275kv(自耦变压器供电方式为2275kv)，接触网的额定电压为25kv，最高电压为29kv。在供电距离较长时，电能在输电线路和接触网中产生电能损耗，使接触网末端电压降低。但接触网末端电压不应低于电力机车的最低工作电压20kv，系统在非正常运行情况(检修或事故)下，机车受电弓上的电压不得低于19kv，所以两牵引变电所之间的距离一般为4060km，具体间距需经

26、供电计算确定。电压从牵引变电所经馈电线送至接触网，流过电力机车，再经轨道回路和回流线，流回牵引变电所。应该指出：由于轨道和大地间是不绝缘的，在电力机车的电流流到轨道以后，并非全部电流都沿着轨道流回牵引变电所。实际上有部分电流进入大地，并在地中流回牵引变电所。这种由大地中流经的电流称地中电流(又称泄漏电流或杂散电流)。牵引变电所向接触网正常供电的方式有两种：单边供电和双边供电。如图2.4所示。图2.4 电气化铁道供电系统1发电厂；2区域变电所；3输电线；4分区亭；5牵引变电所6接触线；7轨道回路；8回流线；9电力机车；10供电线单边供电两个牵引变电所之间将接触网分成两个供电分区(又称供电臂)，正

27、常情况两相邻供电臂之间的接触网在电气上是绝缘的，每个供电分区只从一端牵引变电所获得电能的供电方式称为单边供电。单边供电时，相邻供电臂电气上独立，运行灵活；接触网发生故障时，只影响到本供电分区，故障范围小；牵引变电所馈线保护装置较简单。这是中国电气化铁道采用的主要形式，目前在建或已建成的高速铁路均在运用这种供电方式。双边供电若两个供电分区通过开关设备，在电路上连通，两个供电分区可同时从两个牵引变电所获得电能，这种供电方式称为双边供电。双边供电可提高接触网电压水平，减少电能损耗。但馈线及分区亭的保护及开关设备都教复杂，因此，目前采用较少。越区供电单边和双边供电为正常的供电方式，还有一种非正常供电方

28、式(也称事故供电方式)叫越区供电，如图2.5所示。图2.5 区域供电示意1故障牵引变电所；2越区供电分区由于越区供电的供电量大大伸长，如果列车运行数量相同的情况下，则延伸供电臂的末端电压就会大大降低，倘若低于电力机车允许最低工作电压时，将造成机车不能运行，这是不允许的。因此，越区供电只能保证客车或重要货车通过，是作为避免中断运输的临时性措施。在复线区段中，其供电情况与单线区段类同，只是牵引变电所有四回馈出线分别向两侧上、下行接触网供电。在同一侧，上、下行接触网供电相别相同，以便于上、下行实现并联供电，可提高接网末端电压。越区供电时，通过分区所内的开关设备来实现。复线区段供电示意如图2.6所示。

29、图2.6 复线区段供电示意图2.2.4牵引供电系统的供电方式我国电气化铁道采用单相工频25 kv交流制，由于单相大电流在线路周围空间产生较强电磁场，使邻近通信、广播设备等产生杂音干扰和感应电压。为减少电气化铁道对沿线通信设备的干扰，保障其设备、人身安全及正常工作，在牵引供电系统中采取了许多防干扰措施，形成了不同的牵引供电方式。目前我国的牵引供电方式主要有下列三种：直供加回流供电方式、bt供电方式和at供电方式。（1）直供加回流供电方式。首先重点介绍这种在普速铁路普遍使用的直供加回流供电方式。如图2.6所示。在近几年新建的电气化铁道区段，我国普遍采用一种称为直供加回流线的供电方式，它与直供、bt

30、供电方式不同的是在接触网支柱田野侧，架设一条回流线不设吸流变压器。每隔一定距离，通过吸上线将回流线与轨道扼流变压器中性点相连。扼流变压器起到平衡两条钢轨间电压，降低对信号轨道电路的影响。直供加回流线供电方式，其回流线不仅仅提供牵引电流通道，而且也起到了防干扰的作用，即回流线中的电流与接触网中的牵引电流大小相等方向相反，空间电磁场互相抵消。去掉了吸流变压器减小了牵引网阻抗，也减少投资和维修工作量，是目前经济技术指标比较好的一种供电方式。 （2）at供电方式。 at供电方式牵引变电所主接线向带有自耦变压器（at）供电方式牵引网供电的交流牵引变电所电气主接线。这种牵引变电所多数采用特殊结构的三相一两

31、相平衡变压器为主变压器，以减小单相不对称牵引负荷对电力系统负序电流的影响，实现降压和变相功能（参见三相两相接线平衡变压器），并以2 25 kv电压馈线向at牵引网供电。其主接线图见图2.7。 主接线特点 电源线进线为220 kv（或110kv）电压输电线，高压侧采用线路变压器接线形式，设有两组线路一变压器组，正常运行时一组工作、一组备用。当工作主变压器或电源进线故障时，由备用线路-变压器组借助于备用电源自投装置，自动转换取代原工作线路一主变压器组运行。按需要，高压侧也可在两组主变压器的断路器前面，连接带两组隔离开关的横向跨条（三相），以增加运行的灵活性。 图2.7 at牵引网供电主接线图 牵引

32、侧2 25 kv两相电压u，u间相位移为/2，且u=ue-j/2 ，由相应于斯科特（scott）接线主变压器高边绕组t和低边绕组m的次边取得，其引出线分别为tt，ft和tm，fm 连接至相应的两组带双极隔离开关分段的单母线系统（见图）,正常运行时两组隔离开关均合闸，仅在某段母线检修时将其断开。每段母线部设有电压互感器（pt）,以便某段母线检修或故障而停电时，不至中断对测量表计和继电保护电压回路的供电.从u，u相的两段牵引母线各馈出两回路馈线t，f（正馈线）和t，n，f，分别向复线牵引网左、右两次侧供电区上、下行线路供电。在两回路馈线断路器之间，设有备用断路器rq，通过相关隔离开关的转换操作，可

33、使rq代替任一馈线断路器工作。此外，每相母线还连接有并联无功补偿装置pc。因斯科特（scott）接线主变压器次边绕组不能连获得与地电连接（通过火花间隙）的中性点n，故在每路馈线t，f的断路器后面设置一台自耦变压器（at）、其容量与线路牵引网所设at容量相同.使列车在邻近牵引变电所的at段（约10 km）内运行时，仍能产生吸流效应。若主变压器次边绕组具有可以接地运行的中性点或变压器内部带有自耦变压器及输出端子,则可不另设at。 带三相一两相平衡主变压器的牵引变电所，为使其交流自用电系统获得三相电源，普遍采反变换的斯科特接线（两阳一三相式）自用电变压器，连接在主变压器次边，见上图。 （3）bt供电

34、方式。吸流变压器（bt）供电方式一种可显著降低交流牵引网对平行接近架空通信线路危险电压和杂音干扰电动势的供电方式。图2.8为这种供电方式的原理结线。在牵引网中串联接入一定数量变比为1:1 的吸流变压器，其一次绕组串联接入接触网中，二次绕组则串联接在专门架设的“回流线”中，在两相邻吸流变压器间，将回流线与钢轨作一次并联连接，在回流线的首、未两端也分别与钢轨连通。借助吸流变压器一、二次绕组间的互感作用，将直接供电方式时流经钢轨和大地的回流全部吸人回流线中，使接触网和回流线的电流达到完全平衡，减轻了对通信线的电磁感应影响。图2.8 bt供电方式原理结线图h回流线；t接触网；r钢轨；ss牵引变电所；b

35、t吸流变压器。bt牵引网阻抗与机车至牵引变电所的长度不是简单的线性关系。随着机车取流位置的不同，牵引网内的电流分布可有很大不同，例如图2.9中当机车位于供电臂内第一台bt前方（a）时，牵引负荷未通过吸流变压器一次绕组，其二次绕组没有电流流通，因此牵引网接直接供电方式运行，到达b处后，吸流变压器一次绕组有牵引电流流过，牵引回流被迫由钢轨逆行至远离电源侧的吸上线进入回流线，再经吸流变压器二次绕组返回牵引变电所，使牵引网阻抗大增。图2.9的曲线3是机车由牵引变电所出发在不同位置时的牵引网总阻抗。图中曲线2是bt供电方式长回路牵引网阻抗，即牵引负荷全程流经接触网和回流线时的阻抗，相当于机车位于吸上线处

36、的牵引网阻抗。图2.9 bt供电方式牵引网阻抗图2.2.5供电示意图接触网供电示意图是将管辖内的主要设备及其安装位置等信息记录起来。当某个区段发生事故时，维修班组能从中快速找出事故地点及相应的设备，有助于快速掌握事故的基本情况，结合竣工图纸又能快速找出事故所需备料，为抢修增加时间。下图为乐昌站附近的一份局部供电示意图。图2.10 供电示意图2.2.6接触网的组成 图2.11 接触网组成接触悬挂：包括接触线、吊弦、承力索以及连接零件。接触悬挂应满足以下要求：接触悬挂的弹性应尽量均匀。接触线对轨面的高度应尽量相等。接触悬挂在受电弓压力及风力作用下应有良好的稳定性。接触悬挂的结构及零部件应力求轻巧简

37、单，做到标准化。另外，要结合国情尽量节省有色金属及钢材，降低造价。支持装置：用以支持接触悬挂，并将其负荷传给支柱或其它建筑物。支持装置包括腕臂、水平拉杆、悬式绝缘子串，棒式绝缘子及其它建筑物的特殊支持设备。定位装置：包括定位管和定位器。功用是固定接触线的位置，使接触线在受电弓滑板运行轨迹范围内，保证接触线与受电弓不脱离，并将接触线的水平负荷传给支柱。支柱与基础：用以承受接触悬挂、支持和定位装置的全部负荷，并将接触悬挂固定在规定的位置和高度上。2.3高速铁路接触网简介高速铁路接触网，是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的输电线路，高铁列车运行所依赖的电流就是通过机车上端的接触网来输送的。接触网一旦

38、停电，或列车受电弓与接触网接触不良，对列车的供电便产生影响。2.3.1结构组成。高速铁路接触网是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的特殊形式的输电线路.2.3.2线路。其由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基础几部分组成。接触悬挂包括接触线、吊弦、承力索以及连接零件。接触悬挂通过支持装置架设在支柱上，其功用是将从牵引变电所获得的电能输送给电力机车。支持装置用以支持接触悬挂，并将其负荷传给支柱或其它建筑物。根据高速铁路接触网所在区间、站场和大型建筑物而有所不同。支持装置包括腕臂、水平拉杆、悬式绝缘子串，棒式绝缘子及其它建筑物的特殊支持设备。定位装置包括定位管和定位器，其功用是固定接触线的位置，使

39、接触线在受电弓滑板运行轨迹范围内，保证接触线与受电弓不脱离，并将接触线的水平负荷传给支柱。支柱与基础用以承受接触悬挂、支持和定位装置的全部负荷，并将接触悬挂固定在规定的位置和高度上。中国接触网中采用预应力钢筋混凝土支柱和钢柱，基础是对钢支柱而言的，即钢支柱固定在下面的钢筋混凝土制成的基础上，由基础承受支柱传给的全部负荷，并保证支柱的稳定性。预应力钢筋混凝土支柱与基础制成一个整体，下端直接埋入地下。2.3.3电压等级接触网的电压等级：工频单相交流制：25kv因电阻因素.实际电压为27.5kv.2.3.4供电方式接触网供电方式有单边、双边供电和越区供电。单边和双边供电为正常的供电方式。（1）单边供

40、电：供电臂只从一端的变电所取得电流的供电方式。（2）双边供电：供电臂从两端相邻的变电所取得电流的供电方式。越区供电是一种非正常供电方式（也称事故供电方式）。越区供电是当某一牵引变电所因故障不能正常供电时，故障变电所担负的供电臂，经开关设备成分区亭同相邻的供电臂接通，由相邻牵引变电所进行临时供电。复线区段的供电情况与上述类同，但牵引变电所馈出线有四条，分别向两侧上、下行接触网供电。牵引变电所同一侧上、下行实现并联供电，提高供电臂末端电压。越区供电时，通过分区亭内的开关设备去实现。2.3.5悬挂类型。接触网的分类大多以接触悬挂的类型来区分。人们所讲的接触悬挂的分类是对接触网的每个锚段而言的。接触悬

41、挂的种类较多，一般根据其结构的不同分成简单接触悬挂和链形接触悬挂两大类。简单接触悬挂（以下简称简单悬挂）系由一根接触线直接固定在支柱支持装置上的悬挂形式。国内外对简单悬挂做了不少研究和改进。我国现采用的带补偿装置的弹性简单悬挂系在接触线下锚处装设了张力补偿装置，以调节张力和弛度的变化。在悬挂点上加装816m长的弹性吊索，通过弹性吊索悬挂接触线，这就减少了悬挂点处产生的硬点，改善了取流条件。另外跨距适当缩小，增大接触线的张力去改善弛度对取流的影响。链形悬挂的接触线是通过吊弦悬挂在承力索上。承力索悬挂于支柱的支持装置上，使接触线在不增加支柱的情况下增加了悬挂点，利用调整吊弦长度，使接触线在整个跨距

42、内对轨面的距离保持一致。链形悬挂减小了接触线在跨距中间的弛度，改善了弹性，增加了悬挂重量，提高了稳定性，可以满足电力机车高速运行取流的要求。链形悬挂比简单悬挂得到了较好的性能，但也带来了结构复杂、造价高、施工和维修任务量大等许多问题。链形悬挂分类方法较多，按悬挂链数的多少可分为单链形，双链形和多链形（又称三链形）。中国采用单链形悬挂。链形悬挂根据线索的锚定方式（即线索两端下锚的方式），可分为下列几种方式未补偿链形悬挂、半补偿链形悬挂、全补偿链形悬挂。2.3.6特点及要求。接触网担负着把从牵引变电所获得的电能直接输送给电力机车使用的重要任务。因此接触网的质量和工作状态将直接影响着电气化铁道的运输

43、能力。由于接触网是露天设置，没有备用，线路上的负荷又是随着电力机车的运行而沿接触线移动和变化的，对接触网提出以下要求：（1）在高速运行和恶劣的气候条件下，能保证电力机车正常取流，要求接触网在机械结构上具有稳定性和足够的弹性。（2）接触网设备及零件要有互换性，应具有足够的耐磨性和抗腐蚀能力并尽量廷长设备的使用年限。（3）要求接触网对地绝缘好，安全可靠。（4）设备结构尽量简单，便于施工，有利于运营及维修。在事故情况下，便于抢修和迅速恢复送电。（5）尽可能地降低成本，特别要注意节约有色金属及钢材。2.12 受电弓动态包络线总的来说，要求接触网无论在任何条件下，都能保证良好地供给电力机车电能，保证电力

44、机车在线路上安全，确保弓王网关系良好，接触线始终处于受电弓动态包络线内（如图2.12），高速运行，并在符合上述要求的情况下，尽可能地节省投资、结构合理、维修简便、便于新技术的应用。2.3.7 安全问题。在高铁的整个系统中，接触网是最容易出现问题的环节。接触网是高铁的牵引供电系统，从铁路上方架设的接触网上取得高压电流，从而获得持续充足的动力。柔性的接触网，最易受到外力的影响发生位移，在遭到雷击后发生短路时，列车断电停车可能性很大。2011年7月10日京沪高铁发生供电设备故障，接下来的三天内，高铁列车又连续“抛锚”途中。高密度的事故让京沪高铁一时间陷入质疑声中。供电系统作为高铁停车的故障主因更是成

45、为众矢之的。2.4接触网的地线2.4.1地线的作用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，变电所保护装置会立即反映事故状态，迅速切断电路。2.4.2地线的装设及要求根据供电设计规范的规定：接地装置可接钢轨，在采用轨道电路的区段，接地装置可采用集中接地或单独接地；直接接至扼流变压器线圈中点或串接火花间隙后接至钢轨。目前大部分地线是通过火花间隙接钢轨，以免对信号轨道电路发生干扰。目前高速铁路采用的是综合接地系统，就是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、站台、桥梁、

46、隧道、声屏障等需要接地的装置通过贯通地线连成一体的接地系统。同时该贯通地线也是牵引回流的一个主要回路，从原理上来说，其实就是一个共用接地系统并通过等电位连接构成铁路的一个等电位体。2.4.3综合接地优点。在牵引供电系统出现设备闪络故障时，综合接地系统应能为其提供可靠迅速的闪络保护通道，使故障电流能快速切断，形成消除危险电位的持续的泄流通道，以达到上述接触电压和轨道电位的要求。通常而言at供电方式下，轨道贯通地线、pw线是构成牵引回流的并联回路，若忽略其它局部的接入物并联回路，则我们完全可就截流集面及钢铝铜的电流密度在忽略电容互感效应的条件下，粗略计算其载流分配（图2.13、表2.1）。图2.1

47、3 at供电方式原理图 表2.1 载流分配表2.4.5综合接地系统(1)综合接地介绍高速铁路综合接地系统就是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、站台、桥梁、隧道、声屏障等需要接地的装置通过贯通地线连成一体的接地系统。同时该贯通地线也是牵引回流的一个主要回路，从原理上来说，其实就是一个共用接地系统并通过等电位连接构成铁路的一个等电位体。充分集成了构筑物如：桥梁、隧道、接触网基础、建筑物等自然接地体作为综合接地一部分。另外从电磁兼容及绝缘配合方面来看，正逐步地向国院标准方面靠拢。为此，铁道部也出了相关的技术政策，如220号39号文等，对工程实

48、施作了相关的规定，目前已在全国铁路建设中推广。本人亲历了从设计、施工、监理、咨询的各个环节，就工程实践中所出现的一些问题向读者谈谈自己的看法，供同行参考。(2)电磁兼容与绝缘配合是综合接地的关键.弱电系统希望轨道对地具有高阻抗性，以保证其传输电路的灵敏性和可靠性，牵引供电系统又需要在高速大电流牵引条件下轨道对地具有低阻态，以确保钢轨电位满足在标准值之下。这里列举en50122-1之标准（表1），目的是确保设备运行及人员安全，强弱电系统均无法避免共用钢轨系统，故电磁兼容与绝缘配合是综合接地系统的关键。(3)这里就提出了客运专线想在道床高阻条件下，机车通过时要求信号扼流变压器线圈的容流能力必须大于

49、1000a，同时当满足贯通地线接地电阻为290年，即提高防雷可靠性310倍。我们将电力部门近千个微波站全国指标mtbf60年提高到200500年的微波站过电压保护柜，措施之一是11变压器。近年，国外公司在电力、电子保护环节中所用的解耦(退耦)元件并非新物，就是一个电感线圈。裸导线510m长的电感有时也相当解耦元件。 图3.3 防雷吸波器t变压器；s水电阻器或导体电阻器；l电抗线圈；c1、c2电容器 3.2.3铝电解避雷器1907年在美国出现了铝电解避雷器，利用它在不同电压下能通过或阀截电流的特性遮断工频续流，它曾用于100kv高压电网。1922年美国西屋公司(wh)制出了自动阀型避雷器。192

50、9年美国通用电力公司(ge)制出契利特阀型避雷器，使系统雷击损坏率下降90。阀型避雷器通过雷电流能力的发展情况如下(多数用8/20s后试验，通过20次，且残压变化不大于10)。11 表3.1 阀型避雷器通过雷电流能力的发展情况1982193419351937（年）300300010000100000（a） 后者系4/10s波形2次，100ka及以上。50年代初，磁吹避雷器问世，它兼能防护雷电过电压和内过电压，这是避雷器发展的一个转折点。因为直到今天，即使在220/380v低压配电网中的过电压保护器也要求对操作过电压波(semp)具有防护能力。其2ms方波或工频续流通流能力从开始的150a，发展

51、到80年代初的1500a左右，我国高压避雷器的2ms方波通波能力发展情况如下。表3.2 高压避雷器的2ms方波通波能力发展情况19641972197719801982(年)400800100012001500（a） 现在保护220/380v电源的过电压保护器应具有semp的防护能力，其主要判据是2ms方波的通波能力。当然，还有待定出mov的耐受电流标准值。 3.2.4氧化锌避雷器图2-6 氧化锌避雷器1968年日本大阪松下电气公司研制出了新一代“无间隙避雷器”，即氧化锌避雷器（如右图），开始应用于电子工业。这是一种利用金属氧化物对电压敏感特性来吸收交、直流电路中雷电过电压和操作过电压，以保护电

52、力、电子器件的装置。开始主要用于产生电火花的电触点，用来吸收暂态电压能量。1976年，迅速向高电压电网发展，日本首先制成84kv级耐污型无间隙避雷器，到80年代初已制出275kv和500kv级超高压避雷器。由于开始时造价较高，而性能又大有改进，故其发展和使用在很长一段时间主要用于超高压电网，而且各国多是从超高压使用，待价格下降后才逐步用于较低电压电网。因为前者残压每降低8左右，可使设备的绝缘水平降低一级(68)，相应的设备造价可下降46。这对几百万元、上千万元一台的超高压电力设备，采用mov具有很大经济意义，即使一组mov价值数十万元也是值得的。1972年，我国武汉市一个小厂生产出我国第一批氧

53、化锌压敏元件，属于世界上少数几个继日本之后能制造mov的国家之一。mov在我国的应用也是从高电压向低电压发展的模式。例如，80年代初，华北500kv超高压电网首先从瑞典asea公司引进500kv mov，同期机械工业部同水利电力部共同观察、分析、谈判后决定，西安电瓷厂和抚顺电瓷厂分别从美国ge和日本日立公司引进生产专利，不久即造出接近世界水平的500kv mov。80年代中后期，先后在330kv、220kv、110kv等电网应用国产mov。80年代后期，又在10kv和低压220/380v配电网普遍采用氧化锌避雷器，效果良好。 3.2.5管型避雷器1927年，美国一些线路开始采用在管内产生非游离

54、气体以遮断续流的管型避雷器。续流在1.53.5个周波内熄灭电弧。80年代初，我国又制成一种无续流管型避雷器，并在高压电力系统试用。后因用量太少，生产厂效益不佳，陆续被阀型避雷器所代替。 （1）避雷带、避雷网、避雷线和耦合地线如前所述，1750年，富兰克林提出以针尖放出电荷缓慢中和雷云中的电荷的避雷针用来防雷。后来的实践证明，它不能“避雷”，而是将雷引向自身来保护其周围的设备。随着俄国罗蒙诺索夫在重复了富兰克林的著名风筝试验之后，于1753年发表的论文关于因电力而产生的大气现象的发言中也对此作了重要论证。避雷针的实际应用，必须解决的是它的保护范围问题。这是在试验室和实际应用中多年逐步定量化的，而

55、且其精确性已基本满足了工程设计的需要。正是各国高压输电和电力系统的发展推动了这一科研工作的前进。19251926年，peek第一个在实验室内利用冲击电压发生器造成“人工雷”对避雷针模型放电，研究保护范围保护系数与雷云高度对针高之比(h/h)的关系，并研究了雷云极性对保护系数的影响。（2）自动重合闸装置(ab)和备用电源合闸装置(abp)20年代中期，美国still提出，利用断路器重合闸消除瞬时短路包括雷击引起电力线路短路跳闸来保证电力供应，到30年代各国已广泛采用。后来又发展二次重合闸、单相重合闸以及单相与三相综合重合闸。我国于1950年夏，在鸡西电业局安装苏联提供的35kv开关，这可能是我国

56、第一批带重合闸的少油开关，随后写出鸡西发电厂和电业局全面改造继电保护，推广自动重合闸及备用电源自动合闸(分别称ab和abp)的设计书，后来成为专著出版。很有趣，这项普遍应用于35500kv输电系统的技术现在不仅应用于10kv电网，而且也有时应用于重要的220/380v供电，如铁路信号电源(像北京铁路局)，应用此项技术和备用电源自动合闸装置也大大减少了雷击停电事故。高压线路雷击跳闸故障，重合闸能在几分之一秒重合，成功率达85左右，即将事故减少到15左右。重要通信台(站)的电源也可考虑采用此措施。一些军用台(站)即采用备用电源合闸装置。（3）电磁兼容(emc) 电力线和电信线发展初期，虽然两者难免

57、互相交*和平行接近，但因电力线电压低、电流小，一般是各行其道，相安无事。电力系统大发展之后，才产生干扰影响，出现电磁兼容问题。 研究科技史文献可知，早期电力工程、电信工程著作，防雷问题几乎不予涉及，因为当时防雷的重要性，包括它的危害程度，因工程规模小而未引人注目。例如，singer.holmyard,hall williams主编著名的科技史宏篇巨著“a history of technology”，oxford at the clearendon press，1958，以及国内电工史专著，对于电工发展前期的防雷也是或不涉及，或语焉不详。从避雷针到出现简单间隙、电容、线圈，经过了漫长的158年

58、。到制出原始型避雷器，又经过了10年。这绝非因为人类智慧贫因，而是电力工业的发展，才有了防雷的需要。防雷和过电压保护装置的出现，与输电电压等级相关图(如图3.4所示)充分说明了这一问题。直到出现几千万和上亿千瓦的联合电力系统(如华北500kv网架连接的系统装机容量已近4000万千瓦)，其一次雷击足以导致大地区的灾难，如美国有名的纽约大停电，才迫使人们利用几千万元的高压试验设备进行不断的研究，使防雷系统日臻完善。与此相似，正是由于早期室内只有电灯和马达这类电器，其防雷要求不高，建筑物防雷独特之处不多。近年电子设备的广泛应用，而且多数装在户内，才使建筑物防雷逐渐引起人们的重视，其防雷理论和防雷手段

59、才与日俱增。又如，iec自1934年成立，到现在先后共成立80多个技术委员会(tc)，以制订电力、电子、电信用大量标准。主要是80年代末、90年代初，tc81等委员会才开始系统地提出一系列建筑物防雷标准，因为当一建筑物内的微电子元件、电子设备的雷害，影响人们生活和国民经济日趋严重时，这一课题才受到重视。 图3.4电网输电电压的增长以及过电压保护装置出现的时期注：1避雷针；2间隙、磁吹导雷器(间隙)；3铝、铅电解避雷器，电感线圈，电容器，中性点直接接地；4接地的避雷线；5消弧线圈；6自动阀型避雷器，管型、丸型避雷器，自动重合闸；7契利特阀型避雷器；8断路器并联电阻，超高压并联电抗器；9磁吹避雷器

60、；10电磁式电压互感器，限压饱和电抗器，并联电抗器；11火花控制电抗器；12无间隙避雷器；13消雷器(电离锥体)；14同步断路器；15可控电抗器，静止补偿器，多柱避雷器3.3 目前接触网上采用的避雷器3.3.1管型避雷器（1）管型避雷器的结构。由内部间隙、外部间隙和发生气体的管子组成。外部间隙由两个针尖相对的极棒构成；内部间隙在管子里，由一个棒形电极和一个环形电极组成，管子是用棉花纤维制成的元棉纸加氯化锌胶液粘制成的，它一端封闭，另一端开有管口。（2）管型避雷器的安装。注意管子应垂直安设，管口朝下，防止雨水进入管内，并不得有杂物堵塞管口；外部间隙两极棒应水平放置，针尖相对，间隙调节至120mm,