接触网绝缘配合

接触网技术课程设计报告

班 级： 电气 082 学 号： 姓 名：

指导教师： 任丽苗

年 日

1基本题目

1.1 题目

接触网绝缘配合。本次课程设计本人主要负责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。

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。因此，对接触网的绝缘配合进行分析与研究是十分必要的。

2接触网绝缘配合的分析与研究

2.1接触网的绝缘部件

（1）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。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。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。绝缘子的性能好坏，对接触网能否正常供电影响很大。 （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。 （3）绝缘子的电气强度

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。 （4）悬式绝缘子的电气强度—每串片数选择

每串绝缘子片数应符合工频电压的爬电距离要求，同时应符合操作过电（内过电压）要求，有工频电压爬电距离要求的线路，每串绝缘子片数应符合下式要求 n ≥

λu m

K e L 0

（2-1-1）

式中： n —每串绝缘子片数； u m —系统最高电压，kV ；

λ—爬电比距，330kV 及以上为1.45，220kV 及以下为1.39，cm/kV； L 0—每片悬式绝缘子的几何爬电距离，cm ；

K e —绝缘子爬电距离的有效系数，主要由各种绝缘子爬电距离在实验运行

中提高污秽耐压的有效性来确定，并以XP —70型绝缘子作为基础，其

K e 值取为1。

绝缘子串除应在长期工作电压下不发生闪络外，还应耐受操作过电压的作用，即绝缘子串的湿闪电压在考虑各种影响因数并保持一定裕度后，应大于可能出现的操作过电压，于是绝缘子串的工频湿闪电压（最大值）或正极性操作冲击50%放电电压u s .. 50可由下式确定

u s .. 50≥K 1u 0 （2-1-2） 式中： u s .. 50—绝缘子串的工频湿闪电压（最大值）或正极性操作冲击50%放电电压，

kV ；

u 0—对220kV 及以下系统为计算用最大操作过电压u 0=K 0u ph ∙m (u ph ∙m 为系 统最大工作电压幅值，K 0为倍数）；对于330kV 及以上系统为线路相对地统计操作过电压，采用空载线路合闸、单相重合闸和成功的三相重合闸中的较高值；

K 1—线路绝缘子串操作过电压统计配合系数，对220kV 及以下系统取1.17，

对330kV 以上系统取1.25。

进行绝缘配合时，对于330kV 及以上输电线路的绝缘子串、空气间隙在各种电压

下（特别是操作冲击下）的绝缘强度，宜采用仿真型塔实验数据。绝缘子串和空气间隙的正极性放电电压比负极性低，估计算中应用正极性放电电压。

在实际运行中，不能排除存在零值绝缘子的可能性。因此，在按上述操作过电压确定每串绝缘子片数时，还应适当增加片数。对于直线塔杆，35—220kV 电压等级下增加1片，220kV 及以上增加1—2片。根据《规程》要求，在海拔1000m 以下地区，操作过电压及雷电过电压要求的绝缘子串的绝缘子片数，不少于表1所列数值。

表1 操作过电压及雷电过电压要求悬垂绝缘子串的最少片数

标称电压（kV ） 单片绝缘子的高度（mm ）

绝缘子片数（片）

110 146 7

220 146 13

330

146 17

500 155 25

耐张绝缘子串所受机械负荷较大，易于损坏。因而，耐张绝缘子串的绝缘子片数应在表7—5的基础上增加，对110—330kV 输电线路增加1片，对500kV 输电线路增加2片。在海拔高度为1000—3500m 的地区，绝缘子串的片数如无运行经验时，可按下式确定

n h =h [1+0. 1(H -1)] （2-1-3）

式中： n b —高海拔地区绝缘子串的绝缘子数，片；

h —海拔1000m 以下地区绝缘子串的绝缘子数，片；

H —海拔高度，km ；

（5）绝缘子的机械强度选择

绝缘子机械强度的选择，一般是按所选用导线型号及分裂根数和覆冰厚度、风速等所受综合负载来确定，盘式绝缘子机械强度的安全系数应按下式计算 K 1=

T R

（2-1-4） T

式中： T R —盘式绝缘子的额定机械破坏荷载，kN ；

T —分别取绝缘子承受的最大使用荷载、断线、断联荷载（双联及以上多联

绝缘子串断一联后的荷载）或常年荷载，kN ；

K 1—安全系数，按表2取值。

表2 盘式绝缘子机械强度安全系数

情况 安全系数K 1

最大使用荷载

2.7

断线 1.8

断联 1.5

对于资质盘型绝缘子常应满足正常运行情况，常年荷载状态下安全系数不小于4.5，常年荷载是指年平均气温条件下，绝缘子所承受的荷载。断线、断联的气象条

件是无风、无冰、最低气温月的最低平均气温。我国绝缘子常按机械强度（kN ）分级为：70、100、160、210、300等。110—200kV 线路一般用70kN 和100kN 二级，300kV 线路常用100kN 、160kN 二级；500kV 线路常用160kN 、210kN 、300kN 三级。 悬垂绝缘子串正常运行时最大使用荷载T 用下式计算

T =g max Al V （2-1-5） 式中： g max —最大比载，N/（m ·mm 2）； A —导线截面积，m m 2；

l V —最大比载条件下的垂直挡距，m ；

耐张绝缘子串或断线时对于悬垂绝缘子串，其张力T 按下式计算

T =1.1σA （2-1-6）式中： σ—导线的最大运行应力（覆冰、大风、低温）或断线应力，MPa 。

2.2绝缘间隙

（1）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）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 d =0. 1+

U H

（2-2-1） 150

式中： d —空气间隙（m ）；

U H —接触网额定电压（kV ）；

式（2-2-1）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。例如，在接触网额定电压为27.5kV 时，英国最小绝缘间隙为280mm ，而刚果则取为450mm 。这是因为每个国家都考虑了本国的具体条件，如气象条件、混合牵引的程度、大型建筑物的多少及改造的难易等。我国在实验的基础上，参考式（2-2-1），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3所示

表3 空气绝缘间隙表（接触网电压25kV ）

序号 1 2 3 4 5 6 7

间隙类别

绝缘锚段关节两悬挂点间

的间隙

一般情况

正常值（mm ） 450

最小值（mm ） — — 450 240 — 160 — — 75 —

8

吸流变压器处 300

同回路自耦变压器供电线带电体距接触悬

500

挂或供电线带电体的间隙

25kV 带电体距固定接地体的间隙 300 25kV 带电体距机车车辆或装载货物的间隙 350 受电弓振动至极限位置和导线被抬起的最高位

200

置距接地体的瞬时间隙

隔离开关引线、电连接线及自耦变压器供电线、

330

供电线跳线距接地体的间隙

对向风压、风速为13m/s时，25kV 带电体与自耦

250

变压器中线或保护线的间隙

瓷质及钢化玻璃绝

100 绝缘元件接地侧裙边距接

缘子

地体的间隙

环氧树脂绝缘元件 50

2.3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，鉴于个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因势利导，将损坏引导在损害最小且对运行扰乱最小的元件或部位。

过电压可分为内部过电压和大气过电压两类，内部过电压通常按而定电压的一定倍数计算。我国水电部过电压保护规程规定：对3到60kV 级电压按4倍计算；对于电气化铁路，则大多认为可按3倍与接触网最高运行相电压计算。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。这里所谓某一级电压的或电气设备的绝缘水平，就是指该电气设备可能承受的试验电压标准。这些试验电压标准一般都有专门的明确规定。

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。对与接触网，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，也要进行伏秒特性的配合。

2.4绝缘配合的统计法

（1）统计法

绝缘配合的统计法是根据过电压幅值和绝缘的耐压强度都是随机变量的实际情况，在已知过电压幅值及绝缘闪络电压的统计特性后，用计算方法求出绝缘闪络的概率和线路的跳闸率，在技术经济比较的基础上，正确的确定绝缘水平。

这种方法不仅定量的给出设计的安全程度，并能按照使每年设备折旧费、运营费及事故损失费最小的原则进行优化设计。目前研究的最多的是以过电压幅值的概率分布为基础的统计法。

设f (u ) 为过电压概率密度函数，P (u ) 为绝缘放电概率分布函数，如图1所示。设f (u ) 与P (u ) 是不相关的，f (u 0) du 为过电压在u 0附近du 范围内出现的概率，p (u 0) 为在过电压u 0作用下绝缘放电的概率。因二者是相互独立的，由概率积分的计算公式得到出现这样高的过电压并使绝缘放电的概率是

dR =P (u 0) f (u 0) du （2-4-1） 式中dR 称为微分故障率，即图 1中阴影部分的面积。通常，我们只按过电压的绝对值进行统计（正、负极性约各占一半），且高于最大运行相电压幅值U phm 时才作为过电压，所以将式（2-4-1）在U phm 到∞（或到某一值为止）积分可得故障率R , 即 R =⎰

∞Uphm

P (u ) f (u ) du （2-4-2）

一般，绝缘在负极性操作冲击下的耐压强度较高。若忽略负极性下的故障率，则绝缘在操作过电压下故障率的估计值为

1∞

R =⎰P (u ) f (u ) du （2-4-3）

2Uphm

由式（2-4-3）可知故障率R 是图1中总的阴影部分的面积。设增加绝缘强度，曲线P (u ) 向右移动，阴影面积减小，绝缘故障率降低，但设备投资将增大。因此用统计法可按需要对敏感性因素作调整，进行一系列试验设计与故障率的估算，根据技术经济比较在绝缘成本和故障率之间进行协调，在满足预定的故障率的前提下，选择合理的绝缘水平。

利用统计法进行绝缘配合时，绝缘裕度不是选定的某个固定数，而是与绝缘故障的一定概率相对应。

利用统计法进行故障计算时，可以不必检验过电压幅值的概率属于什么分布，而

直接利用暂态网络分析仪（TNT ）上得到的概率分布进行计算。统计法的主要困难在于随机因素较多，而且某些随机因素的统计规律还有待于资料积累和认识。例如气象条件的影响；过电压波形中只考虑了幅值最大的峰值，其余峰值均未考虑；绝缘的特性是在标准操作波形下得到的；等等。因此，按式（2-4-3）算出的故障率通常比实

际值大许多倍。所以，统计法还有待进一步完善。尽管如此，用它来做设计方案的相对比较比惯用法有明显优势。 （2）简化统计法

在实际工程中，为便于计算，对过电压及绝缘放电概率的统计规律做了一些通常是允许的假设，即假设它们均服从正态分布，而且已知它们的标准偏差分别为σ0及

σi 。这样，就可以写出过电压的概率密度函数f (u ) 及绝缘放电的概率函数P (u ) ：

f (u ) =

u

1πσ0

1

e

1u -U -() 22σ

（2-4-4）

P (u ) =⎰

-∞

2πσi

1V -U

-() 22σ

dV （2-4-5）

由于在式（2-4-3）中u 在-∞—0范围内f (u ) =0，以及u 在0—U phm 范围内f (u ) ≈0，可得绝缘故障率为

∞

R =⎰P (u ) f (u ) du

-∞

=⎰

∞

120

-∞

e

1u -U

-() 22σ

[⎰

u

12i

-∞

1V -U -() 22σ

（2-4-6） dV ]du

通过变量置换进行积分运算，可以得到如下结果：

R

式中λ=

U ao -U ai

ò

l

-¥

e

1-t 22

（2-4-7） dt

+σ

2

02i

，U ao 及U ai 分别为过电压的均值及绝缘的50%放电电压。

1

，既得绝缘在操作过电压下故障率的 同理，若略去负极性下的故障率，仍取其2

估算值。

2 R =

11

λ

-12

22⎰

-∞

e

t dt 因此，只要已知U ao 及U ai 即可根据式（2-4-8）很快算得故障率R 。

（2-4-8）

参考书目

[1] 于万聚著, 高速电气化铁路接触网[M]. 成都:西南交通大学出版社,2002. [2] 李爱敏主编. 接触网生产实习指导[M].北京:中国铁道出版社,2000. [3] 李伟主编. 接触网[M].北京:中国铁道出版社,2000.