高速铁路防雷及综合接地技术(两次课版)

高速铁路防雷及综合接地技术(两次课版)第一页，共149页。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第二页，共149页。1、雷电的起源及主要参数第三页，共149页。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、雷电的产生第四页，共149页。1、大自然中的雷电活动第五页，共149页。1、大自然中的雷电活动第六页，共149页。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第七页，共149页。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、雷云的产生第八页，共149页。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、雷云的产生第九页，共149页。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、雷云的产生第十页，共149页。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、雷电的产生第十一页，共149页。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3~200m平均速度约1.5

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cm/s间隙时间约30~125us每一级的推进速度约5

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cm/s通道直径约1~10m每一级的击穿方向是不确定的折线3、雷电的产生第十二页，共149页。闪电通道：

流注先导不断地向地面发展，从而形成多枝状的充满负电荷（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、雷电的产生第十三页，共149页。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10kA。回击速度约2

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~2

1010

cm/s回击通道直径约0.1~0.23cm回击通道温度可达100000C回击时间约60us3、雷电的产生第十四页，共149页。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第十五页，共149页。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

第十六页，共149页。链珠状闪电

球状闪电

第十七页，共149页。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，称之为负地闪；少数是正电荷从雷雨云向大地放电，称之正地闪。空间位置（性质）晴天放电雷云闪电云内闪电云际闪电云地闪电第十八页，共149页。第十九页，共149页。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第二十页，共149页。雷电流标准波形第二十一页，共149页。正极性雷电流波形负极性雷电流波形第二十二页，共149页。2）标准波形

[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5.5μs，有的是7μs。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。第二十三页，共149页。3）雷电流幅值

通常定义雷电流为雷击于低阻接地电阻(Ri≤30Ω)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，雷电流幅值超过的概率可按下式计算第二十四页，共149页。波前陡度的最大极限值一般可取50kA/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1～4us的范围内，平均为2.6us。波长T2

处于20～100us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)第二十五页，共149页。

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）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第二十六页，共149页。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：

T~>90的地区叫做强雷区

T≥40的地区为多雷区

15≤T≤40的地区为中雷区

T≤15的地区为少雷区海口市平均年雷暴日105天，属强雷区。第二十七页，共149页。我国一些重要城市的年平均雷暴日

地名雷暴日数（d/a）地名雷暴日数（d/a）地名雷暴日数（d/a）地名雷暴日数（d/a）北京市36.3苏州市28.1郑州市21.4自贡市37.6天津市29.3南通市35.6洛阳市24.8贵阳市49.4上海市28.4徐州市29.4三门峡市24.3遵义市53.3重庆市36.0杭州市37.6武汉市34.2昆明市63.4石家庄市31.2宁波市40.0宜昌市44.6拉萨市68.9太原市34.5温州市51.0长沙市46.6西安市15.6呼和浩特市36.1合肥市30.1衡阳市55.1兰州市23.6包头市34.7蚌阜市31.4广州市76.1汉中市31.4沈阳市26.9安庆市44.3深圳市73.9西宁市31.7大连市19.2福州市53.0湛江市94.6银川市18.3长春市35.2厦门市47.4南宁市84.6乌鲁木齐市9.3吉林市40.5南昌市56.4柳州市67.3海口市104.3哈尔滨市27.7济南市25.4桂林市78.2琼中115.5南京市32.6青岛市20.8北海市83.1香港34.0常州市35.7烟台市23.2成都市34.0台北市27.9第二十八页，共149页。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。第二十九页，共149页。

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。第三十页，共149页。

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；第三十一页，共149页。我国过电压保护规程取地面落雷密度为：

Ng=0.015/k㎡d

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/k㎡d0.1/k㎡d。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。第三十二页，共149页。2、雷电对高速铁路的危害第三十三页，共149页。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。第三十四页，共149页。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。第三十五页，共149页。2.3变电所雷击类型直击雷传输雷地电位反击第三十六页，共149页。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。第三十七页，共149页。3、防雷措施的种类及作用第三十八页，共149页。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构成如图所示。第三十九页，共149页。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。第四十页，共149页。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接闪器的作用第四十一页，共149页。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第四十二页，共149页。3.3.2避雷线在接触网防雷中的作用第四十三页，共149页。3.4避雷器的发展史第四十四页，共149页。3.4.1氧化锌避雷器工作原理第四十五页，共149页。3.4.2避雷器的工作原理及失效机理第四十六页，共149页。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。3.4.3避雷器在防雷中的应用第四十七页，共149页。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30Ω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。第四十八页，共149页。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欧姆第四十九页，共149页。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第五十页，共149页。3.5.1接地网的作用第五十一页，共149页。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5Ω增加到30Ω时，线路耐雷水平从35kA降低到11kA，第五十二页，共149页。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第五十三页，共149页。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第五十四页，共149页。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。第五十五页，共149页。3.7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较为复杂。第五十六页，共149页。4、高速铁路防雷研究的发展第五十七页，共149页。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4.1日本接触网防雷措施的构成第五十八页，共149页。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30Ω以下第五十九页，共149页。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

10Ω以下第六十页，共149页。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。

4.2国内接触网防雷现状第六十一页，共149页。了解接触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。4.3接触网防雷技术的研究第六十二页，共149页。4.4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。第六十三页，共149页。4.4.1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。第六十四页，共149页。4.4.2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。第六十五页，共149页。4.4.3线路沿线雷电活动分析第六十六页，共149页。4.5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。第六十七页，共149页。4.5.1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。第六十八页，共149页。4.5.2地形屏蔽作用的评估第六十九页，共149页。4.6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。第七十页，共149页。5、综合接地技术第七十一页，共149页。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。5.1综合接地的起源计算机房综合接地第七十二页，共149页。5.2地铁综合接地系统地铁综合接地系统与其它地下设备的关系地铁综合接地系统的作用第七十三页，共149页。钢轨作为回流导体承载着牵引回流。牵引变电所回流线受电弓牵引网接触线钢轨吸上线绝缘垫板路基5.3牵引变电所综合接地的特点第七十四页，共149页。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。…5.4钢轨对地电位的形成第七十五页，共149页。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5.5高速铁路对钢轨电位的影响第七十六页，共149页。

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，钢轨电位会更高！第七十七页，共149页。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ABC接触网上行轨下行轨接触网ABC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5.6降低钢轨电位的措施第七十八页，共149页。直供方式+回流线降45%带回流线直供方式AT降30%（2）改变供电方式第七十九页，共149页。（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。第八十页，共149页。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；5.7牵引变电所综合接地的特点第八十一页，共149页。（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。5.8综合接地设计的基本原则第八十二页，共149页。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。5.8.1桥梁综合接地系统第八十三页，共149页。综合地线连接方式连接结构局部放大图第八十四页，共149页。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；贯通地线5.8.2隧道综合接地系统第八十五页，共149页。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1000m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500～1000m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；5.8.3路基综合接地系统第八十六页，共149页。返回综合贯通地线第八十七页，共149页。牵引电流分配比例遂渝线：牵引回流钢轨回流线综合地线大地分配比35～40％25～30％20～25％15～20％5.9综合接地的效果分析第八十八页，共149页。综合地线接地阻抗序号所处区段接地阻抗备注1DK131+709～DK132+5600.52张家院子中桥至湾里头隧道湾里头隧道至二岩隧道2