【TB铁路运输标准】 高速铁路牵引供电系统雷电防护技术导则

ICS29.280
中华人民共和国铁道行业标准
TB/T3551—2019
高速铁路牵引供电系统雷电防护技术导则Guide for technology of lightning protection for traction power supply systemof high-speed railway
2019-04-08发布
国家铁路局
2019-11-01实施
规范性引用文件
术语和定义·
雷电活动表征
雷电防护措施
接触网雷电防护原则及实施
牵引变电所及接触网供电线雷电防护实施...附录A（资料性附录）
附录B(资料性附录）
附录C（资料性附录）
附录D（资料性附录）
附录E（资料性附录）
参考文献
接触网用外串联间金属氧化物避雷器典型结构形式和主要技术参数10
接触网用并联间隙典型结构形式和主要技术参数要求电气儿何模型法原理说明：
接触网防雷措施工程实施示意图接触网采用架空地线措施雷击跳闸率计算结果.....13
本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草。本标准由中铁电气化局集团有限公司提出并归口。本标准主要起草单位：天津中铁电气化设计研究院有限公司、中国电力科学研究院有限公司本标准参加起草单位：北京电力经济技术研究院、中铁第一勘察设计院集团有限公司、中国中铁二院工程集团有限责任公司、中国铁路设计集团有限公司、中铁第四勘察设计院集团有限公司、中铁工程设计咨询集团有限公司。
本标准主要起草人：王立关，陈维江、沈海滨、边凯、赵海军、季汉卿、向念文、刘再民、蒋先国、邓云川、宫衍胜、温建民、魏宏伟。
1范围
高速铁路牵引供电系统雷电防护技术导则本标准给出了高速铁路接触网和牵引变电所一次设备雷电防护措施、原则及实施，本标准适用于高速铁路，设计速度200km/h的客运专线可参照执行。2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T11032
交流无间隙金属氧化物避雷器
GB/T32520
交流1kV以上架空输电和配电线路用带外串联间隙金属氧化物避雷器（EGI.A）GB/T50064一2014交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范DL/T1293
TB/T1844
TB10009
3术语和定义
交流架空输电线路绝缘子并联间隙使用导则25kV交流电气化铁道用无闻隙金属氧化物避雷器技术条件铁路电力牵引供电设计规范
下列术语和定义适用于本文件。3.1
云闪intra-clouddischarge
发生在同一云体内部或不同云体之间的大气放电现象。3.2
地闪cloud-to-ground lighiningflash云体与大地或地面物之间的大气放电现象。注：改写GB/T21714.1—2015，定义3.1.3.3
日thunderstormday
雷暴日
某地区一年中的有雷天数。
注1：一天中只要听到一次及以上的雷声或看到一次及以上的闪电，就算一个雷暴日。注2：改写GB/T19663—2005，定义3.253.4
地闪密度
groundflashdensity
每平方公里，每年雷电地闪次数。注：单位为次/（km2·a)。
[GB/T50064—2014，定义2.0.5]3.5
反击backflashover
雷击架空地线或支柱引起支柱顶电位抬升，使接触网绝缘子地电位端对导线发生的闪络放电现象。注：改写GB/T2900.57—2008，定义604-03-39。1
TB/T3551—2019
闪络flashover
气体或液体媒介中介质沿表面发生的破坏性放电。［GB/T16927.1—2011.定义3.1.3]3.7
直击雷过电压
direct lightning overvoltage雷电击中接触网，雷电流通过击中物阻抗和接地电阻入地时在接触网中产生的瞬态过电压。3.8
雷电感应过电压
lightning-inducedovervoltage雷电击中接触网附近大地或者高物体，通过静电感应和电磁感应在接触网导线上耦合出的瞬态过电压。
耐雷水平lightningimpulsewithstandcurrent接触网遭受雷击或者雷击附近天地，引起接触网绝缘子闪络的最小雷电流3.10
雷击跳闸率lightningoutagerate接触网在一年时间段内正线每百公里由于雷击引起的牵引变电所开关断开次数。注：单位为次/<100km·a)。
power frequency follow current工频续流
当电气设备在过电压的作用下发生击穿放电后，沿短路通道流过的系统工额短路电流。3.12
供电臂feedingsection
牵引变电所至分区所上、下行接触网区段。3.13
辅助线（AF线）Auxiliaryfeeder在AT（自耦变压器）供电方式中，与接触悬挂并行架设的起回流作用的导线。3.14
牵引供电线（T线）messengerwireandcontactwireAT供电方式接触网系统的承力索及接触线，注：当进行雷电防护设计时.由于承力索的位置高于接触线，T线的标高特指承力索的标高。3.15
保护线（PW线）protectivewireAT供电方式中，因闪络保护的需要，将绝缘子的双重绝缘部分或者腕臂支持零件连接到钢轨上的附加导线。
returnconductor
回流线
辅助牵引电流流回变电所的附加导线3.17
架空地线
overhead ground wire
连接接触网所有非带电金属体的接地保护线注1：当冬虑防雷作用时，应使其对接触网导线构成有效屏蔽注2：改写GB/T2900.57—2008，定义604-03-0482
保护角
shielding angle
架空地线和被保护导线间连线与垂直线的夹角。注：改写GB/T50064—2014.定义2.D.103.19
metal-oxidesurgearrester
金属氧化物避雷器
TB/T3551—2019
由非线性金属氧化物电阻片串联或并联组成、保护电气设备免受瞬态过电压危害并抑制工频续流的一种电器
注1：结构上分有/无串联放电间隙两种注2：改写GB/T2900.12—2008.定义2.3.2.4。3.20
并联间障
parallel gap
具有限定雷击闪络路径、疏导转移工频电弧功能的一种防雷保护装置注：由高压侧和接地侧金属电极及连接金具组成，并联安装在绝缘子近旁。4雷电活动表征
雷暴日和地闪密度
高速铁路走廊呈线状分布，距离长，地域跨度大，沿线雷电活动有差异，宜采用广域雷电地闪监测系统获得的走廊沿线地闪密度表征。当缺乏广域雷电地闪监测数据时，可通过经验公式（1)由雷暴日近似换算得到。
N,0.023XT
式中：
Ng——-地闪密度，单位为次每平方公里每年［次/（kma)；Ta-—雷暴日，单位为天(d)。
注1：雷电是由带电荷的云体引起的大气放电现象。雷电效电有云闪和地闪两种形式，地闪效电是造成地面基础设施提毁的主要因素。
注2：雷暴日是对雷电活动强度的趋势性描述，且无法区分云闪和地闪效电注3：地闪密度可由广域雷电地闪监测系统通过探测雷电电磁辐射信号经反演计算获得，监测系统只统计地闪放电，既能给出区域范围的地闪密度，也可给出线状走廊的地闪密度，表征雷电活动更准确。4.2雷电流幅值累积概率分布
按照GB/T50064一2014的规定，我国大部地区雷电流幅值可用公式（2）所示的概率分布函数计算，陕南以外的西北地区、内蒙古自治区的部分地区（平均年雷暴日在20d及以下）雷电流幅值可用公式（3)所示的概率分布函数计算。IgP=
式中：
P一幅值大于1的雷电流出现概率；1----雷电流幅值，单位为千安（kA)。5雷电防护措施
5.1架空地线
架空地线是一种设计施工简单、效果明显的雷电防护措施，接触网设置架空地线可将雷击跳闸率大幅3
TB/T3551-2019
降低。在支柱上方架设架空地线后，对AF线和T线形成屏蔽，只有低幅值雷电才能绕过架空地线击中导线但概率很小。架空地线接闪雷电后，雷电流经架空地线和支柱分流人地，只有当雷电流幅值较大时才会引起绝缘子反击闪络。另外，架空地线还对雷击接触网附近大地时产生的感应过电压起屏蔽作用。架空地线屏蔽效果与保护角有关，保护角越小，屏蔽效果越好。对接触网支柱顶端架空地线，架设位置越高，对AF线保护角越小，但架空地线本身的引雷作用会随着高度的增加而增强。架空地线高度确定要权衡屏蔽作用与引雷效果。5.2外串联间隙金属氧化物避雷器外串联间隙金属氧化物避雷器由避雷器本体和串联间隙两部分构成，并联安装于线路绝缘子两端。正常运行电压、操作过电压和干频过电压下，串联间隙不击穿：幅值足够高的雷电过电压作用下，串联间隙击穿放电·雷电过电压施加到避雷器本体上·由于金属氧化物电阻片具有良好的非线性伏安特性，避雷器本体瞬间呈现低阻抗，释放雷电能量，随后避雷器本体恢复高阻抗，阻断系统对地工频续流，串联间隙恢复绝缘状态。该避雷器适合作为线路防雷保护措施。外串联间隙金属氧化物避雷器应用于高速铁路接触网绝缘子防雷保护时，安装避雷器的绝缘子不再发生雷击闪内络，降低接触网雷击跳闸率。该避备器在系统正常运行时，1作电压绝大部分加在审联间隙上，避雷器本体电阻片几乎不存在老化损坏的问题，可以免维护。依据故障导向安全原则，应用于高速铁路接触网的外串联间隙金属氧化物避雷器，为避免脱落或爆炸引起碎块撞击列车，应具有可靠的防松脱和防爆性能。外串联间金属氧化物避雷器本体宜选用复合绝缘材料外护套，相比瓷质外护套，具有耐污、耐电蚀能力强、重量轻等优点。
接触网用外串联间隙金属氧化物避雷器的典型结构形式和主要技术参数参见附录A。5.3无间隙金属氧化物避雷器
无间隙金属氧化物避雷器并联安装在设备两端，系统正常运行电压时，避雷器呈现高阻抗，在雷电过电压作用下，避雷器动作呈现低阻抗，释放雷电能量，随后避雷器迅速恢复高阻抗，阻断系统对地续流。无间隙避雷器动作响应时间为纳秒级，具有优良的伏安特性，能与设备内绝缘特性良好配合，可作为一种较为理想的变电设备防雷保护措施。无间隙金属氧化物避雷器应用于高速铁路接触网防雷保护时，并联于绝缘子两端，避雷器长期承担系统运行电压，可能出现老化故障，需要定期检测维护，与应用于牵引变电所情况相比，运维作量大，且检测实施困难。接触网线路雷电防护不宜采用无间隙金属氧化物避雷器。5.4并联间隙
并联间隙由一对金属电极构成，固定在绝缘子两端，在雷电过电压作用下，间隙击穿，释放雷电能量，随后系统工频续流电弧在电磁力作用下，沿电极向离开绝缘子方向移动，弧根固定在电极端部燃烧，避免烧伤绝缘子造成永久接地故障。并联间隙结构简单，成本低，应用并联间隙保护与不采取措施情况相比，雷击跳闸率会略有增加，但可降低接触网运行维护工作量。接触网用并联间隙的典型结构形式和主要技术参数参见附录B。6接触网雷电防护原则及实施
6.1防护原则
6.1.1无防雷措施时接触网雷击跳闸特性雷电击中接触网AF线或T线时，线路耐雷水平低于4kA，90%以上的雷击都会导致接触网绝缘闪络，雷电击中接触网附近大地或高物体时，通过电磁耦合作用在AF线和T线上产生感应过电压，线路耐雷水平一般大于45kA，接触网因感应雷引起的跳闸率较直击雷引起的跳闸率低得多。表1给出了典型接触网无防雷措施时的雷击跳闸率计算结果。4
大地土壤电阻率
接触网无防雷措施时的雷击跳闸率雷击跳间率
次/(100km·a)
轨面高度0m（路基段）
轨面高度5m
轨面高度10m
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轨面高度15m
轨面高度20m
注1：表中数据对应雷电地闪密度为2.78次/（km·a)，折算到雷暴日约为40d。雷击跳删率与地闪密度呈线性正比关系，不同地闪密度对应的雷击跳阐率可在表中数据基础上进行折算获得，注2：当实际土壤电阻率介于表中给定的两个数值之间时，雷击跳闻率应取表中土壤电阻率高者对应的数值。注3：当实际轨面高度介于表中给定的两个数值之间时，雷击跳闸率应根据表中两个轨面高度对应的数值进行线性插值计算。
注4：在计算一个供电臂内接触网雷击跳闸次数时.将供电臂按照轨面高度、大地土壤电阻率、雷电地闪密度按参数相近原则划分为若干待征段，查表中数据获得各特征段雷击跳间次数，累加各待征段跳间次数获得供电肾的雷击跳闻次数。
注5：表中数据对应AF线悬挂点距离轨面7.42m，承力索悬挂点距离轨面6.9m、接触线距离轨面5.3m、AF线距离线路中心线4.65m计算得出。当沿铁路走廊附近存在高大树木、构筑物时，这些物体会对接触网形成雷电屏蔽，实际接触网雷击跳闸率小于表1计算结果，参照表1进行雷电防护设计偏严格，应视铁路走廊沿线屏蔽物分布情况，研究评估实际雷击跳闸率。
6.1.2一般性原则
接触网雷电防护以防直击雷为主，兼防感应雷。综合考虑土壤电阻率、走廊沿线地闪分布、接触网导线对地高度等影响因素，按照技术经济优化原则实施差异化防护，优先选用架空地线措施，配合选用避雷器措施，特定条件下可差别少量选用并联间隙措施。
对设置在临近接触网两侧的其他铁路设施、设备，会受到接触网屏蔽作用，接触网为这些设施、设备提供的直击雷保护范围可采用电气几何模型法评估确定。电气几何模型法的原理说明参见附录C。6.2架空地线措施实施
当接触网无防雷措施时的雷击跳闸率大于4次/(100km·a）时，应采用架空地线措施进行雷电防护。
6.2.2架空地线宜架设在支柱顶端，对地高度较AF线高出2m～2.5m（直供供电方式时对地高度较T线高出1.5m～2m）。典型T.程安装示意参见图D.1。6.2.3宜将架空地线在每根支柱处接地，为雷电流向大地泄放提供通道。降低支柱的接地阻抗，可提高架空地线的保护效果，对于路基段的钢支柱，宜将支柱与基础结构钢筋电气连通，对于路基段的混土支柱，应将架空地线与支柱内的接地引下线连通。5
TB/T3551—2019
表2给出了接触网采用架空地线措施后的雷击跳闻闸率计算结果。附录E同时给出了地闪密度为0.78次/（km2·a）（近似雷暴日15d）、1.91次/架空地线设置位置
支柱顶端，
高出AF线2m
支柱项端，
高出AF线2.5m
接触网采用架空地线措施后的雷击跳闸率雷击跳闸率
次/(100km·a)
大地土壤电阻率
轨面高度0m
（路基段）
轨面高度5m
轨面高度10m轨面高度15m
轨面高度20m
注1：表中数据对应雷电地闪密度为2.78次/（km2，a)，折算到雷暴日约为40d。雷击跳闸率与地闪密度呈线性正比关系，不同地闪密度对应的雷击跳率可在表中数据基础上进行折算获得。注2：当实际土壤电阻率介于表中给定的两个数值之间时，雷击践闸率应取表中土壤电阻率高者对应的数值。注3：当实际轨面高度介于表中给定的两个数值之间时，雷击跳闸率应根据表中两个轨面高度对应的数值进行线性插值计算。
注4：在计算一个供电臂内接触网雷击跳闹次数时，将供电臀按照轨面高度、大地土壤电阻率、雷电地闪密度按参数相近原则划分为若干特征段，查表中数据获得各待征段雷击跳间次数，累加各待征段跳间次数获得供电臂的雷击跳用次数。
注5：表中数据对应AF线悬挂点距离软面7.42m、承力索悬挂点距离轨面6.9m，接触线距离轨面5.3m.AF线距离线路中心线4.65m计算得出。6
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6.2.5牵引变电所近区接触网遭受直击雷产生的高幅值雷电侵人波对所内设备绝缘危害较大，为降低损害概率，宜在架空供电线上方设置架空地线，架空地线的设置长度不应小于1km。当架空供电线长度小手1km时，可考虑在上网点处接触网两侧继续设置架空地线，各单侧方向接触网架空地线长度与架空供电线架空地线长度之和不小于1km。架空供电线上架空地线典型T程安装示意参见图D.2。
6.3外串联间隙金属氧化物避掌器措施实施6.3.1通过表2中数据计算供电臂接触网雷击跳闸率，当采用架空地线措施后雷击跳间率仍然大于8次/（100km·a），宜在接触网绝缘子上安装外串联间隙金属氧化物避雷器6.3.2装有外串联间隙金属氧化物避雷器的AF线绝缘子、T线水平腕臂绝缘子和下锚绝缘子处视为不会发生雷击内络，连续装设避雷器支柱之间的区段接触网雷击跳闸率按零计算。6.3.3外串联间隙金属氧化物避雷器安装数量以供电臂雷击跳闸次数低于限值为判据分步计算确定，供电臂雷击跳闸次数限值按接触网雷击跳闸率限值8次/(100km·a）折算得出。从供电臂内雷击跳闸率最高的特征段开始安装避雷器，送代计算供电臂雷击跳闸次数以确定该特征段需要安装避雷器的支柱数量，若该特征段全部支柱安装避雷器后供电臂雷击跳闸次数仍大于限值，再在供电臂内雷击跳闸率次高特征段安装避雷器，继续送代计算供电臂雷击跳闸次数以确定安装支柱数量，依此类推，古至供电臂雷击跳闸次数低于限值6.3.4当供电臂只有一个特征段时，外串联间隙金属氧化物避雷器安装应从牵引变电所上网点支柱开始向供电臂两侧末端延伸，以降低牵引变电所近区接触网雷击闪络引起的大短路电流对所内牵引变压器的冲击。
6.3.5外串联间隙金属氧化物避雷器应与接触网绝缘子并联安装。保护AF线绝缘子和T线水平腕臂绝缘子的避雷器可利用支柱接地，6.3.6外串联间隙金属氧化物避雷器额定电压不应小于32kV.8/20us标称放电电流取10kA，雷电冲击50%放电电压比被保护绝缘子的雷电冲击50%放电电压低20%~30%其他参数应满足GB/T32520规定的要求。
6.3.7对AF线绝缘子，外串联间隙金属氧化物避雷器本体宜朝向线路外侧，对T线水平腕臂绝缘子，避雷器本体宜朝向下方：典型工程安装示意参见图D.3：对下铺绝缘子，避雷器本体宜朝向下方，典型T程安装示意参见图D.4。
6.4并联间隙措施实施
6.4.1如果对接触网绝缘子或其他绝缘部件有保护要求时，可采用并联间愿措施。6.4.2并联间隙应与被保护绝缘子并联安装，可通过支柱接地，6.4.3对AF线绝缘子，并联间隙应朝线路外侧方向安装，对T线水平腕臂绝缘子，并联间隙应朝向水平方向，典型工程安装示意参见图D.5。6.5无间隙金属氧化物避雷器措施实施6.5.1上网隔离开关牵引变电所侧应安装无间隙金属氧化物避雷器，既保护隔离开关，文起限制雷电侵入波幅值、保护所内设备的作用。避雷器可利用支柱接地，当采用混凝土支柱时应单独设置接地引下线。
6.5.2其他接触网设备和关键节点采用无间隙金属氧化物避雷器进行雷电防护，可按照TB10009的规定执行。
6.6复合绝缘子措施实施
复合绝缘子具有良好的耐污移和抗电弧烧蚀性能。雷击引起绝缘闪络后，工频续流电弧一般不会烧损伞套致其破碎，断裂，产生永久接地故障。对于接触网下镭、分段、分相等处所宜采用复合绝缘子，以降低接触网雷击故障的不利后果。TB/T3551—2019
7牵引变电所及接触网供电线雷电防护实施直击雷防护
采用避雷针对牵引变电所（包括A工所和分区所，以下类同）内一次设备进行直击雷防护，避雷针的设置按照TB10009中相关规定执行。7.2雷电侵入波防护
7.2.1接触网供电线宜按照6.2.5架设架空地线，实现进线段保护，架空地线可兼做支柱集中接地线用，其截面应满足短路电流热稳定性的要求。7.2.2接触网供电线的架空地线不得直接和牵引变电所所内配电装置构架相连，宜与牵引变电所的地网在地下相连接，连接线理在地中的长度不应小于15m。7.2.3当接触网供电线的架空地线兼作牵引变电所的正常工作回流路径之一时，其截面还应满足所通过的正常工作回流的要求。
当接触网供电线的架空地线不兼作牵引变电所的正常工作回流路径，且架空地线的范围与接触网存在合架情况时，应在非合架供电线区段的架空地线与合架接触网区段的架空地线（或回流线、PW线）之间串联单片绝缘子的措施，以防止接触网供电线的架空地线中通过牵引变电所的正常工.作回流。bzxZ.net
若非合架供电线区段支柱为钢支柱，距牵引变电所距离2.2km以上供电线支柱应采用双重绝缘措施。
7.2.4为限制架空供电线支柱的接触电势，非接触网合架单独架空供电线支柱宜设独立的接地装置，其接地电阻不应大于102，且架空地线在每个支柱处应可靠与其接地装置相连接。7.2.5宜在牵引变电所27.5kV侧馈电线电缆两端均设置无间隙避雷器进行雷电侵入波防护，图1给出设置方案示意。避雷器额定电压取42kV.8/20us标称放电电流根据T程实际选用5kA或10kA，其他参数应满足GB/T11032和TB/T1844的规定8
110/220kv
T22k275 kv
元件：
无间原避雷器；
馈电线电缆：
牵引变压器：
电压互感器：
电流互感器：
断路器：
隔离开关；
自用电变压器；
熔断器：
接地母排。
TB/T3551-2019
110/220kV
牵引变电所27.5kV侧无间隙金属氧化物避雷器设置方案示意9
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