高速鐵路防雷與綜合接地技術(shù)西南交通大學電氣工程學院電話講：曹曉斌E-mail：caoxiaobin@163.com主要內(nèi)容雷電的起源及主要參數(shù)雷電對高速鐵路的危害防雷措施與作用高速鐵路防雷技術(shù)的發(fā)展綜合接地技術(shù)1、雷電的起源及主要參數(shù)1、大自然中的雷電活動

在全球范圍內(nèi)，雷電發(fā)生頻率是很高的，任何時刻大約有2000個地點遇上雷暴，每秒鐘就有上百次雷電，每天約有800多萬次雷電，一年中平均發(fā)生30多億次雷電，每次閃電在微秒級的瞬間釋放出約55kW.h的能量。森林火災有50％以上因雷電引發(fā)；人們居住生活的建筑物屢遭雷擊破壞；電力、石化等工業(yè)設施常因雷擊而發(fā)生災難性事故。視頻：雷暴

太空中看地球上的雷電活動3、雷電的產(chǎn)生1、大自然中的雷電活動1、大自然中的雷電活動2、雷云的產(chǎn)生感應起電說溫差起電說凍結(jié)起電說破碎起電說電離起電說摩擦起電說感應起電說地球是一個帶電的大電容，電離層帶正電，地殼表面帶負電，帶電量約為50萬庫侖。水滴（也可能是冰晶、雹粒）在垂直大氣電場中感應電荷，下端為正、上端為負，與大氣中上升的負離子的電荷中和，使水滴帶負電，形成雷（雨）云起電后的電荷分布。2、雷云的產(chǎn)生溫差起電說冰塊中同時存在氫離子（H+

）和氫氧根離子（OH

），由于冰塊兩端溫度不同，會產(chǎn)生發(fā)生離子擴散現(xiàn)象。氫離子質(zhì)量輕，擴散快，冷端呈現(xiàn)帶正電。在對流氣流和重力的作用下，形成雷（雨）云起電后的電荷分布。2、雷云的產(chǎn)生凍結(jié)起電說

在云層重有許多過冷水滴，當過冷水滴與霰粒碰撞時，會立即凍結(jié)，這叫撞凍。當發(fā)生撞凍時，過冷水滴外部立即凍成冰殼，但它的內(nèi)部仍暫時保持著液態(tài)，并且由于外部凍結(jié)放的潛熱傳到內(nèi)部，其內(nèi)部液態(tài)過冷水的溫度比外面的冰殼高。溫度的差異使得凍結(jié)的過冷水滴外部帶上正電，內(nèi)部帶上負電。2、雷云的產(chǎn)生三個主要階段：先導產(chǎn)生階段；先導發(fā)展階段；通道形成及放電階段；閃電的初始擊穿：

在有積雨云存在的大氣中，積雨云的下部有一負電荷中心與其底部的正電荷電荷中心附近局部地區(qū)的大氣電場達到104v/cm左右時，則負、正電荷之間的云霧大氣會被擊穿，負電荷向下中和掉正電和，這時從云層下部到云底部全部為負電荷區(qū)。3、雷電的產(chǎn)生先導流注：

隨大氣電場的進一步加強，進入起始擊穿的后期，電子與空氣的分子發(fā)生碰撞，形成天空中帶電的雷雨云的云粒（或水成物）向地面延伸，在雷雨云下形成從云層向下的流光，表現(xiàn)為一條暗淡的光柱，即先導流注。幾個參數(shù)：每級通道變化范圍約3~200m平均速度約1.5

107

cm/s間隙時間約30~125us每一級的推進速度約5

109

cm/s通道直徑約1~10m每一級的擊穿方向是不確定的折線3、雷電的產(chǎn)生閃電通道：

流注先導不斷地向地面發(fā)展，從而形成多枝狀的充滿負電荷（對負地閃）的通道，其中有一枝是充滿負電荷（對負地閃）的主通道，稱為電離通道或閃電通道，簡稱為通道。主放電過程：放電主通道到達地面，或與大地放電迎面會合以后，就形成云層到地面的全程（雷擊放電通道）放電，此時云中電荷通過主放電通道流入大地，形成主放電。3、雷電的產(chǎn)生回擊過程：當梯級先導與連接先導會合，形成一股明亮的光柱，沿著梯式先導所形成的電離通道由地面高速沖向云中，這稱為回擊。幾個參數(shù)：回擊電流可達10kA。回擊速度約2

109

~2

1010

cm/s回擊通道直徑約0.1~0.23cm回擊通道溫度可達100000C回擊時間約60us3、雷電的產(chǎn)生4、雷電的種類閃電的類型：從閃電表面的形狀分類，則可分為：線狀閃電帶狀閃電片狀閃電聯(lián)珠狀閃電球狀閃電從閃電的空間位置分類，則可分為：云內(nèi)閃電云際閃電晴空閃電云地閃電云與大地之間的閃電簡稱地閃，對人類的關(guān)系最密切，是防雷研究的主要對象閃電的類型：從閃電表面的形狀分類，則可分為：線狀閃電片狀閃電帶狀閃電聯(lián)珠狀閃電球狀閃電線狀閃電

片狀閃電

帶狀閃電

鏈珠狀閃電

球狀閃電

從閃電的空間位置分類，則可分為：云內(nèi)閃電云際閃電晴空閃電云地閃電云與大地之間的閃電簡稱地閃，對人類的關(guān)系最密切，是防雷研究的主要對象

大地被雷擊時，多數(shù)是負電荷從雷雨云向大地放電，稱之為負地閃；少數(shù)是正電荷從雷雨云向大地放電，稱之正地閃。空間位置（性質(zhì)）晴天放電雷云閃電云內(nèi)閃電云際閃電云地閃電1、雷電流波形1）波頭時間及波長

雷電流是一個非周期的瞬態(tài)電流，通常是很快上升到峰值，然后較為緩慢的下降。雷電流的波頭時間【T1】是指雷電流從零上升到峰值的時間，又稱為波前時間；波長時間【T2】是指從零上升到峰值，然后下降到峰值的一半的時間，又稱為半峰值時間。由于在雷電流波的起始和峰值處常常疊加有振蕩，很難確定其真實零點和到達峰值的時間，因此，我們常用視在波頭時間T1和視在波長時間T2來表示雷電流的上升時間和半峰值寬度，一般記為T1/T2，如下圖所示：5、雷電的波形及主要參數(shù)雷電流標準波形正極性雷電流波形負極性雷電流波形2）標準波形

[英]R.H.Golde《雷電》一書的記載和近年來大量的觀測表明：雷電流具有單極性的脈沖波形，大約有80-90%的雷電流是負極性的，常見的負電流波形前沿呈拱形。國外在圣薩爾瓦托山、紐約州府大廈、意大利和其它高建筑物等觀測點觀測獲得的電流波記錄都顯示出有相似的拱形前沿，到達峰值雷電流的中值時間有的是5.5μs，有的是7μs。在IEC標準、國標中規(guī)定的雷擊測試波形主要有：8/20us、10/350us（電流波）、10/700us以及1.2/50us（電壓波）等。3）雷電流幅值

通常定義雷電流為雷擊于低阻接地電阻(Ri≤30Ω)的物體時流過雷擊點的電流。它近似等于電流入射波I0的兩倍，即一般地區(qū)，雷電流幅值超過的概率可按下式計算波前陡度的最大極限值一般可取50kA/us左右。4)雷電流的波前時間、陡度及波長雷電流的波前時間T1處于1～4us的范圍內(nèi)，平均為2.6us。波長T2

處于20～100us的范圍內(nèi)，多數(shù)為40us左右。我國防雷設計采用2.6/40us的波形；在絕緣的沖擊高壓試驗中，標準雷電沖擊電壓的波形定為1.2/50us

雷電流波前的平均陡度(kA/us)

3、過電壓保護中雷電的幾個主要

參數(shù)

雷電放電涉及到氣象、地形、地質(zhì)等許多自然因素，有一定的隨機性，因而表征雷電特性的參數(shù)也帶有一定的統(tǒng)計性質(zhì)。在防雷設計中，雷暴日、雷電流波形、幅值等參數(shù)是我們比較關(guān)心的幾個參數(shù)。1）雷暴日為了表征雷電活動的頻率，采用年平均雷暴日【Td】作為計算單位。無論一天內(nèi)聽到幾次雷聲，只要有一次，該天就記為一個雷暴日，一天有多次，仍記為一個雷暴日。

2）雷暴小時

一年中發(fā)生雷電放電的小時數(shù)，在一個小時內(nèi)只要有一次雷電，即計為一個雷電小時（Th）5、雷電的波形及主要參數(shù)3）雷電活動區(qū)域的劃分根據(jù)雷電活動的頻度和雷害的嚴重程度，我國根據(jù)年平均雷暴日數(shù)分類：

T~>90的地區(qū)叫做強雷區(qū)

T≥40的地區(qū)為多雷區(qū)

15≤T≤40的地區(qū)為中雷區(qū)

T≤15的地區(qū)為少雷區(qū)?？谑衅骄昀妆┤?05天，屬強雷區(qū)。我國一些重要城市的年平均雷暴日

地名雷暴日數(shù)（d/a）地名雷暴日數(shù)（d/a）地名雷暴日數(shù)（d/a）地名雷暴日數(shù)（d/a）北京市36.3蘇州市28.1鄭州市21.4自貢市37.6天津市29.3南通市35.6洛陽市24.8貴陽市49.4上海市28.4徐州市29.4三門峽市24.3遵義市53.3重慶市36.0杭州市37.6武漢市34.2昆明市63.4石家莊市31.2寧波市40.0宜昌市44.6拉薩市68.9太原市34.5溫州市51.0長沙市46.6西安市15.6呼和浩特市36.1合肥市30.1衡陽市55.1蘭州市23.6包頭市34.7蚌阜市31.4廣州市76.1漢中市31.4沈陽市26.9安慶市44.3深圳市73.9西寧市31.7大連市19.2福州市53.0湛江市94.6銀川市18.3長春市35.2廈門市47.4南寧市84.6烏魯木齊市9.3吉林市40.5南昌市56.4柳州市67.3?？谑?04.3哈爾濱市27.7濟南市25.4桂林市78.2瓊中115.5南京市32.6青島市20.8北海市83.1香港34.0常州市35.7煙臺市23.2成都市34.0臺北市27.94）地面落雷密度

對于雷電放電來說，云與云之間的放電次數(shù)多于云對地放電次數(shù)，而上述雷暴日或雷暴小時對于這一事實沒有加以區(qū)分。從防雷角度分析，地閃發(fā)生的頻數(shù)是確定地閃對人類和建筑物的最重要的參數(shù)。

雷云對地放電的頻繁程度，用地面落雷密度【Ng】來表示。其定義是每個雷電日每平方公里上的平均落雷次數(shù)，又稱地閃密度。它的定義為一年中單位地表面積上空所出現(xiàn)的地閃次數(shù)的多年平均值。

總的閃電密度為地閃、云閃密度之和。單位為次/km2秒，或次/km2年。在雷暴活動期間，各地的閃電密度相差很大。因此需要對一定面積范圍內(nèi)的平均總閃電密度和平均地閃密度進行足夠長期觀測，得到足夠的資料進得分析統(tǒng)計。觀測表明，當雷暴發(fā)展到后期，云閃要比地閃出現(xiàn)的閃電密度高；我國過電壓保護規(guī)程取地面落雷密度為：

Ng=0.015/k㎡d

近年來，我國一些單位采用雷電定位系統(tǒng)測量表明，在大多數(shù)情況下，Ng的數(shù)值為0.09/k㎡d0.1/k㎡d。實際上Ng值與年平均雷電日數(shù)Td有關(guān)。通常，當Td增大時，Ng也隨之增大，由于我國幅員遼闊，Td的變化很大，很難取統(tǒng)一的一個值。因此，一些學者認為采用國際大電網(wǎng)會議33委員會1980年推薦的計算公式較為合理，該公式為：

Ng=0.0237Td1.3

我國建筑物防雷規(guī)范GB50057-94使用的Ng接近這一數(shù)值，式中系數(shù)取0.024。2、雷電對高速鐵路的危害2.1電氣化鐵路的雷害現(xiàn)狀電氣化鐵路遭受雷擊會造成信號、通信和電力系統(tǒng)設備的損壞，“7.23”甬臺溫特大軌道交通事故發(fā)生前的7分鐘內(nèi)，累計雷擊近100次，是造成此次事故發(fā)生的一大誘因。2.2接觸網(wǎng)的雷擊類型電磁感應雷電流入地、接地電阻波阻抗、雷電流以上3種情況都可能導致接觸網(wǎng)故障。2.3變電所雷擊類型直擊雷傳輸雷地電位反擊2.4高速鐵路的特點高速鐵路采用了大量的高架橋以及隧道結(jié)構(gòu)，如京滬高鐵全線共有高架橋梁238座，隧道22座，總長度達1061公里，占全線長度的80.5%，高架橋抬升了高速鐵路本身的高度，使得懸掛系統(tǒng)收集雷擊的寬度增大，遭受雷擊的概率增加。3、防雷措施的種類及作用3.1防雷措施的組成高速鐵路屬低空防雷體系,低空防雷體系的構(gòu)成及防雷措施種類構(gòu)成如圖所示。3.2接觸網(wǎng)雷擊區(qū)域的劃分由于高速鐵路接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特殊性，其雷擊區(qū)域與輸電線路有很大的區(qū)別。接閃器（避雷針、避雷帶、避雷線）是防直擊雷的主要方法，傳統(tǒng)建筑屋防雷采用滾球法確定接閃器的防護范圍，防護等級不同，采用的滾球半徑不同。3.3接閃器的作用采用不同半徑的滾球所得到到避雷線的防護范圍不一樣，對應的繞擊概率也不相同，但該方法不能定量分析防護效果3.3.1避雷線在防雷中的應用3.3.2避雷線在接觸網(wǎng)防雷中的作用3.4避雷器的發(fā)展史3.4.1氧化鋅避雷器工作原理3.4.2避雷器的工作原理及失效機理安裝避雷器是防雷的重要措施，確定避雷器的安裝密度、防護范圍、分流情況和失效條件是制定合適的接觸網(wǎng)防雷措施的前提。3.4.3避雷器在防雷中的應用3.4.4安裝避雷器對接觸網(wǎng)

耐雷水平的影響在支柱接地電阻相同的情況下，安裝避雷器可大大提高線路耐雷水平。當支柱接地電阻為30Ω時，無避雷器時的線路耐雷水平為12kA，安裝避雷器后，線路耐雷水平提高到24.kA。3.4.5避雷器的工作范圍（a）接地電阻為5歐姆(b)接地電阻為10歐姆3.5接地系統(tǒng)在防雷中的作用通常認為：接地是將電氣系統(tǒng)的某些節(jié)點或電氣設施的某些部分與大地相連接。國標DL/T621-1997《交流電氣裝置的接地》中定義：將電力系統(tǒng)或建筑物中電氣裝置、設施的某些導電部分經(jīng)接地線連接至接地極。接地系統(tǒng)的好壞直接決定了防雷措施的效果3.5.1接地網(wǎng)的作用3.5.2接地電阻對接觸網(wǎng)反擊

耐雷水平的影響在相同雷電流波形的作用下，接觸網(wǎng)耐雷水平隨支柱接地電阻的增加降低幅度較大。當支柱接地電阻從5Ω增加到30Ω時，線路耐雷水平從35kA降低到11kA，支柱落雷時電位分布曲線,曲線1為支柱接地，曲線2為支柱不接地3.5.3接地方式對耐雷水平的影響縮短接地間距，增加接地數(shù)量后,線路的耐雷水平升高。3.5.4接地極間距對耐雷水平的影響3.6放電間隙的作用在絕緣子上安裝放電間隙，當發(fā)生雷擊時，放電間隙之間的空氣首先擊穿，電弧不從絕緣子表面經(jīng)過，因此絕緣子的裙片不會因電弧高溫炸裂，防止了絕緣炸裂。3.7放電間隙的影響由于沖擊閃絡電壓U50%下降，導致接觸網(wǎng)整體耐雷水平下降；放電間隙安裝在絕緣子上，檢修人員攀爬時容易造成參數(shù)變動，影響實際使用效果；放電間隙安裝調(diào)整較為復雜，其與操作過電壓、機車頂部絕緣子的絕緣配合較為復雜。4、高速鐵路防雷研究的發(fā)展區(qū)域劃分防雷措施架空避雷線避雷器設置位置A區(qū)雷害嚴重且重要線路，進行全面防雷保護全線架設避雷線牽引變電所出口接觸網(wǎng)隔離開關(guān)兩側(cè)架空線與電纜連接處架空線終端B區(qū)雷害比較嚴重且重要的線路，對雷害場所、重點設備進行必要的防雷保護特別需要的場所沿接觸網(wǎng)架設避雷線1、牽引變電所出口2、接觸網(wǎng)隔離開關(guān)兩側(cè)3、架空線與電纜連接處4、架空線終端C區(qū)A和B以外的區(qū)域牽引變電所出口接觸網(wǎng)隔離開關(guān)兩側(cè)架空線與電纜連接處4.1日本接觸網(wǎng)防雷措施的構(gòu)成S狀horn每間隔200m加一個帶放電間隙的絕緣子來分段在架空地線分段區(qū)間的中間進行接地。接地阻抗30Ω以下AT供電線接觸導線鋼軌AT保護線中性線避雷器放電開始電壓42kV放電器放電開始電壓：5kV接地阻抗

10Ω以下1）分相和站場端部的絕緣關(guān)節(jié)；

2）長度2000m及以上隧道的兩端；

3）供電線或AF線連接到接觸網(wǎng)上的連接處。通過規(guī)范可以看出，我國電氣化鐵路接觸網(wǎng)防雷工程設計中，除了通過絕緣子自恢復絕緣外，還在接觸網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)位置設置了避雷器以達到防雷的目的。

4.2國內(nèi)接觸網(wǎng)防雷現(xiàn)狀了解接觸網(wǎng)的引雷范圍與雷電活動參數(shù)是確定接觸網(wǎng)防護等級的先決條件。4.3接觸網(wǎng)防雷技術(shù)的研究4.4雷電活動的地域差異雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)的發(fā)展，為差異化防雷提供了實現(xiàn)基礎。4.4.1不同地區(qū)雷電活動差異我國地域遼闊，不同地區(qū)受雷電危害程度不相同。4.4.2同一地區(qū)雷電活動差異即使是同一地區(qū)，通過雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)進行分析，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部不同區(qū)域受雷電危害程度差異也非常大。4.4.3線路沿線雷電活動分析4.5地形對雷擊概率的影響牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高度相對較低，受地形及建筑影響較大。4.5.1地形的屏蔽作用對于電氣化鐵路而言，地形與建筑物的屏蔽作用有效地降低了其受雷概率。4.5.2地形屏蔽作用的評估4.6差異化防雷設計差異化防雷設計是指在線路設計過程中，根據(jù)不同區(qū)域的雷電流幅值分布、雷電活動次數(shù)，被保護物體與周圍地形之間的屏蔽關(guān)系，以及被保護物體的重要程度，綜合考慮經(jīng)濟性與可靠性要求，對線路不同區(qū)段采用不同的防雷措施。5、綜合接地技術(shù)由于計算機的應用，機房存在直流系統(tǒng)接地、交流系統(tǒng)接地，防雷及防浪涌電流接地、防靜電接地以及信號屏蔽接地，由于機房空間的限制不允許給每一個系統(tǒng)單獨提供接地，因此提出了綜合接地的概念，此時的綜合接地主要是指在同一個接地系統(tǒng)上綜合了各種不同的接地功能。5.1綜合接地的起源計算機房綜合接地5.2地鐵綜合接地系統(tǒng)地鐵綜合接地系統(tǒng)與其它地下設備的關(guān)系地鐵綜合接地系統(tǒng)的作用鋼軌作為回流導體承載著牽引回流。牽引變電所回流線受電弓牽引網(wǎng)接觸線鋼軌吸上線絕緣墊板路基5.3牽引變電所綜合接地的特點牽引回流流過鋼軌與大地間的泄漏電阻，產(chǎn)生鋼軌對地電位?！?.4鋼軌對地電位的形成高速鐵路10000kW。普速鐵路2000-3000kW。對地泄漏電阻大。路床電阻率高。高架橋上接地引線長。隧道內(nèi)路基電阻率高。導致鋼軌電位顯著升高。牽引負荷大無砟軌道橋隧比例高5.5高速鐵路對鋼軌電位的影響

日本山陽新干線運行初期鋼軌電位達750V.

我國某鐵路段現(xiàn)場實測結(jié)果，牽引電流約200A，鋼軌電壓接近100V.高速鐵路牽引電流達300-500A，鋼軌電位會更高！優(yōu)點：理論上，可以使鋼軌電壓可降低一半；缺點：上下行會車時，效果不明顯；使無負荷一側(cè)鋼軌電位升高，危害天窗作業(yè)人員安全ABC接觸網(wǎng)上行軌下行軌接觸網(wǎng)ABC牽引變電所牽引變電所（1）將上下行鋼軌進行連接橫向連接5.6降低鋼軌電位的措施直供方式+回流線降45%帶回流線直供方式AT降30%（2）改變供電方式（3）増加鋼軌與保護線的連接線（CPW）密度CPW密度增加一倍后，鋼軌電壓降低約20%（4）設置綜合接地系統(tǒng)。系統(tǒng)概述：將鐵路沿線的牽引供電回流系統(tǒng)、電力供電系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、通信及其他電子信息系統(tǒng)、建筑物、道床等需要接地的裝置通過貫通地線連成一體的接地系統(tǒng)。系統(tǒng)核心：綜合貫通地線。路基段貫通線橋梁段貫通線隧道段貫通線主要作用：減小接地電阻，降低鋼軌電壓；為沿線設備提供公共參考地電位；5.7牽引變電所綜合接地的特點（1）接地系統(tǒng)以綜合貫通線為主干，充分利用沿線的接地體，構(gòu)成綜合接地平臺（2）距接觸網(wǎng)5m范圍內(nèi)需要接地的設施、線路兩側(cè)20m內(nèi)建筑的接地裝置均應接入綜合接地系統(tǒng)。（3）綜合貫通地線接入處電阻不超過1歐姆。（4）不便與綜合接地系統(tǒng)連接的第三方設備應采取可靠的絕緣、隔離措施。5.8綜合接地設計的基本原則基本原則：（1）橋梁地段貫通地線鋪設在兩側(cè)的通信信號電纜槽內(nèi)，接地極充分利用橋墩基礎設置。（2）橋梁結(jié)構(gòu)的梁部、橋墩臺、承臺、基礎以及接地系統(tǒng)的外部接口和各結(jié)構(gòu)之間的連接均進行接地連接,以形

成完善的接地系統(tǒng)并具備良好的接地性能。