【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 型避雷器。 1929 年美國(guó)通用電力公司 (GE)制出契利特閥型避雷器，使系統(tǒng)雷擊損壞率下降 90％。閥型避雷器通過雷 電流能力的發(fā)展情況如下 (多數(shù)用 8/20μs后試驗(yàn)，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(hù)雷電過電壓和內(nèi)過電壓，這是避雷器發(fā)展的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。因?yàn)橹钡浇裉?，即使?220/380V 低壓配電網(wǎng)中的過電壓保護(hù)器也要求對(duì)操作過電壓波 (SEMP)具有防護(hù)能力。其 2ms 方波或工頻續(xù)流通流能力從開始的 150A，發(fā)展到 80 年代 初的 1500A 左右，我國(guó)高壓避雷器的 2ms 方波通波能力發(fā)展情況如下。 1964 1972 1977 1980 1982(年 ) 400 800 1000 1200 1500（ A） 現(xiàn)在保護(hù) 220/380V 電源的過電壓保護(hù)器應(yīng)具有 SEMP 的防護(hù)能力，其主要判據(jù)是 2ms 方波的通波能力。當(dāng)然，還有待定出 MOV 的耐受電流標(biāo)準(zhǔn)值。 氧化鋅避雷器 1968 年日本大阪松下電氣公司研制出了新一代 “無間隙避雷器 ”，即氧化鋅避雷器，開始應(yīng)用于電子工業(yè)。這是一種利用金屬氧化物對(duì)電壓敏感特性來吸收交 、直流電路中雷電過電壓和操作過電壓，以保護(hù)電力、電子器件的裝置。開始主要用于產(chǎn)生電火花的電觸點(diǎn)，用來吸收暫態(tài)電壓能量。 1976 年，迅速向高電壓電網(wǎng)發(fā)展，日本首先制成 84kV級(jí)耐污型無間隙避雷器，到 80 年代初已制出 275kV 和 500kV 級(jí)超高壓避雷器。由于開始時(shí)造價(jià)較高，而性能又大有改進(jìn)，故其發(fā)展和使用在很長(zhǎng)一段時(shí)間主要用于超高壓電網(wǎng)，而且各國(guó)多是從超高壓使用，待價(jià)格下降后才逐步用于較低電壓電網(wǎng)。因?yàn)榍罢邭垑好拷档?8％左右，可使設(shè)備的絕緣水平降低一級(jí) (6％～ 8％ )，相應(yīng)的設(shè)備造價(jià)可下降 4％～ 6％。這對(duì)幾百萬元 、上千萬元一臺(tái)的超高壓電力設(shè)備，采用 MOV 具有很大經(jīng)濟(jì)意義，即使一組 MOV 價(jià)值數(shù)十萬元也是值得的。 接觸網(wǎng)雷害分析及防雷措施 12 1972 年，我國(guó)武漢市一個(gè)小廠生產(chǎn)出我國(guó)第一批氧化鋅壓敏元件，屬于世界上少數(shù)幾個(gè)繼日本之后能制造 MOV 的國(guó)家之一。 MOV 在我國(guó)的應(yīng)用也是從高電壓向低電壓發(fā)展的模式。例如， 80 年代初，華北 500kV 超高壓電網(wǎng)首先從瑞典 ASEA 公司引進(jìn) 500kV MOV，同期機(jī)械工業(yè)部同水利電力部共同觀察、分析、談判后決定，西安電瓷廠和撫順電瓷廠分別從美國(guó) GE 和日本日立公司引進(jìn)生產(chǎn)專利，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 等電網(wǎng)應(yīng)用國(guó)產(chǎn) MOV。 80 年代后期，又在 10kV 和低壓 220/380V 配電網(wǎng)普遍采用氧化鋅避雷器，效果良好。 管型避雷器 1927 年，美國(guó)一些線路開始采用在管內(nèi)產(chǎn)生非游離氣體以遮斷續(xù)流的管型避雷器。續(xù)流在 ～ 個(gè)周波內(nèi)熄滅電弧。 80 年代初，我國(guó)又制成一種無續(xù)流管型避雷器，并在高壓電力系統(tǒng)試用。后因用量太少，生產(chǎn)廠效益不佳，陸續(xù)被閥型避雷器所代替。 避雷帶、避雷網(wǎng)、避雷線和耦合地線 如前所述， 1750 年，富蘭克林提出以針尖放出 電荷緩慢中和雷云中的電荷的避雷針用來防雷。后來的實(shí)踐證明，它不能 “避雷 ”，而是將雷引向自身來保護(hù)其周圍的設(shè)備。隨著俄國(guó)羅蒙諾索夫在重復(fù)了富蘭克林的著名風(fēng)箏試驗(yàn)之后，于 1753 年發(fā)表的論文《關(guān)于因電力而產(chǎn)生的大氣現(xiàn)象的發(fā)言》中也對(duì)此作了重要論證。 避雷針的實(shí)際應(yīng)用，必須解決的是它的保護(hù)范圍問題。這是在試驗(yàn)室和實(shí)際應(yīng)用中多年逐步定量化的，而且其精確性已基本滿足了工程設(shè)計(jì)的需要。正是各國(guó)高壓輸電和電力系統(tǒng)的發(fā)展推動(dòng)了這一科研工作的前進(jìn)。 1925～ 1926 年， Peek 第一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用沖擊電壓發(fā)生器造成 “人工雷 ”對(duì)避雷針模型放電，研究保護(hù)范圍 ——保護(hù)系數(shù)與雷云高度對(duì)針高之比 (H/h)的關(guān)系，并研究了雷云極性對(duì)保護(hù)系數(shù)的影響。 自動(dòng)重合閘裝置 (AП B)和備用電源合閘裝置 (ABP) 20 年代中期，美國(guó) Still 提出，利用斷路器重合閘消除瞬時(shí)短路包括雷擊引起電力線路短路跳閘來保證電力供應(yīng)，到 30 年代各國(guó)已廣泛采用。后來又發(fā)展二次重合閘、單相重合閘以及單相與三相綜合重合閘。我國(guó)于 1950 年夏，在雞西電業(yè)局安裝蘇聯(lián)提供的 35kV 開關(guān)，這可能是我國(guó)第一批帶重合閘的少油開關(guān)，隨后寫出雞西發(fā)電廠和電業(yè)局全面改造繼電保護(hù)，推廣自動(dòng) 重合閘及備用電源自動(dòng)合閘 (分別稱 AПB和 ABP)的設(shè)計(jì)書，后來成為專著出版。很有趣，這項(xiàng)普遍應(yīng)用于 35～ 500kV 輸電系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)在不僅應(yīng)用于 10kV 電網(wǎng)，而且也有時(shí)應(yīng)用于重要的 220/380V 供電，如鐵路信號(hào)電源 (象北京鐵路局 )，應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)和備用電源自動(dòng)合閘裝置也大大減少了雷擊停電事西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 13 故。高壓線路雷擊跳閘故障，重合閘能在幾分之一秒重合，成功率達(dá) 85％左右，即將事故減少到 15％左右。重要通信臺(tái) (站 )的電源也可考慮采用此措施。一些軍用臺(tái) (站 )即采用備用電源合閘裝置。 電磁兼容 (EMC) 電力線和電信線發(fā)展 初期，雖然兩者難免互相交 *和平行接近，但因電力線電壓低、電流小，一般是各行其道，相安無事。電力系統(tǒng)大發(fā)展之后，才產(chǎn)生干擾影響，出現(xiàn)電磁兼容問題。 研究科技史文獻(xiàn)可知，早期電力工程、電信工程著作，防雷問題幾乎不予涉及，因?yàn)楫?dāng)時(shí)防雷的重要性，包括它的危害程度，因工程規(guī)模小而未引人注目。例如，,Hall ＆ Williams 主編著名的科技史宏篇巨著 “A History of Technology”， Oxford At The Clearendon Press， 1958，以及國(guó)內(nèi)電工 史專著，對(duì)于電工發(fā)展前期的防雷也是或不涉及，或語焉不詳。從避雷針到出現(xiàn)簡(jiǎn)單間隙、電容、線圈，經(jīng)過了漫長(zhǎng)的 158 年。到制出原始型避雷器，又經(jīng)過了 10 年。這絕非因?yàn)槿祟愔腔圬?因 ，而是電力工業(yè)的發(fā)展，才有了防雷的需要。 防雷和過電壓保護(hù)裝置的出現(xiàn)，與輸電電壓等級(jí)相關(guān)圖 (如圖 所示 )充分說明了這一問題。直到出現(xiàn)幾千萬和上億千瓦的聯(lián)合電力系統(tǒng) (如華北 500kV 網(wǎng)架連接的系統(tǒng)裝機(jī)容量已近 4000 萬千瓦 )，其一次雷擊足以導(dǎo)致大地區(qū)的災(zāi)難，如美國(guó)有名的紐約大停電，才迫使人們利用幾千萬元的高壓試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行不斷的研究，使防 雷系統(tǒng)日臻完善。與此相似，正是由于早期室內(nèi)只有電燈和馬達(dá)這類電器，其防雷要求不高，建筑物防雷獨(dú)特之處不多。近年電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，而且多數(shù)裝在戶內(nèi)，才使建筑物防雷逐漸引起人們的重視，其防雷理論和防雷手段才與日俱增。又如， IEC 自 1934 年成立，到現(xiàn)在先后共成立 80 多個(gè)技術(shù)委員會(huì) (TC)，以制訂電力、電子、電信用大量標(biāo)準(zhǔn)。主要是 80 年代末、 90 年代初， TC81 等委員會(huì)才開始系統(tǒng)地提出一系列建筑物防雷標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)楫?dāng)一建筑物內(nèi)的微電子元件、電子設(shè)備的雷害，影響人們生活和國(guó)民經(jīng)濟(jì)日趨嚴(yán)重時(shí)，這一課題才受到重視。 接觸網(wǎng)雷害分析及防雷措施 14 圖 電網(wǎng)輸電電壓的增長(zhǎng)以及過電壓保護(hù)裝置出現(xiàn)的時(shí)期 注： 1— 避雷針； 2— 間隙、磁吹導(dǎo)雷器 (間隙 )； 3— 鋁、鉛電解避雷器，電感線圈，電容器，中性點(diǎn)直接接地； 4— 接地的避雷線； 5— 消弧線圈； 6— 自動(dòng)閥型避雷器，管型、丸型避雷器，自動(dòng)重合閘； 7— 契利特閥型避雷器； 8— 斷路器并聯(lián)電阻，超高壓并聯(lián)電抗器； 9— 磁吹避雷器； 10— 電 磁式電壓互感器，限壓飽和電抗器，并聯(lián)電抗器； 11— 火花控制電抗器； 12— 無間隙避雷器； 13— 消雷器 (電離錐體 )； 14— 同步斷路器； 15— 可控電抗器，靜止補(bǔ)償器，多柱避雷器 交流電氣化鐵道接觸網(wǎng)上采用的避雷器 ⑴．管型避雷器 ①管型避雷器的結(jié)構(gòu) 由內(nèi)部間隙、外部間隙和發(fā)生氣體的管子組成。外部間隙由兩個(gè)針尖相對(duì)的極棒構(gòu)成；內(nèi)部間隙在管子里，由一個(gè)棒形電極和一個(gè)環(huán)形電極組成，管子是用棉花纖維制成的元棉紙加氯化鋅膠液粘制成的，它一端封閉，另一端開有管口。 ②管型避雷器的安裝 注意管子應(yīng)垂直安設(shè)，管口朝下 ，防止雨水進(jìn)入管內(nèi)，并不得有雜物堵塞管口；外部間隙兩極棒應(yīng)水平放置，針尖相對(duì)，間隙調(diào)節(jié)至 120mm,放電間隙過大則不易被過電壓擊穿，起不到保護(hù)作用，放電間隙過小又會(huì)使避雷器在接餒觸網(wǎng)的正常工作電壓作用下西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 15 而放電擊穿，造成短路事故。允許偏差為土 10mm。避雷器的接地端應(yīng)保證可靠的接在牽引軌上。 ⑵．角隙避雷器 ① 角隙避雷器的結(jié)構(gòu) 是由角型間隙、支持絕緣子、支持鋼管及底座組成，并安裝有動(dòng)作記錄器。 ②角隙避雷器的安裝 吸流變壓器與回流線 1．吸流變壓器 吸流變壓器是一臺(tái)變比為 1： 1的特殊變壓器，這種變 壓器的特點(diǎn)是要求勵(lì)磁電流小，不超過其額走電流值的 2％。它的主要作用是利用變壓器內(nèi)的電磁關(guān)系，將軌道中的牽引電流經(jīng)吸上線吸引到回流線上，使回流線通過大小相等，方向與接觸網(wǎng)電流相反的牽引電流。一般每隔 2～ 4km設(shè)一臺(tái)吸流變壓器，在有回流的區(qū)段上，接觸網(wǎng)均采用絕緣錨段關(guān)節(jié)。 2．回流線 3．吸流變壓器解列和投入的操作順序，解列操作順序是： （ 1）合上單極隔離開關(guān) 6； （ 2）打開雙極隔離開關(guān) 4； （ 3）最后合上低壓側(cè)單極開關(guān) 2，吸流變壓器退出工作狀態(tài)。 投入吸流變壓器的操作順序與上述相反，應(yīng)保證隔離開關(guān)不帶負(fù)荷操作 。 接觸網(wǎng)雷害分析及防雷措施 16 2 接觸網(wǎng)雷害分析 接觸網(wǎng) 是牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分，絕大部分裸露干自然環(huán)境中且沒有備份、需要采用必要的大氣過電壓防護(hù)措施。如果缺少防護(hù)措施或措施不當(dāng)，可能引起絕緣 子損壞 ， 造成線路跳閘，直接影響電氣化鐵道運(yùn)營(yíng)。同時(shí)雷擊產(chǎn)生的侵入波過電壓通過接觸網(wǎng)傳人牽引變電所，可能引起所內(nèi)電氣設(shè)備的損壞造成更大的事故。 我國(guó)地域廣大 ，因 雷擊導(dǎo)致人員傷亡、設(shè)備損壞的事故屢見不鮮。根據(jù)牽引供電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)部門統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，目前開通的 26 萬多 Km 電氣化鐵道中部分線路雷擊事故比較頻繁，所以應(yīng)重視接觸網(wǎng)的防雷設(shè)計(jì)，以運(yùn)輸安全 為目標(biāo)，以系統(tǒng)優(yōu)化、綜合防護(hù)、防雷減災(zāi)的原則進(jìn)行接觸網(wǎng)防雷設(shè)計(jì)。 國(guó)外高速鐵路防雷設(shè)計(jì)概況 德國(guó)鐵路防雷現(xiàn)狀 德國(guó)鐵路經(jīng)實(shí)際測(cè)量表明，歐洲中部地區(qū)每 100 Km 接觸網(wǎng)在 1 年的時(shí)間內(nèi)可能遭受 1 次雷電沖擊。雷電對(duì)接觸網(wǎng)的直接沖擊會(huì)導(dǎo)致雷電沖擊過電壓，其在設(shè)計(jì)中考慮過采用過電壓保護(hù)裝置限制雷電過電壓一般應(yīng)用避雷器 。 同時(shí)他們也認(rèn)為避雷器只能對(duì)過電壓進(jìn)行有限的保護(hù)一般只用于有頻繁雷電存在的地段在其它區(qū)段，無論是從經(jīng)濟(jì)方面還是防護(hù)效益方面一般不考慮設(shè)置防雷裝置，這也是我們?cè)跉W洲的電氣化鐵道中很少 見到接觸網(wǎng)避雷裝置的原因。 日本鐵路防雷現(xiàn)狀 日本由于其特殊的地理?xiàng)l件和氣象條件，在電氣 化鐵道接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)中根據(jù)雷擊頻度及線路重要程度，將國(guó)土的防雷等級(jí)劃分為 A、 B、 C 區(qū)域并規(guī)定了相應(yīng)的防雷措施： A級(jí)區(qū)的雷害嚴(yán)重且線路重要，需要進(jìn)行全面防雷保護(hù)、全線接觸網(wǎng)架設(shè)架空避雷線，同時(shí)在牽引變電所出口、接觸網(wǎng)隔離開關(guān)、電纜接頭或連接處、架空地線終端設(shè)置避雷器，B 級(jí)區(qū)雷害比較嚴(yán)重且線路重要，對(duì)部分特別需要的場(chǎng)所沿接觸網(wǎng)架設(shè)架空避雷線，同時(shí)在牽引變電所出口、接觸網(wǎng)隔離開關(guān)、電纜接頭或連接處、架空地線終端設(shè)置避 雷器，除 A、 B 級(jí)以外的區(qū)域?yàn)?C 級(jí)區(qū)，一般在牽引變電所出口、接觸網(wǎng)隔離開關(guān)、電纜接頭或連接處設(shè)置避雷器： 西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 17 國(guó)內(nèi)接觸網(wǎng)防雷設(shè)計(jì)概況 我國(guó)電氣化鐵道接觸網(wǎng)防雷設(shè)計(jì)主要依據(jù) 《鐵 路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范 》 （ TB 100092022）和《鐵路防雷、電磁兼容及接地工程技術(shù)暫行規(guī)定》（鐵建設(shè) [2022]39號(hào)）的相關(guān)規(guī)定 。 根據(jù)雷電日的數(shù)量分為 4個(gè)等級(jí)的區(qū)域：年平均雷電日在 20d及以下地區(qū)為少雷區(qū)，年平均雷電日在 20d 以上， 40d 及以下地區(qū)為多雷區(qū)，年平均雷電日在 40d 以上、 60d及以下地區(qū)為高雷區(qū)，年平均雷電日 在 60d以上地區(qū)為強(qiáng)雷區(qū)。 接觸網(wǎng)的防雷措施主要是安裝避雷器和架設(shè)架空避雷線，同時(shí)做好必要的接地。具體規(guī)定為： (1)吸流變壓器的原邊應(yīng)設(shè)避雷裝置 ； (2)高雷及強(qiáng)雷區(qū)下列位置設(shè)避雷裝置 ； 分相和站場(chǎng)端部的絕緣關(guān)節(jié)、長(zhǎng)度 2， 000 m及以上隧道的兩端、長(zhǎng)度 大于 200m的供電線或 AF線連接到接觸網(wǎng) 上的連接處。 (3)強(qiáng)雷區(qū)設(shè)置獨(dú)立避雷線，保護(hù)角為 0～ 45。： 接觸網(wǎng)雷害分析及防雷措施 18 3 客運(yùn)專線接觸網(wǎng)防雷 措施 接觸網(wǎng)遭受雷擊的頻度與線路所處地區(qū)的年平均雷電日數(shù)有關(guān)。一般來說年平均雷電日數(shù)增大則每平方公里大地 1 年的雷擊次數(shù)也隨之變 大根據(jù)國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議 33 委員會(huì)推薦計(jì)算：接觸網(wǎng)側(cè)面限界為 3m，承力索距軌面平均高度為 7m，則單線接觸網(wǎng)遭受雷擊次數(shù) N= Td ，復(fù)線接觸網(wǎng)遭受雷擊次數(shù) N= Td ， Td為年平均雷電日數(shù)。 雷擊