《城市轨道交通电气设备测试（第2版）》 课件5.1雷电种类及城轨避雷保护

《城轨防雷装置》雷电种类及城轨避雷保护目录01城轨避雷线防护效果02避雷线防护03城轨架空地线设置04城轨避雷线防护效果01城轨避雷线防护效果城轨避雷线防护效果城轨避雷线防护效果1.1直击雷

直击雷是云层与地面凸出物之间的放电形成的，直击雷过电压可达到数千甚至数万千伏，其电流可达数百kA，往往造成停电和设备损坏等重大事故，严重威胁供电系统的安全，巨大的雷电流流入地下，在雷击点连接的金属部分产生极高的对地电压，可能直接导致接触电压或跨步电压的触电事故，直击雷可在瞬间造成人员伤亡。城轨避雷线防护效果1.2感应雷

雷电感应分为静电感应和电磁感应两种。静电感应是由于雷云接近地面，在地面凸出物顶部感应出大量异性电荷，放电后凸出物顶部的电荷失去束缚，以雷电波形式沿突出物极快地传播。电磁感应是由于雷击后，巨大雷电流在周围空间产生迅速变化的强大磁场所致。这种磁场能在附近的金属导体上感应出很高的电压，造成对人体的二次放电，从而损坏电气设备。感应雷过电压虽然较直击雷过电压低，但其值亦达300～400

kV，这对设计绝缘冲击闪络电压为75

kV的10

kV变电所仍然是一个很大的威胁。城轨避雷线防护效果1.3雷电侵入波

雷电冲击波是由于雷击在架空线路上或金属管道上，产生冲击电压沿线路迅速传播的雷电波。雷电可毁坏电气设备的绝缘，使高压窜入低压，造成严重的触电事故。例如，雷雨天室内电气设备突然爆炸起火或损坏，人在屋内使用电器或打电话时突然遭电击身亡都属于这类事故。城轨避雷线防护效果1.4球形雷

球形雷是一种球形、发光的火球，运动速度大约为2

m/s。球形雷能从门、窗、烟囱等通道侵入室内，尤其对油库等场所，是极其危险的爆炸源。

不管雷电直接雷击高架线路，还是雷击线路附近产生的感应过电压，都可能引起线路绝缘子的闪络，使供电系统发生损坏，甚至瘫痪。防雷设计要根据当地气象资料，确定当地的雷电活动情况，根据保护对象要求，确定防雷等级，再根据所需防雷等级，制定防雷措施。

高压输电线遭受雷击的事故主要与四个因素有关：线路绝缘子的50%放电电压、有无架空地线、雷电流强度、杆塔的接地电阻。02避雷线防护避雷线防护2.1城轨防雷系统设计

城轨防雷以防直击雷为主。城轨采用架空地线兼作雷电防护作用时，架空地线应可靠接地，使雷电流就近泄入大地，以减少雷电过电压作用范围。但由于城轨供电系统是以架空接触网为正极、机车走行的钢轨为负极的不直接接地系统，所以从杂散电流防护角度上，要求架空地线不能直接接地。避雷线防护2.2防雷策略差异

为了避免杂散电流泄漏入大地对系统以外设施形成电流腐蚀，城轨工程要求高架桥桥梁和敷设钢轨的道床可靠连接并与大地电气隔离，构成杂散电流收集网，杂散电流经引线汇集至牵引变电所集中收集。由于接触网安装用的钢支柱与桥梁钢筋是可靠连接的，如果架空地线直接接地，则杂散电流将通过钢柱、架空地线、接地极泄漏，造成杂散电流就近入地。所以城轨防雷与铁路防雷的处理方式不同。避雷线防护2.3接触网避雷措施

城轨高架段接触网沿线架设架空地线，且架空地线通过金属抱箍与接触网下锚底座、支持装置等共支柱安装，架空地线在两侧车站直接引至牵引变电所的接地母排上，同时在区间每200

m通过地电位均衡器连接地极；接触网各类绝缘子接地端的金属底座、开关底座、腕臂底座等均与架空地线可靠连接；在高架桥梁设计中，接触网支柱没有有效接地；高架桥接触网每隔200

m设避雷器，并将桥墩内部钢筋网作为其接地体，接地电阻小于0.5。对于雷击接触网线路，形成过电压危害的情况概括起来可以划分为以下三种：（1）雷击接触网附近的地面，在接触网上引起感应过电压。（2）雷直接击于接触网导线（或腕臂），在接触网上产生过电压。（3）雷击接触网支柱（或架空地线），在支柱顶端产生冲击过电压，造成接触网绝缘子的反击。避雷线防护2.4绝缘部件保护

目前，国内城市轨道交通接触网系统主要采用DC1500V或DC750V两级电压进行供电，列车取流较大，考虑架空地线与接触网导线平行架设，为避免感应电流及绝缘子泄漏电流形成的杂散电流，对城轨沿线建筑物或设备造成电腐蚀，根据《城轨杂散电流腐蚀防护技术规程》的要求，架空地线不能直接接地，需采用地电位均衡器将架空地线与接地极分开。高架段接触网沿线架设架空地线，且架空地线通过金属抱箍与接触网下锚底座、支持装置等共支柱安装，架空地线在两侧车站直接引至牵引变电所的接地母排上，同时在区间每200

m通过地电位均衡器连接地极；接触网各类绝缘子接地端的金属底座、开关底座、腕臂底座等均与架空地线可靠连接；在高架桥梁设计中，接触网支柱没有有效接地；高架桥接触网每隔200

m设避雷器，并将桥墩内部钢筋网作为其接地体，接地电阻小于5。避雷线防护

避雷器和架空地线共接地极在雷电流作用时，能有效钳制绝缘子两端电压小于或等于避雷器残压，同时增加雷电流的泄流通道，有利于提高接触网系统的耐雷水平。避雷器与架空地线共接地极的示意图如图5-4所示。

根据架空接触网安装形式，雷电过电压会造成区间接触网腕臂绝缘子、下锚绝缘子及馈线绝缘子等绝缘部位的绝缘击穿，最终造成接触网线路失压，影响供电可靠性。其中，又以雷击接触网下锚处，造成下锚绝缘子击穿、补偿绳断裂或绝缘子爆裂影响最为严重。避雷器和架空地线共接地极在雷电流作用时，能有效钳制绝缘子两端电压小于或等于避雷器残压，同时增加雷电流的泄流通道，有利于提高接触网系统的耐雷水平。避雷线防护图5-4避雷器与架空地线共接地极的示意图03城轨架空地线设置城轨架空地线设置城轨架空地线的防雷应用设计原则：（1）在不发生雷击时，架空地线与接地极之间须电气隔离，满足杂散电流防护要求。（2）在雷击发生时，架空地线与接地极须导通，使雷电流就近尽快泄入大地。（3）不应改变接触网系统电气回路模型，不影响系统短路保护参数配置。（4）接地装置应运行安全、动作可靠，尽量减少维修及更换次数，降低运营维护成本。国内城轨工程中架空地线防雷接地主要采用了放电间隙接地和电位均衡装置接地2种方案。城轨架空地线设置3.1放电间隙接地

放电间隙结构如图5-5所示，由2个角形电极与串联空气间隙构成，一端电极与架空地线相连，另一端电极通过接地引下线接至接地极。电极间空气间隙距离为3～5

mm，其标称放电电压（1.2/50s）为2.0

kV，标称放电（8/20s）电流为20

kA。

不发生雷击时，由于空气间隙的隔离能阻止杂散电流通过放电间隙泄漏，满足了杂散电流防护的要求；在雷击发生时，雷电过电压作用下放电间隙。迅速击穿，雷电流可通过放电间隙泄入大地，满足防雷接地要求。接触网最高系统运行电压为1.8

kV，当接触网发生接地短路故障而接触网未遭受雷击时，2.0

kV的标称放电电压保证了放电间隙不击穿动作。城轨架空地线设置（a）结构图（b）工程应用实例图图5-5放电间隙城轨架空地线设置3.2电位均衡装置接地

为了避免在雷击放电或感应过电压时，由于地电位太高而引起接触网设备损坏，城轨工程采用了一种电位均衡装置接地，使架空地线通过电压均衡实现接地。该装置主要构件是一个气体放电管，标称直流击穿电压为350V。正常工况下，钢轨对地电压不高于120V，电位均衡装置承受电压也不会大于120V，所以受电压不大于350V时其呈现高阻状态，绝缘电阻达到1G以上；当承受电压大于350V时其呈现导通状态，将雷电流泄入大地，自身最大电压降不大于20V，这样两电极之间就会由原来的隔离状态转变为临时的电气连接状态。城轨架空地线设置

雷击状态下，使不同的接地系统迅速导通，两地线电压均衡，消除地电压反击，纳秒级导通。为了防止大电流的雷击，地电位均衡器的通流容量应足够大。接触网在地面段、高架段、出入线、车辆段试车线每隔一个支柱设置地电位均衡器。工程中电位均衡装置一端与钢支柱连接，另一端通过引下线接至接地极，如图5-6所示为电位均衡装置工程应用实例图。城轨架空地线设置图5-6电位均衡装置工程应用实例图04城轨避雷线防护效果城轨避雷线防护效果4.1避雷线防护策略

通过接触网防护的研究效果可知，避雷线放在支柱上方和通过接触网支柱上部弯曲内倾时效果基本相同，只设置避雷线方案可以有效地降低接触网遭受直击雷的次数，并有效降低牵引变电所的跳闸次数，降低效果地面可减少15%，高架减少30%，但当雷暴日数增大时，牵引所跳闸次数较高，并且由于存在电位反击后接触网绝缘子还存在大量烧损的可能性，事故还会依然大量地存在。城轨避雷线防护效果4.2接触网避雷线最佳高度

通过计算表明，当避雷线高度比承力索高度略为增加时，防护效果要增加，当高度继续增加时，引雷效果增加，防护效果反而降低。因此，避雷线在支柱垂直上方时，存在一个最佳高度的配合问题。研究表明，当接触网在地面时，接触线高度高于承力索0.4m时效果最好，当接触网在高架桥时，避雷线高度高于承力索0.9m时效果最好，但是总体来看，避雷线高度变化对防护效果影响不大，实际工程上，高度在0.4～1m范围内都是可行的。城轨避雷线防护效果4.3避雷系统设计考虑因素

沿线安装有架空地线的城市轨道接触网系统，可结合实际运营需求，充分考虑设备维修