高速鐵路牽引網三維暴露弧面投影面積計算的直擊雷分析方法
【專利摘要】一種高速鐵路牽引網三維暴露弧面投影面積計算的直擊雷分析方法，基本步驟如下：(1)獲取高速鐵路基本線路信息，將檔距長度、高架橋結構高度、牽引網電氣及幾何結構特征參數均一致的檔距劃分為一類；統計沿線雷電活動參數，將其與不同類中的各檔距對應；(2)根據類i牽引網特征參數建立類i一個檔距的三維雷擊模型，計算牽引網三維暴露弧面的垂直投影面積及遭受雷直擊的概率；結合各檔距雷電參數，計算類i所有檔距遭受雷直擊的綜合概率及年直擊雷跳閘率；(3)重復步驟(2)計算所有類牽引網遭受雷直擊的綜合概率和年直擊雷跳閘率；(4)計算全線遭受雷直擊的綜合概率和年直擊雷跳閘率。本方法可增強高速鐵路直擊雷防護的針對性和有效性。
【專利說明】高速鐵路牽引網三維暴露弧面投影面積計算的直擊雷分析方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及高速鐵路雷電防護【技術領域】，具體地說涉及高速鐵路牽引網三維暴露弧面投影面積計算的直擊雷分析方法。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著我國高速鐵路運營里程的不斷增加，由雷擊引發的停運故障等亦逐年增加，尤其是高速鐵路大多采用高架橋運行方式，較普通電氣化鐵路更加容易遭受雷擊，嚴重威脅著安全行車。牽引網承擔著向機車持續可靠供電的重任，是高速鐵路關鍵設備之一，然而由于牽引網高架于橋梁之上，分布區域廣，途徑地區氣象條件差異大且裸露于自然環境中沒有備份，一旦遭受雷擊則可能造成供電中斷導致行車中止，雷電過電壓亦有可能沿牽引網侵入變電所或機車內，引起所內設備或車載設備損壞，甚至出現人員傷亡造成更大事故，尤其是直擊雷危害更為嚴重。為有效提高牽引網的防雷運行水平，保障高速鐵路的安全穩定運行，需要根據線路實際結構參數及客觀運行條件準確計算評估各檔距內雷擊概率相對大小，從而制定合理的防雷技術方案，對降低牽引網雷擊危害具有重要的理論意義和工程實用價值。
[0003]目前現有的電氣化鐵路直擊雷計算方法中，一般取典型支柱參數根據牽引網平均高度分別計算雷擊支柱和雷擊導線的跳閘率，其中雷擊支柱跳閘率計算又分為雷擊集中接地支柱和雷擊非集中接地支柱兩種情況，具體計算公式如下:
[0004]nz=gl η.(Nsl.Ps1+Ns2.Ps2) +g2.Π.Ns.P2
[0005]式中:ηζ為直擊雷跳閘率；gi為擊柱率；g2為擊線率；rI為建弧率；Nsl為具有集中接地支柱每年受雷電直擊的次數；Ns2為非集中接地支柱每年受雷電直擊的次數；NS為接觸網每年受雷電直擊的次數；Psl為雷擊集中接地支柱發生閃絡的雷電流幅值概率；Ps2為雷擊非集中接地支柱發生閃絡的雷電流幅值概率；P2為雷擊接觸網發生閃絡的雷電流幅值概
率。在計算時粗略的取平原地區擊柱率S1 = j、擊線率盡7 ，山區擊柱率沿=|、擊線率
g2=I，但通常高速鐵路途徑地域廣，地形、氣候等復雜多變，局部地區雷電危害十分嚴重， 3
因此計算結果與實際情況相差較大，且不能梳理出雷害較為嚴重的區段支柱進行重點治理防護。根據輸電線路電氣幾何模型原理亦有學者建立了二維的接觸網電氣幾何模型來計算牽引網雷擊跳閘率，但同樣存在沒有計及牽引網三維結構參數及沿線雷電活動差異對直擊雷造成影響的不足。
[0006]中國專利文獻公開的《一種高速鐵路牽引網雷害風險評估方法》(申請號:201210499740.5)包括以下步驟:(I)給定高速鐵路的基本信息、地理信息及結構特征、絕緣特征等；(2)統計高速鐵路走廊內地閃密度參數和雷電流概率密度分布參數；(3)根據現有傳統雷擊跳閘率計算方法計算高速鐵路各區段雷擊跳閘率；(4)確定雷害評估指標得到各區段防雷性能實際評估結果。該方法綜合考慮了高速鐵路各區段雷電活動差異及沿線地形地質、線路結構特征和絕緣特征差異，存在的不足是，各區段雷擊跳閘率的計算不夠準確，尤其是直擊雷跳閘率仍粗略的取擊柱率和擊線率計算，無法反映牽引網三維結構參數對直擊雷的影響。
[0007]有鑒于此，本發明提供一種高速鐵路牽引網三維暴露弧面投影面積計算的直擊雷分析方法，以解決上述問題。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是:針對目前現有高速鐵路直擊雷分析方法存在僅通過二維參數計算其跳閘率、計算結果不夠準確且沒有計及牽引網三維結構參數對其造成影響的不足，提出高速鐵路牽引網三維暴露弧面投影面積計算的直擊雷分析方法，具體地說，本發明是一種綜合考慮高速鐵路牽引網三維結構特征及沿線雷電活動特征，通過建立牽引網三維雷擊電氣幾何模型來分析不同類檔距直擊雷害風險的方法，可實現對高速鐵路直擊雷跳閘率的準確計算，增強直擊雷防護的針對性和有效性。
[0009]本發明所采用的技術方案是:高速鐵路牽引網三維暴露弧面投影面積計算的直擊雷分析方法，其特征在于，以檔距為單位統計高速鐵路除隧道外的各檔距長度、高架橋結構高度、牽引網電氣及幾何參數這些結構特征參數，將全線結構特征參數一致的檔距劃分為一類，建立高速鐵路直擊雷害分析結構特征數據庫；根據高速鐵路支柱地理位置信息通過雷電定位系統統計線路走廊地閃密度和沿線雷電流幅值累積概率密度及最大、最小雷電流，建立高速鐵路直擊雷害分析雷電參數數據庫，并與結構特征數據庫中各類的檔距對應；根據高速鐵路不同類中牽引網的結構特征參數，分別建立其一個檔距內的三維雷擊分析模型，計算不同結構特征牽引網的三維暴露弧面在水平面上的垂直投影面積及遭受雷直擊的概率；結合雷電參數數據庫中各檔距地閃密度、雷電流幅值累積概率密度及最大、最小雷電流，計算牽引網遭受雷直擊的綜合概率及年直擊雷跳閘率，所述高速鐵路牽引網三維暴露弧面投影面積計算的直擊雷分析方法具體包括以下步驟:
[0010](I)獲取聞速鐵路牽引網基本線路/[目息，統計其聞架橋梁、路基、隧道架設方式，將路基歸入橋身結構高度為零的高架橋梁，以檔距為單位統計全線除隧道外的各檔距長度、高架橋結構高度、牽引網電氣及幾何參數這些結構特征參數，牽引網電氣參數包括承力索和饋線絕緣子串雷電沖擊50%放電電壓，幾何參數包括承力索及饋線距橋面高度、弧垂及二者的相對位置關系，將結構特征參數一致的檔距劃分為一類，以此為標準將高速鐵路全線檔距劃分為η類，其中第i類檔距長Li且包含Hii個檔距，建立高速鐵路直擊雷害分析結構特征數據庫；獲取高速鐵路支柱地理位置信息，通過雷電定位系統統計線路走廊地閃密度和沿線雷電流幅值累積概率密度及最大、最小雷電流，建立高速鐵路直擊雷害分析雷電參數數據庫，并與結構特征數據庫中各類的檔距對應；
[0011](2)根據類i中牽引網結構特征參數建立類i 一個檔距內的三維雷擊分析模型，分別計算饋線及承力索直擊雷耐雷水平，計算不同雷電流幅值下饋線及承力索暴露弧面在水平面上的垂直投影面積和饋線及承力索遭受雷直擊的概率；結合雷電參數數據庫中類i各檔距地閃密度、雷電流幅值累積概率密度及最大、最小雷電流，計算類i某檔距饋線及承力索遭受雷直擊的綜合概率，取類i內饋線耐雷水平與該檔距最小雷電流二者的最小值，取承力索耐雷水平與該檔距最小雷電流二者的最小值，計算該檔距饋線及承力索的年直擊雷跳閘率;
[0012](3)重復步驟(2)計算類i內Hii個檔距的饋線及承力索直擊雷綜合概率及年直擊雷跳閘率，計算類i牽引網Hii個檔距的平均直擊雷綜合概率及年平均直擊雷跳閘率，直到η類高速鐵路檔距全部計算完成；
[0013](4)計算高速鐵路全線饋線及承力索遭受雷直擊的綜合概率和年直擊雷跳閘率。
[0014]如上所述的高速鐵路牽引網三維暴露弧面投影面積計算的直擊雷分析方法，其特征在于，所述的高速鐵路牽引網三維暴露弧面投影面積計算的直擊雷分析方法能夠分析牽引網三維結構參數對其遭受雷直擊概率的影響，得到高速鐵路自身固有的直擊雷概率屬性；其方法是:饋線及承力索在不同雷電流幅值下遭受雷直擊概率的計算公式如下:.Ski{J、, , Sri(J)
【權利要求】
1.高速鐵路牽引網三維暴露弧面投影面積計算的直擊雷分析方法，其特征在于，以檔距為單位統計高速鐵路除隧道外的各檔距長度、高架橋結構高度、牽引網電氣及幾何參數這些結構特征參數，將全線結構特征參數一致的檔距劃分為一類，建立高速鐵路直擊雷害分析結構特征數據庫；根據高速鐵路支柱地理位置信息通過雷電定位系統統計線路走廊地閃密度和沿線雷電流幅值累積概率密度及最大、最小雷電流，建立高速鐵路直擊雷害分析雷電參數數據庫，并與結構特征數據庫中各類的檔距對應；根據高速鐵路不同類中牽引網的結構特征參數，分別建立其一個檔距內的三維雷擊分析模型，計算不同結構特征牽引網的三維暴露弧面在水平面上的垂直投影面積及遭受雷直擊的概率；結合雷電參數數據庫中各檔距地閃密度、雷電流幅值累積概率密度及最大、最小雷電流，計算牽引網遭受雷直擊的綜合概率及年直擊雷跳閘率，所述高速鐵路牽引網三維暴露弧面投影面積計算的直擊雷分析方法具體包括以下步驟: (1)獲取聞速鐵路牽引網基本線路?目息，統計其聞架橋梁、路基、隧道架設方式，將路基歸入橋身結構高度為零的高架橋梁，以檔距為單位統計全線除隧道外的各檔距長度、高架橋結構高度、牽引網電氣及幾何參數這些結構特征參數，牽引網電氣參數包括承力索和饋線絕緣子串雷電沖擊50%放電電壓，幾何參數包括承力索及饋線距橋面高度、弧垂及二者的相對位置關系，將結構特征參數一致的檔距劃分為一類，以此為標準將高速鐵路全線檔距劃分為η類，其中第i類檔距長Li且包含Hii個檔距，建立高速鐵路直擊雷害分析結構特征數據庫；獲取高速鐵路支柱地理位置信息，通過雷電定位系統統計線路走廊地閃密度和沿線雷電流幅值累積概率密度及最大、最小雷電流，建立高速鐵路直擊雷害分析雷電參數數據庫，并與結構特征數據庫中各類的檔距對應； (2)根據類i中牽引網結構特征參數建立類i一個檔距內的三維雷擊分析模型，分別計算饋線及承力索直擊雷耐雷水平，計算不同雷電流幅值下饋線及承力索暴露弧面在水平面上的垂直投影面積和饋線及承力索遭受雷直擊的概率；結合雷電參數數據庫中類i各檔距地閃密度、雷電流幅值累積概率密度及最大、最小雷電流，計算類i某檔距饋線及承力索遭受雷直擊的綜合概率，取類i內饋線耐雷水平與該檔距最小雷電流二者的最小值，取承力索耐雷水平與該檔距最小雷電流二者的最小值，計算該檔距饋線及承力索的年直擊雷跳閘率； (3)重復步驟(2)計算類i內Hii個檔距的饋線及承力索直擊雷綜合概率及年直擊雷跳閘率，計算類i牽引網Hii個檔距的平均直擊雷綜合概率及年平均直擊雷跳閘率，直到η類高速鐵路檔距全部計算完成； (4)計算高速鐵路全線饋線及承力索遭受雷直擊的綜合概率和年直擊雷跳閘率。
2.根據權利要求1所述的高速鐵路牽引網三維暴露弧面投影面積計算的直擊雷分析方法，其特征在于，所述的高速鐵路牽引網三維暴露弧面投影面積計算的直擊雷分析方法能夠分析牽引網三維結構參數對其遭受雷直擊概率的影響，得到高速鐵路自身固有的直擊雷概率屬性；其方法是:饋線及承力索在不同雷電流幅值下遭受雷直擊概率的計算公式如下: Ρ丨人η= 5-(/) 、PiD- SJ/)
SlAn^SnU) "式中:變量I為雷電流幅值；pki⑴、Pc;i⑴分別為類i中饋線及承力索遭受雷直擊的概率；Ski(I)、Sci(I)分別為類i中饋線暴露弧面及承力索暴露弧面在水平面上的垂直投影面積；Ski (I)、Scd(I)是根據建立的三維雷擊分析模型計算得到，是關于雷電流幅值I的函數，與牽引網三維結構參數相關；通過對比不同類牽引網遭受雷直擊的概率即可得到牽引網三維結構參數對其遭受雷直擊概率的影響。
3.根據權利要求1所述的高速鐵路牽引網三維暴露弧面投影面積計算的直擊雷分析方法，其特征在于，所述的高速鐵路牽引網三維暴露弧面投影面積計算的直擊雷分析方法，饋線暴露弧面及承力索暴露弧面在水平面上的垂直投影面積Sk(I)、Sc(I)通過以下公式計算得到:
4.根據權利要求1所述的高速鐵路牽引網三維暴露弧面投影面積計算的直擊雷分析方法，其特征在于，所述的高速鐵路牽引網三維暴露弧面投影面積計算的直擊雷分析方法能夠計算處在客觀雷電環境中高速鐵路遭受雷直擊的綜合概率，得到牽引網自身三維結構參數疊加客觀雷電環境影響后遭受雷直擊的綜合概率；其方法是:饋線及承力索遭受雷直擊的綜合概率的計算公式如下:
5.根據權利要求1所述的高速鐵路牽引網三維暴露弧面投影面積計算的直擊雷分析方法，其特征在于，所述的高速鐵路牽引網三維暴露弧面投影面積計算的直擊雷分析方法能夠計算各檔距饋線及承力索年直擊雷跳閘率，得到各檔距年直擊雷跳閘風險相對高低；其方法是:饋線及承力索年直擊雷跳閘率的計算公式如下:
6.根據權利要求1所述的高速鐵路牽引網三維暴露弧面投影面積計算的直擊雷分析方法，其特征在于，所述的高速鐵路牽引網三維暴露弧面投影面積計算的直擊雷分析方法能夠計算各類牽引網的平均直擊雷綜合概率及年平均直擊雷跳閘率，其計算公式如下:
7.根據權利要求1所述的高速鐵路牽引網三維暴露弧面投影面積計算的直擊雷分析方法，其特征在于，所述的高速鐵路牽引網三維暴露弧面投影面積計算的直擊雷分析方法能夠計算高速鐵路全線饋線及承力索遭受雷直擊的綜合概率和年直擊雷跳閘率，其計算公式如下:
【文檔編號】G06F19/00GK103745102SQ201310751086
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】蘇杰, 谷山強, 趙淳, 嚴碧武, 李濤, 向念文, 盧澤軍, 王韜, 吳敏, 王佩 申請人:國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司