畢業設計-電氣化鐵路接觸網雷害分析與防雷研究(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 生的電壓和電能損耗，使接觸網未端電壓降低。為了使接觸網未端不低于電力機車的最低工作電壓，牽引變電 所饋出母線上的額走電壓為 27． 5kV。圖 所示為直接供電方式的供電系統。 圖 供電系統 1—高壓輸電線， 2—牽引變用所， 3—饋電線， 4—接觸網， 6—電力機車； 7—鋼軌 西南交通大學成人 (本、專 )科 畢業設計 (論文 ) 4 接觸網的供電方式 1單邊供電 2雙邊供電 3越區供電 （ 3） 接觸網的組成 圖 接觸網組成 接觸懸掛 接觸懸掛包括接觸線、吊弦、承力索以及連接零件。 接觸懸掛應滿足以下要求： （ 1）接觸懸掛的彈性應盡量均勻。 （ 2）接觸線對軌面的高度應盡量相等。 （ 3）接觸懸掛在受電弓壓力及風力作用下應有良好的穩定性 。 西南交通大學成人 (本、專 )科 畢業設計 (論文 ) 5 （ 4）接觸懸掛的結構及零部件應力求輕巧簡單，做到標準化。 （ 5）另外，要結合國情盡量節省有色金屬及鋼材，降低造價。 支持裝置 支持裝置用以支持接觸懸掛，并將其負荷傳給支柱或其它建筑物。 支持裝置包括腕臂、水平拉桿、懸式絕緣子串，棒式絕緣子及其它建筑物的特殊支持設備。 定位裝置 定位裝置包括定位管和定位器。 功用是固定接觸線的位置，使接觸線在受電弓滑板運行軌跡范圍內，保證接觸線與受電弓不脫離，并將接觸線的水平負荷傳給支柱。 支柱與基礎 支柱與基礎用以承受接觸懸掛、支持和定位裝置的全部負荷，并將 接觸懸掛固定在規定的位置和高度上。 接觸網的地線 1．地線的作用 接觸網地線是起保護作用，地線將接觸網設備中非常帶電的金屬部分于鋼軌連接起來，當絕緣子發生擊穿，閃絡或因老化而嚴重漏電時，變電所保護裝置回立即反映事故狀態，迅速切斷電路。 根據供電設計規范的規定：接地裝置可接鋼軌，在采用軌道電路的區段，接地裝置可采用集中接地或單獨接地；直接接至扼流變壓器線圈中點或串接火花間隙后接至鋼軌。目前大部分地線是通過火花間隙接鋼軌，以免對信號軌道電路發生干擾。 避雷器 技術 人類對 雷電采取防護措施，最早可追溯到 12 世紀。我國湖南現存的岳陽慈氏塔 (約在 1100 年重建 )，自塔頂有 6 條鐵鏈沿六個角下垂至地面上一定高度，可用來防止雷擊損壞。有的古塔還將此類鐵鏈沉入井，實現良好接地。幾年前作者偶然在安慶調查一類似上述結構的古塔，六條鐵鏈下垂到地面以上約 1m，詢向當地居民，也有說傳聞說過去鐵鏈沉入井中，問現在何以無井，均未能答。中國古代屋宇頂上的龍咀伸出舌須，或許是人們寄希望于防止龍抓 (雷擊 )。據說，有的舌須根部用細鐵絲直通地下，這可能是現代避雷針的雛形。 1750 年，美國 針保護建筑物的理論和方法。此前，他冒生命危險用金屬線放風箏飛入雷云中，證明了雷閃現象的本質是電。不久，俄國科學家羅蒙諾索夫和他的好友利赫曼也在雷云天，放風箏做試驗。試驗本身是 西南交通大學成人 (本、專 )科 畢業設計 (論文 ) 6 達到了目的：由雷云從風箏金屬線向大地放電，形成由人干預的向地直接雷擊和主放電，即達到了 “引雷成功 ”，而代價是太大了：科學家利赫曼為科學而犧牲，一起放風箏的羅蒙諾索夫幸免于難。 (風箏試驗的圖略，見文獻 )作者認為，我們這些防雷工程師應當永遠銘記這三位高電壓和防雷先驅： 富蘭克林 羅蒙諾索夫 利赫曼 歷史發展的辯證法常常是經歷多少年后，再以更 發展的形式重復某一事件。二百多年以后，作者于 20 世紀 90 年代初，作為特約專家，在北京主持我國中科院蘭州大氣物理所和解放軍二炮合作完成國防重點課題《火箭引雷車研制與火箭引雷試驗研究》的國家鑒定 (任主任委員 )， 1997 年又在電力部參加《火箭引雷試驗》可行性論證專家研討會，會后又應邀作為七位專家之一，為部領導寫關于立課與否的專家意見，并由作者撰寫七位專家的綜合意見，直到不久前，在我所主持的 2021 年高電壓技術與社會發展專委會學術研究會 (－ 14，廈門 )論文集中，國家電力公司廣東省電力試驗研究所等提供《火箭引雷對防雷裝置試驗》這一國家重點課題所取得的重要科研成果，將雷電先導的發展和向防雷裝置定位及放電的現象 (光學的和電的 )和規律，在理論上向前推動了一步。 一個鮮為人知的重要事實是在富蘭克林發明避雷針的第二年，一位法國工程師寫信給富蘭克林，報告并祝賀，按他的發明安裝的一支避雷針接閃，即把雷引向避雷針從而避免了鄰近被保護物遭受雷擊。這既是人類首次干預雷閃自然活動途徑 (而且是導致自然災害的活動 )的預期目的獲得成功，又是無可辯駁的事實，使發明者改變了原來的想法 ——徐徐放電，中和雷云中的電荷，避免雷害，得出了 “引雷 ”擊于自身，避免擊于被保護物的正確看法。 主要參數 標稱電壓 Un：被保護系統的額定電壓相符，在信息技術系統中此參數表明了應該選用的保護器的類型，它標出交流或直流電壓的有效值。 額定電壓 Uc：能長久施加在保護器的指定端，而不引起保護器特性變化和激活保護元件的最大電壓有效值。 額定放電電流 Isn：給保護器施加波形為 8/20μs 的標準雷電波沖擊 10 次時，保護器所耐受的最大沖擊電流峰值。 最大放電電流 Imax：給保護器施加波形為 8/20μs的標準雷電波沖擊 1 次時，保護器所耐受的最大沖擊電流峰值 。 電壓保護級別 Up：保護器在下列測試中的最大值： 1KV/μs 斜率的跳火電壓；額定放電電流的殘壓。 響應時間 tA：主要反應在保護器里的特殊保護元件的動作靈敏度、擊穿時間，在一定時間內變化取決于 du/dt 或 di/dt 的斜率。 西南交通大學成人 (本、專 )科 畢業設計 (論文 ) 7 數據傳輸速率 Vs：表示在一秒內傳輸多少比特值，單位： bps；是數據傳輸系統中正確選用防雷器的參考值，防雷保護器的數據傳輸速率取決于系統的傳輸方式。 插入損耗 Ae：在給定頻率下保護器插入前和插入后的電壓比率。 回波損耗 Ar：表示前沿波在保護設備（反射點）被反射的比例，是 直接衡量保護設備同系統阻抗是否兼容的參數。 最大縱向放電電流：指每線對地施加波形為 8/20μs 的標準雷電波沖擊 1 次時，保護器所耐受的最大沖擊電流峰值。 1最大橫向放電電流：指線與線之間施加波形為 8/20μs 的標準雷電波沖擊 1 次時，保護器所耐受的最大沖擊電流峰值。 1在線阻抗：指在標稱電壓 Un 下流經保護器的回路阻抗和感抗的和。通常稱為 “系統阻抗 ”。 1峰值放電電流：分兩種：額定放電電流 Isn 和最大放電電流 Imax。 1漏電流：指在 75 或 80 標稱電壓 Un 下流經保護器的直流電流。 相關標準 防雷器的常見執行標準（各國要求不一樣）： IEC616431 、 、UL1283Filter 、 我國現在防雷系統現在實施的是中華人民共和國建設部 2021 年 3 月 1 日制定的：GB50343—2021《建筑物電子信息系統防雷技術規范》和中華人民共和國建設部 2021年 10 月 1 號制定的： GB50057—94《建筑物設計防雷規范》。 知名品牌 目前市面上比較常見的防雷器有： 國內的艾爾盾、雷安、中光、愛勞、地凱、雷爾盾、迪艦、科比特、雷科星、雷光、雷迅 、萬佳等 國外的 DEHN、 OBO、 Phoenix、 Soule 等（以上排位不分先后） 避雷器的作用 防雷器的作用是用來保護電力系統中各種電器設備免受雷電過電壓、操作過電壓、工頻暫態過電壓沖擊而損壞的一種電器。防雷器的類型主要有保護間隙、閥型防雷器和氧化鋅防雷器。保護間隙主要用于限制大氣過電壓，一般用于配電系統、線路和變電所進線段保護。閥型防雷器與氧化鋅防雷器用于變電所和發電廠的保護，在 500KV 及以下系統主要用于限制大氣過電壓，在超高壓系統中還將用來限制內過電壓或作內過電壓的后備保護。 西南交通大學成人 (本、專 )科 畢業設計 (論文 ) 8 接觸網工 作的額定電壓為 25kV但在某種情況下會出現大大超過 25kV的電壓，稱為過電壓。過電壓分為操作過電壓和大氣過電壓。大氣過電壓是指在接觸網附近，發生雷擊時使接觸網產生的過電壓。這種峰值很高的過電壓會使絕緣子閃絡、擊穿而發生短路事故，造成接觸網設備損壞，當安裝了避雷器后，它能及時地將雷電引入大地。 間隙、磁吹間隙 19 世紀 70～ 80 年代是電力網發展的初期階段，當時幾乎無任何過電壓保護裝置。80 年代末期，在電力網中才采用了電話的保護裝置 ——導雷器，實際就是保護間隙串聯一個熔斷器，或只裝間隙。 (如圖 所示 )后來在本世紀 30 年代初，發展成去游離避雷器，即由纖維管制成的管型避雷器。至于間隙，則直到現在還在某些情況下使用。例如，從我國低壓 220/380V配電，短波、超短波越天線引入機房時的第一道防護裝置到歐洲220～ 400kV變電所設備上的輔助保護間隙。 圖 導電器 注： 1—火花間隙 上世紀 90 年代初期 ， ，用來保護直流電力設備。圖 所示可以說，這是現代磁吹避雷器的前身。 20 世紀初，開始注意限制工頻續流問題。 1901年德國制成用串聯線性電阻限流的角形間隙，這是現代閥型避雷器的前身。上述保護裝置，實際上主要是用來防止感應雷造成的事故。如果是直擊雷，或是擊于線路上的近區雷擊，電氣設備多數還會被擊毀。值得注意的是，近年德國一公司自稱造出吸收能量最大的 MOV 過電壓保護器 (多數是 70kA、 100kA)，而且可通過 10/350μs 長波通流試驗，其特點就是 MOV串聯一個磁吹角型間隙。 西南交通大學成人 (本、專 )科 畢業設計 (論文 ) 9 圖 磁吹避雷器 注： 1—角形間隙； 2—磁吹線圈； 3—直流發電機 高壓電容器 1908 年瑞士 MOscick 提出利用高壓電容器作防雷元件的方案，通常是與電抗線圈配合使用，構成防雷吸波器。如圖 所示 30 年代初，前蘇聯莫斯科電力系統曾用電感線圈保護幾個 33kV變電所，但因閥型避雷器裝于電感線圈外側， 電感與變壓器入口電容諧振，使變電所雷害事故率翻一番，而且電感線圈本身還發生不少絕緣事故，因而后來拆除了這些電感元件。我國 40 年代和 50 年代初，有些發電機、升壓變壓器和配電變壓器曾采用電感元件保護，可惜未很好總結經驗，后來多數電感元件沒有繼續使用。 只是到了 60 年代，波蘭才在 35～ 110kV變電所，利用裝于進線入口的電感元件取得良好的防雷效果 (閥型避雷器裝于變壓器與電感元件之間，防止了 LC 諧振 )。直到現在，電容電感元件還是我國和國外保護旋轉電機的有效保護裝置。我們過電壓保護與接地國標修訂組調查分析表明，經過 電感線圈供電的發電機，其平均無故障工作時間MTBF(雷害 )290 年，即提高防雷可靠性 3～ 10 倍。我們將電力部門近千個微波站全國指標 MTBF≥60年提高到 200～ 500 年的微波站過電壓保護柜，措施之一是 1∶ 1 變壓器。近年，國外公司在電力、電子保護環節中所用的解耦 (退耦 )元件并非新物，就是一個電感線圈。裸導線 5～ 10m長的電感有時也相當解耦元件。 西南交通大學成人 (本、專 )科 畢業設計 (論文 ) 10 圖 防雷吸波器 T—變壓器； S—水電阻器或導體電阻器； L—電抗線圈； C C2—電容器 鋁電解避雷器 1907 年在美國出現了鋁電解避雷器，利用它在不同電壓下能通過或閥截電流的特性遮斷工頻續流，它曾用于 100kV高壓電網。 1922 年美國西屋公司 (WH)制出了自動閥型避雷器。 1929 年美國通用電力公司 (GE)制出契利特閥型避雷器，使系統雷擊損壞率下降90％。閥型避雷器通過雷電流能力的發展情況如下 (多數用 8/20μs 后試驗，通過 20 次，且殘壓變化不大于 177。10％ )。 [11] 1982 1934 1935 1937（年） 300 3000 10000 100000（ A） 后者系 4/10μs 波形 2 次， 100kA 及以上。 50 年代初，磁吹避雷器問世，它兼能防護雷電過電壓和內過電壓，這是避雷器發展的一個轉折點。因為直到今天，即使在 220/380V低壓配電網中的過電壓保護器也要求對操作過電壓波 (SEMP)具有防護能力。其 2ms 方波或工頻續流通流能力