接触网课程设计报告

接触网工程课程设计报告

专业：电气工程及其自动化

班级：电气1004

姓名：

学号：

指导教师：

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 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

接触网的绝缘配合，就是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（如装设避雷器）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。简言之，绝缘配合就是绝缘部件、绝缘间隙及避雷器之间的配合。

2 接触网绝缘配合的分析与研究

2.1 接触网的绝缘部件及选择

2.1.1 接触网的绝缘部件

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。接触网用的绝缘子多为悬式绝缘子和棒式绝缘子。绝缘子的性能好坏，对接触网能否正常供电影响很大。它承受着工作电压和各种过电压，并承担着接触悬挂和支持结构的重量及因气象影响产生的机械荷载，因此要求绝缘子有足够的电气绝缘强度，能承受一定的机械荷载和能经受不利环境和大气的影响。

(1) 绝缘子的种类

①悬式绝缘子：悬式绝缘子主要用来悬吊或支撑接触悬挂，悬式绝缘子只能承受拉力。电气化铁路供电的额定电压是25kV，选用的绝缘子形式一般是由三片组成的绝缘子串。轻污染区采用三片普通型悬式绝缘子组成，重污染区采用四片

均为防污型悬式绝缘子组成的绝缘子串。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。

②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的一种瓷质的整体式绝缘子，根据使用环境及条件可分为普通型﹑防污型及双重绝缘三种类型。它受压性能较好，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。

(2) 绝缘子的机械性能

绝缘子在接触网中不仅起绝缘作用，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。绝缘子在机械方面除了需保证应有的抗拉及抗弯（棒式绝缘子）的破坏负荷强度外，还应有2.5~3.0的安全系数。

(3) 绝缘子的电气性能

绝缘子在工作中要受到各种大气环境的影响，并可能受到工频电压、内部过电压和外部过电压的作用。因而，要求绝缘子在这三种电压作用及相应的环境之下能够正常工作或保持一定绝缘水平。绝缘子的电气性能，用干闪络电压﹑湿闪络电压和击穿电压表示。

①绝缘子的干闪络电压

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。

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度淋在绝缘子表面是，使其闪络的最低电压，就称为绝缘子湿闪络电压。

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。

绝缘子发生闪络时，只是沿瓷体表面放电，而瓷体本身未受损害，闪络消失后，绝缘性能即可恢复；而绝缘子击穿后不能继续使用。

2.2.2 接触网的绝缘子的选择

接触网的绝缘子受污染程度要比一般电力线路的绝缘子严重，所以要根据污秽程度的不同相应提高绝缘子的闪络电压值，该值一般随着绝缘子泄露距离增大而提高。所谓泄露距离是指沿绝缘子表面的曲线展开长度。我国经过运营实践，轻污区绝缘子泄露距离规定为920mm，重污区绝缘子泄露距离规定为1200mm，据此来确定绝缘子的类型。

根据本地污染程度，在设计中按重污区选择。

(1) 悬式绝缘子的选择

由于处在重污区，为了保证接触网运行状态良好，采用4片防污型悬式绝缘子组成的绝缘子串，其型号及参数如表1所示。

表1 悬式绝缘子参数表

型号泄漏距离(mm)工频实验电压(kV)

干湿击穿

50%全波冲击闪络电压

幅值

XWP2-70 400 90 45 110 130

(2) 棒式绝缘子的选择

根据电气化铁路接触网的工频额定电压25kV以及重污区要求棒式绝缘子的

爬电距离满足规定的1200mm，可选择出棒式绝缘子如表2所示。

表2 棒式绝缘子参数表

产品型号

(kV) (mm) 电压(kV) 电压(kV) QBN2-25 25 1200 270 130

2.2 避雷器

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。《铁路电力牵引设计规范》规定：“在中雷或重雷地区，结合运营经验，应在下列重点位置设置避雷装置：电分相和电分段锚段关节、长达隧道两端、分区亭引入线和牵引变电所馈电线出口处。”

2.2.1 避雷器的选择

目前普遍选用氧化锌避雷器，它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。它具有理想的伏安特性，在正常工作状况下，流过的电流非常小，即在系统工作电压下，具有极高的电阻而呈绝缘状态，当过电压幅值超过一定范围时，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限制在设备绝缘安全值以下。

根据电气化铁路的额定电压选择氧化锌避雷器的型号及参数如表3所示。

表3 氧化锌避雷器的参数及型号

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)

用途

Y5WT-424227.5 31.5 电气化铁路

2.2.2 避雷器的安装

氧化锌避雷器在使用时通常要安装脱离器，目的是在避雷器出现异常发生故障时，利用工频短路电流让脱离器动作，使脱离器接地端自动脱开，避雷器退出运行，防止事故进一步扩大，并给出故障避雷器的可见性脱离标识以便维护人员及时发现故障点进行维护和更换。避雷器与脱离器串联使用，与被保护电气设备并联。带脱离器的氧化锌避雷器一般配有专用的绝缘托板和安装支架，安装时，氧化锌避雷器利用绝缘托板可直接与脱离器相连，其上部螺栓接高压电线，底部与脱离器上螺栓直接相连，脱离器的下螺栓采用软铜线与地线连接。

2.3 绝缘间隙

2.3.1 绝缘间隙的概念

接触网带电体与接地体(包括大型建筑物、机车车辆、扩大货物等)之间的空气绝缘距离，称为绝缘间隙。接触网绝缘间隙是接触网绝缘配合的重要内容。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。

2.3.2 绝缘间隙的确定

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

H 0.1150

U d =+ 式中，d ——空气间隙(m)；

H U ——接触网额定电压(kV)。

上式是德国电工学会VDE 推荐的确定带电体与接地体之间空气绝缘间隙的经验公式，这个经验公式也是经过大量实验得到的，它体现了一定的规律性。但是，由于考虑条件和实验条件不同，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间

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、电连接线及自耦变压器供电线、供电

线跳线距接地体的间隙

330 — 7 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 瓷质及钢化玻璃绝缘子 100 75 环氧树脂绝缘元件 50 —

2.4 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预见的最大过电压，特别是大气过电压，不仅目前技术上做不到，

经济上也不合理。因而，鉴于各牵引供电设备以及接触网各部位的绝缘有时可能难以避免损坏，在考虑牵引供电系统的绝缘配合时，应当在过电压损坏绝缘不可避免之时，因势利导，将损坏引导、限制在损害最小且对运行扰乱最小的元件或部位；同时合理地提高整体绝缘强度，并利用避雷器等设施限制过电压值。

过电压可分为内部过电压和大气过电压两类，内部过电压通常按额定电压的一定倍数计算。对于电气化铁路，大多认为可按3倍与接触网最高运行相电压计算。但大气过电压造成的感应过电压可达500kV，直击雷造成的过电压则还要高。显然，对电气化铁路供电系统这类110kV以下的系统来说，要求把大气过电压限制到比内部过电压还低的程度是不经济的。因此，接触网及牵引变电所中电气设备的绝缘主要有大气过电压决定。对于具有正常绝缘水平的电力铁路牵引供电设备及牵引网，应能承受内部过电压的作用。

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。对于接触网，按绝缘配合要求应做到：在任何运行条件下，导线及其他带电金具和接地部分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，还应使保护自耦变压器的避雷器的起始放电电压，低于自耦变压器的冲击绝缘强度，就是说，要进行伏秒特性的配合。

在污秽地区特别是严重污秽地区，必须要加强接触网的外绝缘水平。这里的外绝缘是指直接与大气相接触条件下工作的各种形式的绝缘。对于接触网，外绝缘的绝缘强度主要与沿绝缘子表面放电有关。

3 总结

接触网的绝缘配合主要就是绝缘部件、绝缘间隙以及避雷器之间的相互配合，本设计主要针对西北地区的电气化铁路接触网，本着技术合理与经济允许的原则，对接触网的绝缘子和避雷器进行了简单的选择，并确定了各部分之间的绝缘间隙。从绝缘配合方案可以看出，通过绝缘子的设置和绝缘间隙的配合，对于具有正常绝缘水平的接触网，应能承受内部过电压的作用；在中雷或重雷区，适当安装避雷器以限制大气过电压，提高整体绝缘水平，使接触网受到各种过电压的经济损失最小，基本满足绝缘配合的要求。

参考文献

[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,2002.

[2]李爱敏.接触网生产实习指导[M].北京:中国铁道出版社,2000.

[3]李伟.接触网[M].北京:中国铁道出版社,2000.