接触网课程设计

接触网工程课程设计报告评语：

考勤（10）

守纪

（10）

设计过程

（40）

设计报告

（30）

小组答辩

（10）

总成绩

（100）

专业：电气工程及其自动化

班级：电气 1001

姓名：周兴

学号： 201009018

指导教师：张红生

兰州交通大学自动化与电气工程学院

2013 年7月15日

1.基本题目

1.1 具体题目

电气化铁路接触网的绝缘配合的研究。

设计内容：根据所在区域环境条件选择绝缘设备型号，设计避雷设备的安装，确定绝缘配合方案及配合中的参数设计。

1.2 题目分析

绝缘配合，指根据接触网所在的电气化铁路供电系统中所可能施加于接触网的各种电压，包括正常工作电压、操作过电压和大气过电压，并考虑保护装置的特性和接触网的绝缘特性，来确定接触网对所加电压的必要的耐受强度，以便把作用于接触网上的各种电压所引致的接触网绝缘损坏和影响接触网不间断正常供电的概率，降低到在经济上和铁路运营上所能接受的水平。良好的绝缘配合，就是要在技术上正确处理各种电压、各种限压措施和接触网绝缘耐受能力三者之间的配合关系，并在经济上协调接触网建设投资费、运营维护费和事故损失费三者之间的关系。本设计所要完成的任务包括三个方面：

(1)绝缘设备的选择；

(2)设计避雷设备的安装；

(3)确定绝缘配合方案及配合中的参数。

2 设计的课程内容

2.1 绝缘设备的选择

绝缘子是接触网带电体与支柱设备或其他接地体保持电气绝缘的重要部件。接触网使用的大多数为瓷质悬式绝缘子和棒式绝缘子。绝缘子经过长期的使用，会在表面产生瞬时放电的现象，即闪络。泄漏距离也称爬距，是指沿绝缘子表面的曲线展开长度。

2.1.1 绝缘子的机械与电气性能

绝缘子在接触网不仅起绝缘作用，而且还承受着机械负荷，特别是软横跨的承力索及下锚用的绝缘子承受着线索的全部张力，所以对绝缘子的电气及机械性能的要求都是极为严格的。绝缘子在机械方面需保证应有的抗拉及抗弯的破坏负载强度并留有2.5~3.0的安全系数；在电气方面，干闪络电压、湿闪络电压和击穿电压也要满足一定的要求。

(1) 绝缘子干闪络电压

绝缘子在干燥﹑清洁的环境时，施加电压使其表面达到闪络时的最低电压，称为干闪络电压。干闪络电压主要对于室内绝缘子有意义。

(2) 绝缘子湿闪络电压

在雨水降落的方向与绝缘子表面呈

45淋在绝缘子表面时，使其闪络的最低电压，就称为绝缘子湿闪络电压。绝缘子发生闪络后，虽然瓷体本身没有受到损害，但其绝缘性能会下降，容易再次发生闪络。

(3) 击穿电压

击穿电压是指绝缘子瓷体被击穿损害而失去绝缘作用的最低电压。绝缘子击穿后不能继续使用，必须更换。

绝缘子的干闪湿闪和击穿电压的数值决定了工作电压，工作电压越高则各数值的要求就越高，绝缘子的击穿电压至少比干闪电压高1.5倍。

绝缘子的电气性能不是一成不变的，随着使用时间的增长，其绝缘强度会逐渐下降，这种现象称为老化。所以，绝缘子在使用中，每年至少应进行一次绝缘子电压分布测量，以检查绝缘性能是否正常。

2.1.2 悬式绝缘子

悬式绝缘子主要用来悬吊或支撑接触悬挂，电气化铁路供电的额定电压是25kV，选用的悬式绝缘子形式一般是由3片组成的绝缘子串。轻污染区采用3片普通型悬式绝缘子组成的绝缘子串；重污染区则采用4片均为防污型悬式绝缘子组成的绝缘子串，在大站软横跨及下锚等水平耐张处，由于承受的机械张力比悬式绝缘子串大，出现零值绝缘子的概率比较大，而且检修较困难，因此，其电气化强度应略高于悬式绝缘子串，通常也采用4片。悬式绝缘子串有较好的机电性能，在部分绝缘子片损坏时，尚能维持供电。

结合兰州的环境条件，可采用4片型号为XWP2-70均为防污型的悬式绝缘子组成的绝缘子串。现将其机电性能列表如表1所示。(其中H表示总长，D表示外径)

表1XWP2-70主要机电性能

产品型号主要尺寸

(mm)

泄漏距

离(mm)

工频试验电压(kV）

50%全波冲

击闪络电压

幅值(kV)

机械负荷

(kN)

重量

(kg) H D 干湿击穿1小时破坏

XWP2-70 146 254 400 90 45 110 130 50 70 5.5

2.1.3 棒式绝缘子

棒式绝缘子是根据电气化铁路接触网的工作条件而专门设计制造的一种瓷质的整体式绝缘子，它的受压性能较好，具有一定的抗弯强度，对于承受压力及弯矩的场合采用棒式绝缘子。根据环境及条件可分为普通型、防污型及双重绝缘三种类型。结合兰州的环境条件可以采用型号为QXN2-25的棒式绝缘子。现将

其机电性能列表如表2所示。(其中H表示总长，D表示外径，d表示连接孔径)

表2QXN2-25机电性能

产品型号

主要尺寸

(mm)

爬距

(mm)

耐污特性全波冲

击耐受

电压

(kV)

工频湿

闪耐受

电压

(kV)

抗弯破

坏负荷

(kN)

重量

(kg) H D d

盐密

(mg/

cm2)

耐受

电压

(kV)

QXN2-25 690 145 —1200 0.3 32 270 130 拉伸40 14

2.2 避雷设备

(1) 避雷设备的概述

接触网所在的电气化铁路供电系统中可能施加在接触网上的电压包括三种：正常工作电压，操作过电压和大气过电压。接触网是露天供电装置，为了安全运行，应采取必要的大气过电压防护措施。要使接触网绝缘能承受住大气过电压，不仅技术上做不到，经济上也不合理，所以需要避雷设备来完成。

(2) 避雷设备的选择

实际设计中，由于兰州地区属于轻雷区，可以采用型号为Y5WT-42的氧化锌避雷器，主要电气特性如表3所示。氧化锌避雷器是一个新型过电压抑制电器，主要由氧化锌非线性电阻片组装而成，是一种空气间隙金属氧化物避雷器。氧化锌电阻片具有理想的伏安特性，在正常工作条件下，具有极高的电阻而呈绝缘状态，当电压超过一定的范围的时，则呈现低阻状态，泄放雷电流，使与避雷器并联的电气设备的残压被抑制在设备绝缘安全值以下，等到有害的过电压消除后迅速恢复到高阻绝缘状态，从而保证了电气设备的正常运行。与传统的的避雷器相比，响应迅速、残压低、通流量大、结构简单等优点。

表3Y5WT-42的主要电气特性

产品型号避雷

器额

定电

压有

效值

(kV)

系统

额定

电压

有效

值

(kV)

持续

运行

电压

有效

值

(kV)

参考

电压

不小

于直

流/工

频

(kV)

残压峰值不大于(kV/kA)

2ms

方波

电流

冲击

不小

于

(A)

4/10μs

电流冲

击不小

于(kA)

额定

电压

2小

时耐

受倍

率不

小于

30/80μs

0.5kA

8/20μs

5kA

1μs

0.5kA

Y5WT-42 42 27.5 31.5 64/45 98 120 138 400 40 1200

我国幅员辽阔，气象条件差异很大，雷电活动情况很不相同。关于雷电区的划分一般认为：每年雷电日少于30时，为轻雷区；雷电日在30-60之间，为中雷区；雷电日多于60者为重雷区。对于不同地区应区别对待;对于同一地区，因电气化线路有时通过山区和平原，其落雷情况也不相同。在设计中应根据具体条件进行调查研究，根据不同情况采用相应的保护措施。 (3) 避雷设备的安装

《铁路电力牵引设计规范》规定：“接触网大气过电压的防护，应根据雷电活动情况，结合运营经验，采取相应的防护措施，在下列重点位置应适当设置避雷装置：电分相和电分段锚段关节、长大隧道两端、分区亭引入线和牵引变电所馈电线出口处。”

2.3绝缘配合

(1) 绝缘间隙

接触网带电体与接地体之间的空气绝缘距离，称为绝缘间隙。就整体电气化铁路来说，如果接触网的绝缘间隙过大，则必然提高电气设备的耐压等级及水平，造成投资过大；如果绝缘间隙过小，则必然招致击穿绝缘间隙的情况频频发生，造成不稳定运行。

确定合理的绝缘间隙，应考虑接触网的工作电压和其他影响空气击穿的因素。选择空气绝缘的原则，一是能够经受住在空载条件下具有脉冲性质的操作过电压；二是能在任何恶劣的气候条件下不发生事故，以保证接触网良好的工作状态。在确定绝缘间隙时，除了考虑电压的变化外，还应考虑气温变化、受电弓抬起接触线以及施工误差等原因造成绝缘间隙的变化。绝缘间隙还应保证在任何运营条件下，消除在接地零件上发生闪络的可能性。在考虑了这一切因素后，应当力求缩小绝缘间隙的数值。

我国曾用下述经验公式来确定接触网带电体与接地体之间的绝缘间隙，即：

150

1.0H

U d +

= 式中d —空气间隙m ；

H U —接触网额定电压kV 。

该经验公式也是经过大量实验得到的，它虽然体现了一定的规律性，但是，由于考虑条件和试验条件不尽不同，各国对最小允许绝缘间隙的见解不甚一致，取值也不尽相同。我国在实验的基础上，参考上述经验公式，经过综合的经济、技术比较后所确定的各项带电体至接地体之间的空气绝缘间隙(距离)如表4所示。

表4空气绝缘间隙表(接触网电压25kV)

序号间隙类别

正常值

（mm）

最小值

（mm）

1 绝缘锚段关节两悬挂点的间隙一般情况450 —吸流变压器处300 —

2 同回路自耦变压器供电线带电体距接触悬挂或供电线带电

体的间隙

500 450

3 25kV带电体距固定接地体的间隙300 240

4 25kV带电体距机车车辆或装载货物的间隙350 —

5 受电弓振动至极限位置和导线被抬起的最高位置距接地体

的瞬时间隙

200 160

6 隔离开关引线、电连接线(包括跨过另一支接触悬挂时)及自

耦变压器供电线、供电线跳线距接地体的间隙

330 —

7 在有对向风压、风速为13m/s时，25kV带电体与自耦变压

器中线或保护线的间隙

250 —

8 绝缘元件接地侧裙边距接地体的

间隙(适用于任何高程)

瓷质及钢化玻璃绝缘子100 75

环氧树脂绝缘元件50 —

(2)绝缘配合

绝缘配合就是综合考虑电气化铁路供电系统中各设备的绝缘能力，欲使绝缘能耐受所有可能遇见的最大过电压，不仅目前技术上做不到，经济上也不合理。因而在考虑绝缘配合时，应当在考虑过电压损坏绝缘不可避免时，应将损坏限制在损害最小，且对运行扰乱最小的原件和部位；同时，应合理的提高整体的绝缘强度，还能利用氧化锌避雷器等绝缘设备来限制过电压幅值。

过电压可分为内部过电压和大气过电压两类。内部过电压有瞬时值大，但时间较短的特点，其可采用延时或是增大绝缘能力的方法。大气过电压又可分为直击雷和感应雷两种，他们造成的过电压更大，不能简单用增大绝缘能力的方法，它会使投资大大增加。因而，电气设备的绝缘主要由大气过电压决定的。

寻求绝缘配合的过程，实质上也就是合理地考虑绝缘水平的过程。例如，对牵引变电所，按绝缘配合要求应做到：当雷电波侵入变电所母线时，阀式避雷器将首先动作，以便保护其他电气设备不被击穿绝缘。这就是伏安特性的配合，即母线上装设的阀式避雷器的伏安特性曲线应比与母线直接联接5的各种电气设备绝缘的伏安特性低。对于接触网，按绝缘配合要求应做到：在任何运行条件下(如由于风力或受电弓的抬升力使导线摆动或振动)，导线及其他带电金具和接地部分(如钢柱，隧道壁等)之间空气间隙的绝缘强度不小于接触网绝缘子的绝缘强度。对于AT区段接触网，还应使自耦变压器的避雷器的起始放电电压，低于自耦变压器的攻击绝缘强度，及要进行伏安特性的配合。

3 总结

接触网的绝缘配合需要考虑绝缘子和避雷设备的选择，以及确定合理的绝缘间隙等，此次课程设计主要就接触网的绝缘配合相关知识进行分析，结合兰州环境条件，选择合适的避雷设施和符合要求的绝缘设备。通过对接触网绝缘配合的思考和查询资料,实现良好的绝缘配合。就绝缘配合来说，良好的绝缘配合，是确保接触网运营安全可靠的主要因素。同时还应该考虑电力网污闪事故的损失，且在严重污秽地区，必须要加强接触网的外绝缘水平。

参考书目

[1]于万聚.高速电气化铁路接触网[M].成都:西南交通大学出版社,2003：191-202.

[2]李伟.接触网[M].北京:中国铁道出版社,2000.