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1、接触网的电气设备与装置主讲人 董昭德西南交通大学电气工程学院2011.09.成都,第4讲接触网的电气设备与装置,4.1接触网的电分段及电连接,1接触网电分段的目的2接触网电分段的类型3接触网电分段原则4接触网电分段设备5接触网电连接,1目的增加接触网供电的灵活性和安全性，缩小停电事故范围，满足供电和检修以及其它特殊需要。,接触网电分段示意图,第4讲接触网的电气设备与装置,2电分段的类型横向电分段：接触网线路之间进行的电分段，它用于复线上下行股道间，车站，车场各股道间的接触网电分段；由分段绝缘器和隔离开关、悬式绝缘子（用于软横跨）实现；纵向电分段：接触网沿线路方向进行的电分段叫纵向电分段。用于沿
2、线路方向接触网之间的电分段，如沿线路方向各供电臂之间的电分段。由绝缘锚段关节实现。,4.1接触网的电分段及电连接,第4讲接触网的电气设备与装置,4.1接触网的电分段及电连接,3电分段设备,第4讲接触网的电气设备与装置,电连接线,接触线,分段绝缘器本体,承力索,硅橡胶绝缘子,消弧装置,第4讲接触网的电气设备与装置,接触网的电分段设备分段绝缘器,硅橡胶绝缘子,分段绝缘器,插入录相,第4讲接触网的电气设备与装置,组成：电连接线和电连接线夹；作用：等电位，导流、减少网阻抗。种类：横向和纵向两种。锚段关节处的电连接为纵向电连接。几股道接触悬挂并联起来的跨越股道间的电连接为横向电连接。,4 接触网的电连接
3、,1为什么要换相？2电分相的设置原则,4.2接触网的电分相,第4讲接触网的电气设备与装置,相关名词供电臂供电分区,设置原则：1为减少接触网分相数量，避免分区亭开关设备承受线间电压，为双边供电或越区供电提供技术平台，两相邻变电所之间的接触网一般应采用同一相电源供电；2接触网电分相区一般设置在牵引变电所和分区亭出口，牵引变电所供电分区处，铁路局分界处；3不得将接触网电分相区设置在大于5的坡道区段或距车站进站信号机的距离小于500m的范围内。,4.2.1接触网电分相及其设置原则,根据牵引变电所对供电臂的供电情况和线路单复线及上下行接触网间的连接情况，牵引变电所对接触网的供电形式可分为单线单边供电、单
4、线双边供电、单线越区供电、复线单边并联供电、复线单边分开供电以及复线双边纽结供电等多种形式。简言之，有单边供电、双边供电和越区供电三种方式。,4.2.2牵引变电所对接触网的供电方式,第4讲接触网的电气设备与装置,4.2.3接触网电分相设备与结构,第4讲接触网的电气设备与装置,单元件式,多元件式,带中性段的绝缘锚段关节（电分相）,4.2.3接触网电分相设备与结构,第4讲接触网的电气设备与装置,铁道部2003年颁部的京沪高速铁路设计暂行规定（下册）和2005年颁部的新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定中均规定我国时速200公里以上接触网的电分相均采用带中性段的绝缘锚段关节式电分相,11跨带中
5、性段绝缘锚段关节,两个中性段的结构,4.2.3接触网电分相设备与结构,第4讲接触网的电气设备与装置,电分相标志牌设置示意图,第4讲接触网的电气设备与装置,4.2.3接触网电分相设备,课间休息！,第4讲接触网的电气设备与装置,机车自动过分相的方式：（1）地面开关站自动切换方式；（2）网上开关自动断电方式；（3）机车自动断电方式；,代表：日本：地面开关站自动切换方式法国：车载自动断电方式西班牙：车载自动断电方式瑞士：网上开关自动断电方式,第4讲接触网的电气设备与装置,4.2.4自动过电分相技术,1地面开关自动切换方式,（1）系统构成及工作原理,真空负荷开关的主要技术参数额定工作电压：27.5kV;
6、工频耐压：95kV，持续1分钟；额定关合电流：20kA;额定工作电流：1000A;合闸时间：不大于70ms;分闸时间：不大于40ms;冲击耐压：185kV;电气寿命：大于5万次；机构寿命：大于5万次。,第4讲接触网的电气设备与装置,4.2.4自动过电分相技术,（）电源,（）电源,中间断电区,轮轨,在线检测电路,开关断路器（）,断开,开关断路器（）,闭合,无列车状态,地面开关方式工作过程,第4讲接触网的电气设备与装置,（）电源,（）电源,架线,中间断电区,轮轨,在线检测电路,开关断路器（）,断开,开关断路器（）,闭合,列车靠近,第4讲接触网的电气设备与装置,地面开关方式工作过程,（）电源,（）电
7、源,架线,中间断电区,轮轨,在线检测,开关断路器（）,断开,开关断路器（）,闭合,进入中间断电区、在线检测,第4讲接触网的电气设备与装置,地面开关方式工作过程,（）电源,（）电源,架线,中间断电区,轮轨,开关断路器（）,断开,开关断路器（）,断开,在线,开关断路器（）断开,第4讲接触网的电气设备与装置,地面开关方式工作过程,（）电源,（）电源,架线,中间断电区,轮轨,在线,开关断路器（）,闭合,开关断路器（）,断开,开关断路器（）闭合,第4讲接触网的电气设备与装置,地面开关方式工作过程,（）电源,（）电源,架线,中间断电区,轮轨,无列车,开关断路器（）,断开,开关断路器（）,断开,开关断路器（
8、）断开,第4讲接触网的电气设备与装置,地面开关方式工作过程,1地面开关自动切换方式,系统关键技术：真空负荷开关；控制系统；机车、变电所、自动装置之间的兼容,控制系统：由可编程控制器、机车位置传感器、输入信号隔离、输出驱动、电源、显示、报警、试验等部分组成。必须精确可靠地实现对各执行部件的自动控制和状态监视，并具有以下功能：有足够的逻辑运算及控制能力；能自动检查出装置中出现的各种故障并分类报警；响应速度快，开关切换时的瞬时断电时间短；抗干扰性能强，能在接触网的电磁干扰环境下可靠工作；能适应长时间无间歇的连续工作。,第4讲接触网的电气设备与装置,4.2.4自动过电分相技术,真空负荷开关：为减轻过渡
9、过程对机车电器设备的机电冲击，真空负荷开关切换过程中的瞬间断电时间应很短，其分合闸速度应很快；真空负荷开关动作频繁，其机械和电气寿命受到严重威胁，应想尽一切办法提高其机电寿命。,兼容问题：大功率负荷切换势必产生较大的过渡过程，过渡过程产生的危险高电压对机车电气设备、供电系统电气设备及其运行安全危害极大，它使机车电气设备寿命缩短，变电所跳闸，烧伤或烧损接触网。因此，选择恰当的合闸相位和时间，实现系统与供电设备和机车电气设备间的兼容性是本系统的关键技术之一，,1地面开关自动切换方式,地面方式的利弊：涉及面大，重叠的冗余既不可少也不可靠。由于切换用的断路器在列车过分相时均要进行开闭动作，因此要求断路
10、器具有承受高频度的开闭动作性能。操作机构故障多，是供电设备中的维修重点。带负荷转换产生较大的过渡过程，对电力机车电气的安全危害大。,第4讲接触网的电气设备与装置,4.2.4自动过电分相技术,1地面开关自动切换方式,地面开关方式原理图,日本地面开关自动切换方式,第4讲接触网的电气设备与装置,4.2.4自动过电分相技术,列车过分相区产生过电压的原因是一个相当复杂的电磁过渡过程，其形成机理和过程仍在不断探索之中。为解决过电压的问题，2003年以后，日本对新干线地面转换过分相装置在上图的基础上进行了技术改进，将两台串联的真空断路器分别代替S1和S2，即装置采用了四台真空断路器，以此提高灭弧能力,2网上
11、开关方式,网上开关方式原理图L1,L2磁控线包；K1，K2真空灭弧室；ab、cd、ef、gh电分段器；xy相间主绝缘；MDA过电压吸收器。,优缺点：结构简单，截流过电压和重然过电压；瞬间失电，涌流很大，常引起变电所和机车主断路器跳闸；适合100km/h.,第4讲接触网的电气设备与装置,4.2.4自动过电分相技术,（1）系统构成与工作原理,2网上开关方式,(a)过渡过程中的过电压；（b）涌流的限制；（C）装置的机械和电气寿命。,第4讲接触网的电气设备与装置,4.2.4自动过电分相技术,（2）系统关键技术,（a）过电压截流过电压和重燃过电压是网上自动转换过电分相系统中出现的两类过电压，截流过电压大
12、多采用RC回路或氧化锌能量吸收装置消除。采用在电流零点上截流的方法消除重然过电压；通过改善过电压的变化率或降低峰值的方法以使过电压得到缓解。,日本资料介绍日本自动过电分相装置的涌流值可达到正常工作电流的67倍，易造成电力机车主断路器和牵引变电所的跳闸。为消除涌流，应合理设计L1与L2的阻抗，使涌流得到了大幅度的限制。为保护机车在过渡过程中有充分余量保障不跳闸,根据涌流时间短的特点，应把机车主变压器过流保护与辅机电路过流保护在电流整定值不变的前提下，将原来的速动型保护改为延迟型保护具体延迟时间应根据机车电器参数和电流大小进行相应整定计算。,牵引电流变化很大，由此引起的电磁力变化也非常大，电流过小
13、电磁力不足，电流过大电磁力过大，电磁吸合冲击力过大，对机械寿命影响很大。利用电磁饱和原理来恒定电磁吸合力，当牵引电流达到30 A时系统就具备了正常的工作能力，当牵引电流大于40 A时，该装置进入饱和状态，保证电磁力恒定，尽管电流有很大范围内变化，但电磁吸合力均处于恒定许可的范围内，保障了机械结构的可靠性。,3车载自动过分相方式,第4讲接触网的电气设备与装置,4.2.4自动过电分相技术,（1）车载自动过分相系统的组成,车载自动断电过分相系统由安装于电分相区的四个地面磁性感应器、安装于机车底部的车载地面感应信号接收器、安装于机车室内的控制系统和安装于司机室的信号指示系统四个部分组成。,四个地面感应
14、信号接收器，前后互为备用，其安装位置在机车转向架处，距线路中心距钢轨轨面,3车载自动过分相方式,第4讲接触网的电气设备与装置,4.2.4自动过电分相技术,（1）车载自动过分相系统的组成,四个地面磁性感应器；四个车载地面感应信号接收器；控制系统；指示系统。,地面设备的安设,1、2号地面感应器间的距离列车设计最大运行速度X主断路器断开前系统响应时间,（）电源,（）电源,中间断电区,轮轨,无列车,无列车状态,3车载自动过分相方式,第4讲接触网的电气设备与装置,4.2.4自动过电分相技术,（2）车载自动过分相系统的工作原理,（）电源,（）电源,架线,中间断电区,轮轨,在线检测电路,列车从B相向A相通过
15、，滑板通过锚段关节使中性段为B相电,第4讲接触网的电气设备与装置,4.2.4自动过电分相技术,3车载自动过分相方式,（2）车载自动过分相系统的工作原理,（）电源,（）电源,架线,中间断电区,轮轨,在线,列车进入中性区，靠惯性运行,第4讲接触网的电气设备与装置,4.2.4自动过电分相技术,3车载自动过分相方式,（2）车载自动过分相系统的工作原理,（）电源,（）电源,架线,中间断电区,轮轨,在线,通过锚段关节，中性段带A相电,第4讲接触网的电气设备与装置,4.2.4自动过电分相技术,3车载自动过分相方式,（2）车载自动过分相系统的工作原理,（）电源,（）电源,架线,中间断电区,轮轨,无列车,接触网
16、恢复无列状态,第4讲接触网的电气设备与装置,4.2.4自动过电分相技术,3车载自动过分相方式,（2）车载自动过分相系统的工作原理,中性段的长度应根据机车编组情况，即：动力集中或动力分散、升弓数量、两相邻受电弓间的距离、受电弓之间的联接情况以及最高运行速度等因素确定。,第4讲接触网的电气设备与装置,3车载自动过分相方式,（2）车载自动过分相系统的工作原理,4.2.4自动过电分相技术,（3）系统关键技术(a)如何根据接收到的不同地面感应信号时的通过速度、升前弓和升后弓、接收感应器所处位置进行断电和合电的时间和位置的精确计算，尽量减少机车过分相时的速度损换和断电距离是该系统的关键技术之一；(b)车载
17、自动过分相系统与列车控制系统是两套具有相对独立性的系统，存在两个控制系统并存的资源浪费，如何实现系统集成和资源融合是该系统的关键技术之一；(c)该系统在过分相区时，同样伴随有较强的过渡过程，过电压对电力机车电器、接触网和变电所设备与运营安全存在严重威胁，如何缩短过渡过程，严格控制过电压峰值是该系统的关键技术之一；（d）地面感应器对钢轨产生磁化作用，使车载感应器对地面识别发生混乱，从而影响系统的正常判定和动作时间，如何提高系统的识别精度是该系统的关键技术之一。,3车载设备自动断电方式,第4讲接触网的电气设备与装置,4.2.4自动过电分相技术,系统优缺点：（1）地面感应器免维护，可靠度高；（2）安
18、全性较高，速度损失小；（3）不适宜大坡道或低速运行；（4）机车控制系统和过分相系统独立，资源浪费；（5）磁铁会对钢轨产生磁化作用。,3车载设备自动断电方式,第4讲接触网的电气设备与装置,4.2.4自动过电分相技术,（1）问题涉及的范围：接触网方面：本身结构参数是否达标；中性段长度与列车和受电弓运行方式是否匹配。装置本身的问题：车载地面感应接收器判定和控制系统计算是否合理；供电方面：最高电压是否达标；列车方面：列车本身电子电路问题；司机方面：是否按规定操作。,第4讲接触网的电气设备与装置,4.2.4自动过电分相技术,4关于机车过分相烧损接触网的问题,课间休息！,第4讲接触网的电气设备与装置,4.
19、3接触网的绝缘及绝缘配合,第4讲接触网的电气设备与装置,1定义接触网的绝缘配合是指按现有技术条件，综合考虑电气化铁路供电系统中各电气设备的绝缘要求和能力，使接触网绝缘设备或结构处于最佳工作状态，使接触网绝缘性能和投资最优化。2绝缘方式：器件式：绝缘子结构式：空气绝缘间隙,机械方面：满足抗拉及抗剪切的破坏负荷强度，并有2.53.0的安全裕度；电气方面：满足干闪络、湿闪络和击穿电压要求。干闪络电压：绝缘子在干燥、清洁的状态下其表面达到闪络时的最低电压（对室内用绝缘子而言）；湿闪络电压：与绝缘子表面成45度角淋雨时绝缘子表面发生闪络的最低电压；击穿电压：绝缘子瓷体被击穿而失去绝缘作用的最低电压。冲击
20、闪络电压：绝缘子满足防雷要求的电气指标。绝缘子的干闪、湿闪和击穿电压的数值决定于工作电压。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。随着使用时间的增长，绝缘子的绝缘强度会逐渐下降，所以每年至少应进行一次绝缘子电压分布测量。,3绝缘子,4.3接触网的绝缘及绝缘配合,第4讲接触网的电气设备与装置,4接触网空气绝缘间隙,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。绝缘间隙是接触网绝缘配合的重要内容合理、过大？过小？对绝缘间隙的要求：能经受住在空载条件下的操作过电压；能保证接触网在任何恶劣气候条件下的良好工作状态；能保
21、证在任何运营条件下，接地零件上不发生闪络现象。,绝缘间隙的确定,d一接触网带电体与接地体之间的绝缘间隙(m)；UH一接触网额定电压(kV)。,绝缘间隙的确定都是建立在试验基础上的。在进行试验时，不仅要考虑绝缘间隙自身的放电电压特性，还要考虑接触网各绝缘元件的相互配合和工作条件。,根据绝缘配合原则，最小允许固定间隙的干放电电压必须大于最大操作过电压，否则，接触网将可能不能正常工作，再考虑气象条件变化等因素，应在实测值与计算值之间取一合理的安全系数。若取安全系数为1.26，最大操作过电压为75kV，则固定绝缘间隙的干放电电压为94.5kV，从工频放电电压试验曲线中查得放电间隙为230mm；若取安全
22、系数为1.5时，则绝缘间隙的干放电电压为112.5kV，从图中查得放电间隙为275mm；因此，设计规范规定接触网的固定绝缘间隙取300mm，最小允许240mm是合理的和可行的。,第4讲接触网的电气设备与装置,4.3接触网的绝缘及绝缘配合,5接触网带电体与接地体之间的固定绝缘间隙,6瞬时绝缘间隙的确定,第4讲接触网的电气设备与装置,4.3接触网的绝缘及绝缘配合,A1为超限货物或车辆与接触线最低位置时的垂直距离；A2为承力索与建筑物接地体间的垂直距离；D为受电弓带电部分与建筑物间的瞬间垂直距离；S为受电弓工作过程瞬间游动范围。瞬时绝缘空气间隙是在电力机车运行过程中产生的，最危险的情况出现在“受电弓
23、运动处于极限位置而又受到大气过电压的影响”时，因此，在大气过电压的情况下,应根据电力机车顶部安装的110mm绝缘间隙的配合关系来确定瞬时绝缘间隙机车顶部避雷器的110mm绝缘空气间隙的50%冲击放电电压为90kV，工频放电电压为55kV。按照绝缘配合的原则，瞬时绝缘间隙的50%冲击放电电压应比避雷器的放电电压大10%以上，即最小瞬时绝缘间隙的50%冲击放电电压不小于99kV。,7绝缘子接地侧瓷裙至接地体的距离,第4讲接触网的电气设备与装置,4.3接触网的绝缘及绝缘配合,铁路电力牵引供电设计规范规定：绝缘子接地侧瓷裙至接地体间应保150mm的空气绝缘间隙，这主要是考虑了分布电压的关系。,海拔10
24、00m以下地区悬式绝缘子串正常工作时的电压分布,注：海拔高度每增100m,其耐压强度降低1%。,在海拔为10003500m的地区,绝缘子数量一般按下式确定,N一高海拔地区的绝缘子数量(片)；n一海拔1000m以下地区的绝缘子数量(片)；H一高海拔地区的海拔高度(km)。,棒式绝缘子的耐压强度应以不低于增加后的悬式绝缘子串的绝缘水平为依据。,在海拔高度超过1000m的地区,海拔高度每增高100m，接触网空气绝缘间隙的参考取值应增大1%。,第4讲接触网的电气设备与装置,铁路电力牵引供电设计规范规定：应根据雷电日及运营经验，在吸流变压器的原边、分相和站场端部的绝缘锚段关节处、长度在2000m及以上的
25、隧道两端、供电线或AF线连接到接触网上接线处、分区亭、开闭所、AT所引入线处设置避雷装置对接触网进行大气过电压保护。目前接触网上常采用的避雷装置有阀型避雷器、氧化锌避雷器、管型避雷器和角隙避雷器。,4.4接触网的接地与防雷,4.4.1接触网的防雷设备,1管型避雷器及其在接触网中的安装示意图,2氧化锌避雷器（1）氧化锌避雷器是在阀型避雷器的基础上采用氧化锌片作为工作元件，取消了火花间隙，可以直接和电网并联。（2）氧化锌电阻阀片具有非常优良的非线性伏安特性，通流能力大、残压低，能有效保护电气设备的绝缘。（3）氧化锌避雷器具有结构简单，重量轻、体积小、动作快、耐污性好、运行维护方面等诸多优点。,第4
26、讲接触网的电气设备与装置,氧化锌避雷器的安装,绝缘子,与接触网相接,熔断器,氧化锌避雷器,计数器,4.4接触网的接地与防雷,4.4.1接触网的防雷设备,当接触网产生过电压时，角隙上穿放电电流被引入大地，此时角隙之间的电弧在电场力和上升的热气流作用下，自动沿着开放的角型导体向外拉长，弧柱迅速变细并在大气中冷却熄灭，从而提高了避雷器的防污能力及接触网运行的可靠性。放电角型间隙是角隙避雷器的关键部分，它由两个串在一起的火花间隙组成，其中一个靠边的角固定在防污型支柱绝缘子上，用截面不小于25mm2的钢绞线或70mm2的钢芯铝线将它连接到接触网，而另一个靠边的角则通过支持钢管和地线接到钢轨上（或架空地线
27、上）,第4讲接触网的电气设备与装置,4.4接触网的接地与防雷,4.4.1接触网的防雷设备,3角形避雷器,第4讲接触网的电气设备与装置,供电线,架空地线,接触悬挂,1接地的目的和原因（1）绝缘老化和损坏，形成泄漏电流或短路电流；（2）电磁感应干扰（见第4讲）。因此，铁路电力牵引设计规范规定：“距接触网带电部分5m以内的金属结构(桥栏杆、信号机)均应接地”；“接触网在无信号轨道回路区段可直接接钢轨，在有信号轨道回路区段可直接接扼流变压器线圈中性点或串接火花间隙后接至钢轨”。,3.5接触网的接地与防雷,第4讲接触网的电气设备与装置,4.4接触网的接地与防雷,4.4.2接触网的接地,2接地类型接触网的
28、接地按作用不同可分为工作接地和防护接地；根据接地系统的连接情况，接触接地可分为分散接地和集中接地。工作接地是指为设备的安全运行而设置的接地，如支柱的接地、避雷器接地侧接地、旨在降低钢轨电位的金属连接部件的接地等；防护接地是指以防护为目的而设置的接地，铁栅栏的接地，轨道附近金属管线为防止感应电压的接地，接触网停电作业时接触线的接地等。,分散接地：直接接钢轨；通过火花间隙接钢轨。集中接地：通过回流线接地；通过PW线接地；集中接地：双重绝缘保护方式；非绝缘保护方式,第4讲接触网的电气设备与装置,为确保接地极与大在之间的接触电阻符合标准要求，在埋设接地极或运行一定期限（35年）后应对接地极的接地电阻进
29、行监测，对处于城市轨道交通直流系统影响区域内的接地系统应加强这种监测。,4.4接触网的接地与防雷,4.4.3接地装置的安设,接地电阻达不到标准要求的10以下时，可采取以下措施降低接地电阻值。（1）增长接地极网络,每增加一垂直接地体角钢时，水平接地体扁钢相应加长5m，直至接地电阻达到要求为止；（2）外引接地体、将此接地体与邻近的接地体并接；（3）在土壤中加食盐、煤渣、木炭、炉灰等物质；（4）化学处理土壤、更换土壤等，以提高接地体周围土壤的导电率；（5）增加接地体埋设深度，深埋可以不考虑土壤冻结和干燥所增加的电阻系数。,第4讲接触网的电气设备与装置,为达到降低轨电位的目的，在架空接触网区域，电气设
30、备的外壳和导电部件均应接到铁路接地系统上，以避免运行和短路时产生危险接触电压。桥梁、隧道、变电所和支柱基础的各个接地系统均连接到贯通接地线上，形成电气化铁路的整体接地系统,4.4接触网的接地与防雷,4.4.4高速接触网的综合接地装置,第4讲接触网的电气设备与装置,4.4接触网的接地与防雷,4.4.4高速接触网的综合接地装置,电气化铁道的综合接地系统,隧道综合接地系统,第4讲接触网的电气设备与装置,4.5接触网的接地与防雷,4高速接触网的综合接地装置,意大利罗马那不勒斯线设置的综合接地系统。上下行接触网、保护线（PW）每隔1500m与钢轨R(通过扼流圈)和综合地线N纽接，上下行钢轨每隔750m相连，上下行均敷设一条95mm2的铜线（埋深20cm）作为综合地线。,第4讲接触网的电气设备与装置,4.4接触网的接地与防雷,4高速接触网的综合接地装置,第4讲接触网的电气设备与装置,再见！,
