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1、 地铁防雷及运营安全防护地铁防雷及运营安全防护 目目 录录一、高架及地面接触网防雷一、高架及地面接触网防雷1 1、研究背景、研究背景2 2、研究方法、研究方法3 3、防护措施及效果分析、防护措施及效果分析 二、供电系统运营安全保障系统二、供电系统运营安全保障系统1、研究背景、研究背景中铁电化院中铁电化院中国电科院中国电科院天津津滨轻轨天津津滨轻轨山东讯实电气有限公司山东讯实电气有限公司自自2004年起，中铁电化院与中国电科院及华北电力大学合作，年起，中铁电化院与中国电科院及华北电力大学合作，针对天津津滨轻轨发生的大量的雷害事故开展了供电系统雷害针对天津津滨轻轨发生的大量的雷害事故开展了供电系统
2、雷害防治课题研究，先后经过实验室模拟仿真、防护方案评审、挂防治课题研究，先后经过实验室模拟仿真、防护方案评审、挂网试运行、产品鉴定、课题结题评审等阶段，历时网试运行、产品鉴定、课题结题评审等阶段，历时8年通过实际年通过实际线路现场运行总结出了一套针对地面及高架桥架空接触网的雷线路现场运行总结出了一套针对地面及高架桥架空接触网的雷害防护设计方法及设计导则，供行业内专业人士参考。害防护设计方法及设计导则，供行业内专业人士参考。津滨轻轨工程雷害情况津滨轻轨工程雷害情况 1、研究背景、研究背景津滨轻轨工程雷害情况津滨轻轨工程雷害情况 1、研究背景、研究背景津滨轻轨工程雷害情况津滨轻轨工程雷害情况 1、
3、研究背景、研究背景国内其它工程情况国内其它工程情况 防雷改造后广州地铁一号线现场照片防雷改造后广州地铁一号线现场照片1、研究背景、研究背景国内其它工程情况国内其它工程情况 南京地铁一号线雷击后绝缘子照片南京地铁一号线雷击后绝缘子照片 1、研究背景、研究背景津滨轻轨工程雷害情况津滨轻轨工程雷害情况截至2007年底津滨轻轨工程雷击事故统计表 年份 损坏情况 2004 2005 2006 2007 绝缘子损坏 10 22 31 18 直流开关跳闸闭锁（重合闸不成功）9 37 13 8 整流变压器雷击损坏 1 1、研究背景、研究背景 接触网绝缘子毁坏：行车中断，旅客滞留，抢修设备 接触网按区段布置，导
4、线上需要很大的张力，当绝缘子断裂时，可能致使一个区段的接触网垮塌。修复的费用高、抢修耗费的时间长。变电所设备故障或毁坏：维修或更换设备 变电所设备数量多，单价高，生产周期长。修复的费用高，维修的时间长。设备故障期间，供电可靠性降低。产生的后果产生的后果1、研究背景、研究背景雷害原因初步分析：雷害原因初步分析：绝缘水平低绝缘水平低绝缘子雷电冲击耐受电压仅为绝缘子雷电冲击耐受电压仅为125kV125kV，且受工程特性限制，不可能大幅度提高。且受工程特性限制，不可能大幅度提高。接触网绝缘子保护不到位接触网绝缘子保护不到位无避雷线（架空地线），无避雷线（架空地线），避雷器与带电侧相连直接接地，无法保护
5、反击。避雷器与带电侧相连直接接地，无法保护反击。接地不畅接地不畅杂散电流防护要求支柱不能接地，雷击杂散电流防护要求支柱不能接地，雷击支柱时无法快速泄入大地。支柱时无法快速泄入大地。1、研究背景、研究背景国内外标准情况国内外标准情况 （GB50157-2003，IEC60913）要求都较简单，总结起来有以下几条：）要求都较简单，总结起来有以下几条：n隧道两端，地面接触网上网隔离开关处加无间隙避雷器。隧道两端，地面接触网上网隔离开关处加无间隙避雷器。n空旷地面段及高架桥段每隔空旷地面段及高架桥段每隔500米设无间隙避雷器。米设无间隙避雷器。n地面、高架桥区段架空地线应每隔地面、高架桥区段架空地线应
6、每隔200m设火花间隙。设火花间隙。n避雷器及火花间隙的工频接地电阻应不大于避雷器及火花间隙的工频接地电阻应不大于10。1、研究背景、研究背景研究必要性：研究必要性：n 缺少系统、完整、成熟的城市轻轨防雷经验、措施；缺少系统、完整、成熟的城市轻轨防雷经验、措施；n 国内和国外相关规范中没有系统的规定；国内和国外相关规范中没有系统的规定；n 设备抵抗雷击过电压能力低；设备抵抗雷击过电压能力低；n 为防止杂散电流危害，杆塔与大地绝缘，防雷接地困难。为防止杂散电流危害，杆塔与大地绝缘，防雷接地困难。n、津滨线初始设计采取的防雷方案与国内类似工程相近，但、津滨线初始设计采取的防雷方案与国内类似工程相近
7、，但雷害情况相对严重。雷害情况相对严重。1、研究背景、研究背景2、研究方法、研究方法2、研究方法、研究方法（1）地闪密度）地闪密度Ng：地闪密度，次：地闪密度，次/年年.Km2，Td：雷暴日：雷暴日数，天，数，天，a=.023，b=1.3（2）雷电流的幅值服从对数正态分布）雷电流的幅值服从对数正态分布 式中为雷电流幅值，单位式中为雷电流幅值，单位kA；为幅值大于；为幅值大于的雷电流出现的概率。的雷电流出现的概率。bdTaNg88logIIiP05010015020025030000.10.20.30.40.50.60.70.80.91雷 电 流/kAP(iIf)IEEEDL/T 6202、研究
8、方法、研究方法2.接触网参数接触网参数（1）接触网几何尺寸包括：架空地线、承力索、在空间的坐标）接触网几何尺寸包括：架空地线、承力索、在空间的坐标hb：避雷线高度：避雷线高度hd：承力索高度：承力索高度（2）绝缘子雷电冲击绝缘水平，）绝缘子雷电冲击绝缘水平，U50(kV)、U50(kV)，直接由试验获取。，直接由试验获取。对于对于250 mm爬距绝缘子，标准：爬距绝缘子，标准：U50125kV根据实际绝缘子试验值：根据实际绝缘子试验值：U50 150 kV U50(136kV（3）绝缘子耐雷水平，可由）绝缘子耐雷水平，可由EMTP仿真获取。仿真获取。Ijmin：雷电直击接触网导线时线路发生闪络
9、的最小雷电流幅值。：雷电直击接触网导线时线路发生闪络的最小雷电流幅值。IGmin：雷电击中接触网支柱或架空地线、避雷线时，由于接触网支柱电位升高而：雷电击中接触网支柱或架空地线、避雷线时，由于接触网支柱电位升高而导致绝缘子反向击穿的最小雷电流幅值。导致绝缘子反向击穿的最小雷电流幅值。2、研究方法、研究方法3B2B1B3A2A1A导线架空地线1eR2eR1eR2eR1C2CR1C2CRR3N2N1N3M2M1M3O2O1OR3e3e3C3CRRRR2、研究方法、研究方法0.650.650.65103.6 1.7ln(43)405.540cgrIh IhrIhmaxminII0.2()()()fl
10、ashovergPNP IIP ID I电气几何模型中导线的暴露宽度电气几何模型中导线的暴露宽度D（定义为暴露段在水平面上的投（定义为暴露段在水平面上的投影）与雷电流的幅值相关，而雷电流的幅值分布服从统计特性。因影）与雷电流的幅值相关，而雷电流的幅值分布服从统计特性。因此引起线路闪络的总的暴露宽度可由雷电流幅值概率分布函数加权此引起线路闪络的总的暴露宽度可由雷电流幅值概率分布函数加权后累加得到：后累加得到：2、研究方法、研究方法Ui雷电感应过电压（雷电感应过电压（kV）I雷电流（雷电流（kA）h导线高度（导线高度（m）,高架桥时指与地面高度高架桥时指与地面高度S落雷点与导线的垂直距离（落雷点与
11、导线的垂直距离（m）ShUiI25D(I)UI25L(I)50h)()()(maxminmILIPIIPZIIJNZPmm0.23 3、防护措施及效果分析防护措施及效果分析 3 3、防护措施及效果分析防护措施及效果分析 通过接触网防护效果的比较可以看出。避通过接触网防护效果的比较可以看出。避雷线放在支柱上方和通过接触网支柱上部雷线放在支柱上方和通过接触网支柱上部弯曲内倾时的效果基本相同。只设避雷线弯曲内倾时的效果基本相同。只设避雷线方案可有效地降低接触网遭受直击雷的次方案可有效地降低接触网遭受直击雷的次数并有效降低牵引所的跳闸次数（地面数并有效降低牵引所的跳闸次数（地面15%，高架，高架30%
12、），但当雷暴日数增大时，），但当雷暴日数增大时，牵引所跳闸次数较高，且由于存在电位反牵引所跳闸次数较高，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，事故还会依然大量存在。性，事故还会依然大量存在。高架桥接触网无任何防护措施情况下的闪络次数高架桥接触网无任何防护措施情况下的闪络次数 避雷线在支柱垂直上方高架桥接触网闪络次数避雷线在支柱垂直上方高架桥接触网闪络次数 避雷线在支柱上方内倾斜高架桥接触网闪络次数避雷线在支柱上方内倾斜高架桥接触网闪络次数 3 3、防护措施及效果分析防护措施及效果分析 避雷线比承力索高出距离（m）10152030405060
13、8007.591 12.860 18.692 31.665 46.025 61.515 77.968 113.328 0.17.563 12.812 18.622 31.546 45.852 61.284 77.675 112.902 0.27.544 12.779 18.575 31.466 45.736 61.128 77.478 112.616 0.37.526 12.749 18.531 31.391 45.628 60.983 77.294 112.349 0.47.511 12.724 18.495 31.330 45.539 60.865 77.145 112.131 0.57.
14、502 12.709 18.473 31.293 45.486 60.793 77.053 111.998 0.67.497 12.699 18.459 31.270 45.451 60.747 76.995 111.913 0.77.493 12.693 18.450 31.255 45.429 60.718 76.958 111.859 0.87.491 12.690 18.445 31.246 45.417 60.702 76.937 111.830 0.97.490 12.689 18.443 31.244 45.413 60.696 76.931 111.820 17.491 12.
15、690 18.445 31.246 45.416 60.700 76.935 111.827 通过计算表明当避雷线高度比承力索高度稍增加时，防护效果要增加。当高度继续通过计算表明当避雷线高度比承力索高度稍增加时，防护效果要增加。当高度继续增加时，引雷效果增加，防护效果反而要降低。因此，当避雷线在支柱垂直上方时，增加时，引雷效果增加，防护效果反而要降低。因此，当避雷线在支柱垂直上方时，有一个最佳高度问题有一个最佳高度问题：当接触网在地面时，避雷线高度高于承力索为当接触网在地面时，避雷线高度高于承力索为0.4米时效果米时效果最好（未考虑避雷线最高温时的驰度）。当接触网在高架桥时，避雷线高度高于承最
16、好（未考虑避雷线最高温时的驰度）。当接触网在高架桥时，避雷线高度高于承力索力索0.9m时效果最好。但总的看来避雷线高度变化对防护效果的影响并不大，实时效果最好。但总的看来避雷线高度变化对防护效果的影响并不大，实际工程设计中避雷线高度在际工程设计中避雷线高度在0.4至至1米范围内均可接受。米范围内均可接受。3 3、防护措施及效果分析防护措施及效果分析 避雷器防护效果：避雷器防护效果：避雷器参数：避雷器参数：额定电压：额定电压：13kV标称放电电流：标称放电电流：5kA金属氧化物电阻片型号：金属氧化物电阻片型号：D35（直径（直径35mm）65kA，4/10us大电流冲击：大电流冲击：2次次150A，2ms方波电流冲击：方波电流冲击：20次次串联间隙距离：串联间隙距离：700mm标称放电电流下残压：标称放电电流下残压：36kV避雷器间隙闪络电压绝缘子闪络电压占绝缘子闪络击穿电压百分比U50113.5kV139 kV81.7U50112 kV157 kV71.33 3、防护措施及效果分析防护措施及效果分析 n 当每个接触网支柱均安装带间隙避雷器时，通过模拟仿真研究，在直击当每个接触网支柱均安
