CN102967785A - 一种高速铁路牵引网防雷性能评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速铁路牵引网防雷性能评估方法，采用网格法，将评估区域划分为若干个空间网格，并基于海量雷电定位系统数据，利用计算机运用高铁线路走廊雷电参数统计方法统计出各个空间网格在指定时间内的地闪密度参数和雷电流概率密度分布参数；建立的计算模式是采用雷击跳闸率计算方法计算高铁线路各个区段及其全线在指定时间段内的直击雷雷击跳闸率、感应雷雷击跳闸率和总雷击跳闸率；以各区段的雷击跳闸率为基础，以全线雷击跳闸率值为基准，获取指定时间段内各个区段相对于全线的雷害风险数据信息，实现对高速铁路牵引网时空差异化的防雷性能评估，优点是，基于海量常年雷电定位系统观测数据，计算出的雷击跳闸率更接近于真实情况。

Description

一种高速铁路牵引网防雷性能评估方法

技术领域

本发明涉及电气化铁路雷电防护领域，具体地说涉及一种高速铁路牵引网防雷性能评估方法，其适用于电气化铁路牵引网的防雷性能评估。

背景技术

电气化铁路牵引网时常遭受雷电袭击，造成牵引变电所跳闸停电、烧断承力索、接触线断线、击毁绝缘子等故障。有统计数据表明，在中国由雷击引起的牵引网跳闸占总故障跳闸的30%以上，雷击已成为引起电气化铁路牵引网跳闸的重要因素之一。另外，电气化铁路牵引网没有后备，一旦遭受雷击引起设备损坏或故障跳闸就会导致铁路供电中断，从而严重影响运输安全和经济效益。要减少雷害事故或者减轻雷害事故对高速铁路牵引网供电系统的影响，就必须提高高速铁路牵引网的雷电防护水平，对高速铁路牵引网的防雷性能进行精细化、差异化的评估，制定经济技术上切实可行的雷击风险防护技术方案，从而科学的、合理的进行高速铁路牵引网的防雷设计、施工和改造。

可能引起高速铁路牵引网线路跳闸的雷击方式有以下两种：（1）直接雷击，包括雷击牵引网的承力索、回流线或架空地线、支柱顶部；（2）感应雷击，线路附近的地面落雷，在线路上产生感应过电压。实测表明，架空线路上的感应电压可达300KV~500KV，高速铁路供电线路的电压等级不高，绝缘耐受雷电冲击电压的能力有限，雷击线路导线或线路附近地面，都可能超过牵引网的绝缘耐受水平，导致线路绝缘放电，引起线路跳闸。因此，高速铁路牵引网的防雷性能评估方法必须对直击雷击和感应雷击防雷性能进行综合评估。

而据申请人所知，目前中国电气化铁路牵引网的防雷设计，是按照《铁路电力牵引供电设计规范》TB10009-2005中的规定进行的，该规定的第5.3.1条规定“应根据雷电日及运营经验，并按下列原则对牵引网进行大气过电压保护： 

(1)吸流变压器的原边应设避雷装置。 

(2)高雷区及强雷区，下列重点位置应设避雷器： 

①分相和站场端部绝缘锚段关节； 

②长度2000m及以上隧道的两端； 

③较长的供电线或AF线连接到接触网上的接线处。”

《高速铁路设计规范（试行）》在TB10009-2005的基础上增加了如下规定：在11.5.3的11条款中规定了“重污染或重（强）雷区以上以及高路基、高架桥、隧道口等重点地段的接触网应增设氧化锌避雷器，接触网下锚绝缘子、分段绝缘子采用复合棒形绝缘子等防雷措施；接地装置、接地引下和连接措施应符合系统绝缘匹配、热稳定性校验、机械强度和抗腐蚀等要求”。工程运行经验表明，这些防护方法只是对牵引变电所和隧道内的供电设备起到雷电防护作用，未能有效防护牵引网的雷害。

而另据中国电气化铁路的运行统计，牵引网的防雷保护措施分为两种情况：第一种平均年雷暴日在60天以下的线路，运行情况良好，雷击事故较少，按TB10009-2005执行；第二种平均年雷暴日在60天以上的线路应采取特殊防雷措施，并根据下列条件认真研究实施方案： 

①铁路通过地区的雷电活动强度和当地电力部门的运行经验； 

②该地区地质结构与地形地貌等条件，以及土壤电阻率大小； 

③铁路线路等级及重要程度。

该设计方案粗泛的在不同的地域采用相同的由气象部门人工观测统计出的雷电日的推算结果，其根本的不足在于，没有考虑到各雷电参数的时空差异化特征，现有的研究已表明，对于相同电压等级的线路，尽管导线架设高度相同，但由于不同的时间段、不同的气象条件、不同的地理环境，雷击对高速铁路牵引网造成的冲击是不同的，高速铁路牵引网呈现出的防雷性能相应地也会有所不同。因此，据此而进行的高速铁路牵引网防雷设计，无法准确、细致、针对性地评价高速铁路牵引网的防雷性能。

中国专利文献公开的《基于雷电参数统计的输电线路防雷性能评估方法》（公开号CN 101315400A）提供了一种正确利用长期雷电监测数据并进行雷电参数统计，对输电线路时空差异化的防雷性能进行评估的方法。该方法根据输电线路遭受雷击的类型，将直击雷分为反击和绕击进行雷击跳闸率的分析计算，但是没有对感应雷的雷击风险进行考虑；另外，由于高速铁路牵引网与输电线路的电气网络结构不同，因而输电线路雷击跳闸率的计算方法不适用于高速铁路线路的雷击跳闸率计算。

中国专利文献公开的《采用网格法确定雷电参数的统计方法》（公开号CN1936880）提供了一种以雷电定位系统监测数据为统计样本的雷电参数统计方法，即网格法，该方法由于采用计算机建立了雷电参数的统计数据系统，大大减轻了专业技术人员的劳动强度，采用网格法确定雷电参数，使雷电参数详尽集中、更新速度快，在与人工气象原始资料进行比较验证的基础上,能够准确地描述选定区域的雷电参数，方法简单，容易实现。

发明内容

本发明的目的是，针对现有设计方法中的不足，进行研究和改进，提出一种高速铁路牵引网防雷性能评估方法，具体的说，本发明是采用有差异的、针对性的海量真实雷电数据，综合考虑高铁线路走廊沿线的直击雷和感应雷风险的防雷性能评估方法。

本发明的技术解决方案是：采用网格法，将评估区域划分为若干个空间网格，并基于海量雷电定位系统数据，利用计算机运用高铁线路走廊雷电参数统计方法统计出各个空间网格在指定时间内的地闪密度参数和雷电流概率密度分布参数；其特征在于，建立计算模式，进行逐个区段雷击跳闸率计算，建立的计算模式是采用雷击跳闸率计算方法，进行逐个区段雷击跳闸率计算是计算高铁线路各个区段及其全线在指定时间段内的直击雷雷击跳闸率、感应雷雷击跳闸率和总雷击跳闸率；以各区段的雷击跳闸率为基础，以全线雷击跳闸率值为基准，获取指定时间段内各个区段相对于全线的雷害风险数据信息，实现对高速铁路牵引网时空差异化的防雷性能评估，采用的基本步骤如下：

S1、给定需要进行防雷性能评估的高铁线路信息；高铁线路信息包括高铁线路的基本信息、高铁线路的地理信息、高铁线路的地形地质特征、高铁线路的桥梁路基隧道结构特征、高铁线路牵引网的绝缘特征、高铁线路的结构特征；高铁线路的基本信息包括线路名称、线路总长、供电方式、供电臂长度与分段信息；高铁线路的地理信息包括高铁线路的经纬度坐标、海拔高度；高铁线路的地形地质特征包括平原、山丘、大山；高铁线路的桥梁路基隧道结构特征包括桥梁、路基和隧道的分布与长度、桥梁高度；高铁线路牵引网的绝缘特征包括绝缘子串或最短空气间隙的闪络电压或伏秒特性、支柱接地电阻；高铁线路的结构特征包括支柱、架空地线、承力索的几何尺寸、架空地线和集中引下线配置；

S2、根据所给高铁线路的基本信息、地理信息，将评估区域划分为若干个所需大小的空间网格，并统计出各个空间网格在指定时间内的地闪密度参数和雷电流概率密度分布参数；

S3、以S2步骤中统计出的高铁线路雷电参数，结合S1步骤中给定的高铁线路的地形地质特征，高铁桥梁路基隧道结构特征，高铁线路牵引网的绝缘特征，高铁线路的结构特征，建立计算模式，进行逐个区段雷击跳闸率计算，建立的计算模式是采用雷击跳闸率计算方法，进行逐个区段雷击跳闸率计算是计算以网格进行分段的高铁线路各区段在指定时间段内的直击雷雷击跳闸率、感应雷雷击跳闸率和总雷击跳闸率，高铁线路全线的雷击跳闸率为线路各区段总雷击跳闸率的加权平均值；

S4、确定雷害评估指标并进行比较，通过比较，最终得到指定时间段内各区段及全线防雷性能评估结果；以全线加权平均雷击跳闸率值为评估指标，将S3步骤中计算得到的指定时间段内高铁线路各网格区段的总雷击跳闸率分别与之比较，得到高铁线路防雷性能在时间上和空间上的评估结果。

其特征在于，所述的采用雷击跳闸率计算方法计算线路各个区段在指定时间段内的直击雷雷击跳闸率、感应雷雷击跳闸率和网格内总雷击跳闸率时，应当明确，高铁线路全线各个区段在指定时间段内的直击雷雷击跳闸率为雷击承力索或软横跨、雷击支柱或硬横跨顶部的雷击跳闸率之和，雷击支柱或硬横跨顶部是指雷击独立接地的支柱顶部、雷击相邻两集中接地引下线中间的非接地支柱顶部及雷击有集中接地引下线连接点的支柱顶部；空间网格大小的选取遵循最小边长要大于雷电定位系统精度与线路感应雷受雷宽度之和的原则，其中，线路感应雷受雷宽度S按下式获得：

式中，

为牵引网绝缘子冲击放电电压（kV），它的取值根据规程或者冲击试验获得；为承力索或架空地线（回流线）对地平均高度（m）；

为雷电流幅值（kA），根据《DL/T 620—1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定，不超过100kA；将实际计算所得的线路的雷击跳闸率，统一折算成40雷电日100km长的参考标准进行比较，进行比较时采用如下公式：

                  

其中，

为折算在40雷电日100km参考标准下的网格区段雷击跳闸率；为由雷电定位系统海量常年观测数据统计得出的高铁走廊网格段的地闪密度；

为该高铁线路评估的网格内线路长度与网格内隧道长度和铁桥的钢构框架长度之差；为该高铁线路评估区段每年实际雷击跳闸次数。

其特征在于：所述的直击雷雷击跳闸率的确定步骤如下：

（1） 计算超过雷击承力索及软横跨耐雷水平时的雷电流概率：

 对于无架空地线（回流线）的接触网，雷电直击接触网承力索或软横跨时的耐雷水平

为：

 雷电直击有架空地线（回流线）的接触网承力索或软横跨时，接触网的耐雷水平

为：

式中：

为耦合系数，

，电晕修正系数

，

为接触网的波阻抗，

为接触网绝缘子负极性冲击放电电压，对于几何耦合系数

可按平行架空线及其镜像进行计算：

式中，

为承力索或软横跨的对地平均高度，

为承力索或软横跨的半径，为承力索或软横跨与架空地线对地镜像之间的距离，

为承力索或软横跨与架空地线之间的距离；

这里得到雷击承力索或软横跨有、无架空地线（回流线）两种情况下的耐雷水平

和

，再根据统计得到的雷电流概率分布公式，进一步得出超过雷击承力索（软横跨）耐雷水平时的雷电流概率；

（2）       计算超过雷击支柱或硬横跨顶部耐雷水平时的雷电流概率：

超过雷击独立接地支柱顶部耐雷水平时的雷电流概率；

在雷击独立接地的支柱顶部时，取同一支柱上水平拉杆绝缘子和腕臂棒式绝缘子耐雷水平的最小者：

                     

式中，和

分别为支柱上腕臂棒式绝缘子和水平拉杆绝缘子的正极性冲击放电电压（kV），

为支柱的冲击接地电阻（

），

为接地引下线等值电感（），

和

分别为支柱上水平拉杆绝缘子和腕臂棒式绝缘子接地端对地的距离（m），

为接触网承力索对地平均高度（m），

为雷电流波头时间（

）；

这里得到雷击独立接地的支柱顶部时，同一支柱上水平拉杆绝缘子和腕臂棒式绝缘子两种条件下的耐雷水平

和

，再根据统计得到的雷电流概率分布公式，进一步得出超过水平拉杆绝缘子和腕臂棒式绝缘子耐雷水平时的雷电流概率

和

，取两者之中的更小者，得到超过雷击独立接地的支柱顶部耐雷水平时的雷电流概率；

超过雷击有架空地线支柱顶部耐雷水平时的雷电流概率：

.当雷击相邻两集中接地引下线中间的非接地支柱顶部时的耐雷水平为：

式中，

为接触网支柱上腕臂棒式绝缘子和水平拉杆绝缘子中的正极性冲击电压的最小者（kV），

为相邻两集中接地引下线间的架空地线等值电感的一半（

），

为承力索对地平均高度（m），

为架空地线或回流线对地平均高度（m），

和分别为架空地线（回流线）与接触网之间的耦合系数和几何耦合系数，

为雷电流波头时间（

）；

这里得到雷击相邻两集中接地引下线中间的非接地支柱顶部时的耐雷水平，再根据统计得到的雷电流概率分布公式，可进一步得出超过雷击相邻两集中接地引下线中间的非接地支柱顶部耐雷水平时的雷电流概率

；

.当雷击有集中接地引下线连接点的支柱顶部时，接触网的耐雷水平为下面两式计算值中的最小者：

 

式中，

和

分别为支柱上腕臂棒式绝缘子和水平拉杆绝缘子的正极性冲击放电电压（kV），

为支柱的冲击接地电阻（

），

为接地引下线等值电感（

），

和

分别为支柱上水平拉杆绝缘子和腕臂棒式绝缘子接地端对地的距离（m），

为架空地线或回流线对地平均高度（m），

和

分别为架空地线（回流线）与接触网之间的耦合系数和几何耦合系数，

为接触网承力索对地平均高度（m），

为雷电流波头时间（），为支柱分流系数，由下式得到：

这里得到雷击有集中接地引下线连接点的支柱顶部，包括雷击这些支柱附近的架空地线（回流线），同一支柱上水平拉杆绝缘子和腕臂棒式绝缘子两种条件下的耐雷水平，再根据统计得到的雷电流概率分布公式，可进一步得出超过水平拉杆绝缘子和腕臂棒式绝缘子耐雷水平时的雷电流概率

和

，取两者之中的最小者

；

直击雷雷击跳闸率的计算采用下式计算：

式中，

为S2中根据雷电定位系统数据统计出的网格内地闪密度，为建弧率，

为击线率，

为击柱率，

为超过雷击承力索耐雷水平时的概率，

为超过雷击支柱顶部或硬横跨顶部耐雷水平时的概率，其值取决于有无集中引下线，为与

之和，或是

。

其特征在于，所述的感应雷雷击跳闸率的确定方法为： 

存在架空地线或回流线时，接触网的感应耐雷水平按下式得到：

不存在架空地线或回流线时，接触网的感应耐雷水平按下式得到：

式中：S为接触网等值受雷宽度之外的地面落雷点至接触网的垂直距离（m），

为线路绝缘子50%冲击放电电压(kV)，

为承力索对地平均高度(m)，

为架空地线（回流线）对地平均高度(m)，

为架空地线（回流线）与接触网之间的几何耦合系数；

这里得到接触网的感应雷耐雷水平，再根据统计得到的雷电流概率分布公式，进一步得出超过接触网的感应雷耐雷水平时的雷电流概率

；

感应雷雷击跳闸率的计算采用下式计算：

其中，

和

同上，

为超过接触网感应耐雷水平时的雷电流概率；

网格内总的雷击跳闸率

：

。

 其特征在于，所述的高速铁路牵引网时空差异化的防雷性能评估，采用如下式所示的公式计算高铁线路全线加权平均雷击跳闸率值，即全线各区段直击雷雷击跳闸率与感应雷雷击跳闸率和的加权平均：

式中，为高铁线路全线的平均雷击跳闸率( 次/(百公里·年))；

为高铁线路网格区段数；

为第i区段的总雷击跳闸率( 次/(百公里·年))；

为第i区段内高铁线路的长度（公里）；

为高铁线路总长度（公里）。

本发明的优点是，基于海量常年雷电定位系统观测数据，使得该评估方法所使用的雷电参数相对于《高速铁路设计规范（试行）》所采用的固定的经验值更加精确、有针对性，更重要的是，雷击跳闸率的计算根据高铁线路自身的特点，综合考虑了直击雷风险和感应雷风险，直击雷风险考虑了高铁线路特殊的电气结构，根据雷击位置的不同，分别对雷击接触网承力索及软横跨和雷击接触网支柱及硬横跨顶部的雷击跳闸率进行计算，总的直击雷雷击跳闸率为二者之和，计算出的雷击跳闸率更接近于真实情况。本发明还能够实现对高铁线路防雷性能在不同时间和不同空间上的评估，从而有效地完善了高铁线路的雷害风险评估体系。本发明的推广应用，将会有效的帮助高铁线路运行管理部门掌握高速铁路牵引网防雷性能在时间上和空间上存在的差异，从而进行更加科学地、有针对性的高速铁路牵引网防雷设计工作。

附图说明

图1、本发明的流程图。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，根据本发明提出的技术解决方案，本发明采用网格法，将评估区域划分为若干个空间网格，并基于海量雷电定位系统数据，利用计算机运用高铁线路走廊雷电参数统计方法统计出各个空间网格在指定时间内的地闪密度参数和雷电流概率密度分布参数；建立计算模式，进行逐个区段雷击跳闸率计算，建立的计算模式是采用雷击跳闸率计算方法，进行逐个区段雷击跳闸率计算是计算高铁线路各个区段及其全线在指定时间段内的直击雷雷击跳闸率、感应雷雷击跳闸率和总雷击跳闸率；以各区段的雷击跳闸率为基础，以全线雷击跳闸率值为基准，获取指定时间段内各个区段相对于全线的雷害风险数据信息，实现对高速铁路牵引网时空差异化的防雷性能评估，实施中具体采用以下步骤：

S1、给定需要进行防雷性能评估的高铁线路信息，包括高铁线路基本信息（线路名称、线路总长、供电方式、供电臂长度与分段信息）；高铁线路地理信息（高铁线路的经纬度坐标、海拔高度）；高铁线路地形地质特征（平原、山丘、大山）；高铁线路桥梁路基隧道结构特征（桥梁、路基和隧道的分布与长度、桥梁高度）；高铁线路牵引网绝缘特征（绝缘子串或最短空气间隙的闪络电压或伏秒特性、支柱接地电阻）；高铁线路结构特征（支柱、架空地线、承力索的几何尺寸、架空地线和集中引下线配置）；

S2、根据所给高铁线路的基本信息、地理信息，将评估区域划分为若干个所需大小的空间网格，并统计出各个空间网格在指定时间内的地闪密度和雷电流概率密度分布等参数。为统一评估高铁线路防雷性能，并与工程应用一致，要求将统计出的地闪密度折算至“次/(平方公里·年)”。

空间网格大小的选取遵循最小边长要大于雷电定位系统精度与线路感应雷受雷宽度之和，其中，感应雷宽度

按式（1）得到：

                  

                （1）

为接触网绝缘子冲击放电电压（kV），它的取值可根据规程或者冲击试验获得；

为承力索或架空地线（回流线）对地平均高度(m)；

为雷电流幅值（kA），根据《DL/T 620—1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定，一般不超过100kA。

其中，统计出的雷电流幅值概率分布采用如式（2）所示的形式：

                                              （2）

式（2）中函数

为幅值大于等于的雷电流出现的概率；变量

为雷电流幅值或叫做耐雷水平； a表示中值电流值，由雷电定位系统数据统计结果确定； b为雷电流幅值概率分布曲线的变化指数，由雷电定位系统数据统计结果确定。

S3、以S2步骤中统计出的高铁线路雷电参数，结合S1步骤中给定的高铁线路地形地质特征，高铁桥梁路基隧道结构特征，高铁线路牵引网绝缘特征，高铁线路结构特征，建立计算模式，进行逐个区段雷击跳闸率计算，建立的计算模式是采用雷击跳闸率计算方法，进行逐个区段雷击跳闸率计算是计算以网格进行分段的高铁线路各区段在指定时间段内的直击雷雷击跳闸率、感应雷雷击跳闸率和总雷击跳闸率，高铁线路全线的雷击跳闸率为线路各区段总雷击跳闸率的加权平均值；

以各区段的雷击跳闸率为基础，整条高铁线路的雷击跳闸率按式（3）进行计算：

                 

        （3）

式中的为高铁线路全线的平均雷击跳闸率( 次/(百公里·年))

为高铁线路网格区段数

为第i区段的总雷击跳闸率( 次/(百公里·年))

为第i区段内高铁线路的长度（公里）

为高铁线路总长度（公里）；

考虑到高铁线路特殊的电气结构，接触网遭受雷电过电压的方式有：雷击承力索及软横跨，雷击架空地线（回流线）的两集中接地之间的中部，雷击支柱或硬横跨顶部（包括附近的架空地线或回流线）和感应雷雷击跳闸。

对于雷击架空地线（回流线）的两集中接地之间中部造成的雷电过电压，由于架空地线（回流线）与接触网之间的空气间隙距离一般都满足式（4），不可能导致线路跳闸。对于雷击接地支柱附近的架空地线（回流线）时，无论架空地线（回流线）是否安装了小绝缘子，都可能引起小绝缘子放电，这种情况可以归结为雷击支柱顶部。

所以，计算高铁线路雷击跳闸率时，只需要考虑：直击雷（雷击承力索及软横跨，雷击支柱或硬横跨顶部），感应雷（雷击接触网附近引起的感应雷雷击跳闸）。

                 

                （4）

其中，S为架空地线与接触网在档距中央的间距（m），

为两杆塔间的距离（m）。

直击雷雷击跳闸率的确定步骤如下：

（1）计算超过雷击承力索及软横跨耐雷水平时的雷电流概率：

 对于无架空地线（回流线）的接触网，雷电直击接触网承力索或软横跨时的耐雷水平

为：

            

                （5）

 雷电直击有架空地线（回流线）的接触网承力索或软横跨时，接触网的耐雷水平

为：

                            （6）

式中：

为耦合系数，

，电晕修正系数

，对于几何耦合系数可按平行架空线及其镜像进行计算：

            

                （7）

式中，为承力索或软横跨的对地平均高度，

为承力索或软横跨的半径，

为承力索或软横跨与架空地线对地镜像之间的距离，为承力索或软横跨与架空地线之间的距离。

这里得到雷击承力索或软横跨有、无架空地线（回流线）两种情况下的耐雷水平

和

，再根据S2步骤中式（2）得到的雷电流概率分布公式，可进一步得出超过雷击承力索（软横跨）耐雷水平时的雷电流概率

。

（2）计算超过雷击支柱或硬横跨顶部耐雷水平时的雷电流概率

超过雷击独立接地支柱顶部耐雷水平时的雷电流概率

在雷击独立接地的支柱顶部时，同一支柱上水平拉杆绝缘子和腕臂棒式绝缘子上的雷电过电压谁先达到自己的50%冲击放电电压，谁就先放电。所以，这种情况下接触网的耐雷水平为式（8）和式（9）计算值的最小者。

                             （8）

                  

           （9）

式中，

和

分别为支柱上腕臂棒式绝缘子和水平拉杆绝缘子的正极性冲击放电电压（kV），

为支柱的冲击接地电阻（

），为接地引下线等值电感（

），

和

分别为植株上水平拉杆绝缘子和腕臂棒式绝缘子接地端对地的距离（m），

为接触网承力索对地平均高度（m），

为雷电流波头时间（）。

这里得到雷击独立接地的支柱顶部时，同一支柱上水平拉杆绝缘子和腕臂棒式绝缘子两种条件下的耐雷水平

和

，再根据S2中式（2）得到的雷电流概率分布公式，可进一步得出超过水平拉杆绝缘子和腕臂棒式绝缘子时耐雷水平的雷电流概率

和

，取两者之中的最小者，得到超过雷击独立接地的支柱顶部耐雷水平时的雷电流概率。

超过雷击有架空地线支柱顶部耐雷水平时的雷电流概率

.当雷击相邻两集中接地引下线中间的非接地支柱顶部时，雷电流只能向架空地线（回流线）两边传播，根据式（4）可知，不会发生架空地线（回流线）与接触网的空气间隙闪络放电，因此，雷电流将全部流经相邻的集中接地引下线入地，这时接触网的耐雷水平为：

         (10)

式中，

为接触网支柱上腕臂棒式绝缘子和水平拉杆绝缘子中的正极性冲击电压的最小者（kV），

为相邻两集中接地引下线间的架空地线等值电感的一半（

），

为承力索对地平均高度（m），

为架空地线或回流线对地平均高度（m），

和

分别为架空地线（回流线）与接触网之间的耦合系数和几何耦合系数，为雷电流波头时间（

）。

这里得到雷击相邻两集中接地引下线中间的非接地支柱顶部时的耐雷水平

，再根据S2步骤中式（2）得到的雷电流概率分布公式，可进一步得出超过雷击相邻两集中接地引下线中间的非接地支柱顶部耐雷水平时的雷电流概率

。

.当雷击有集中接地引下线连接点的支柱顶部，包括雷击这些支柱附近的架空地线（回流线），雷电流一方面向架空地线（回流线）两边传播，另一方面沿被击处的集中接地引下线入地，接触网的耐雷水平为式（11）和式（12）中计算值的最小者。

     （11）

     （12）

                     

               （13）

式中，

和

分别为支柱上腕臂棒式绝缘子和水平拉杆绝缘子的正极性冲击放电电压（kV），

为支柱的冲击接地电阻（），

为接地引下线等值电感（

），

和

分别为支柱上水平拉杆绝缘子和腕臂棒式绝缘子接地端对地的距离（m），

为架空地线或回流线对地平均高度（m），

和分别为架空地线（回流线）与接触网之间的耦合系数和几何耦合系数，

为接触网承力索对地平均高度（m），为雷电流波头时间（

），

为支柱分流系数，由式（13）得到。

这里得到雷击有集中接地引下线连接点的支柱顶部，包括雷击这些支柱附近的架空地线（回流线），同一支柱上水平拉杆绝缘子和腕臂棒式绝缘子两种条件下的耐雷水平和，再根据S2步骤中的式（2）得到的雷电流概率分布公式，可进一步得出超过水平拉杆绝缘子和腕臂棒式绝缘子耐雷水平时的雷电流概率

和

，取两者之中的最小者，得到超过雷击有集中接地引下线连接点的支柱顶部耐雷水平时的雷电流概率

。

直击雷雷击跳闸率的计算采用公式（14）计算：

                     

                 （14）

式中，

为S2步骤中根据雷电定位系统数据统计出的网格内地闪密度，为建弧率，为击线率，

为击柱率，

为超过雷击承力索耐雷水平时的概率，

为超过雷击支柱顶部或硬横跨顶部耐雷水平时的概率，其值取决于有无集中引下线，为与

之和，或是。

感应雷雷击跳闸率计算步骤：

感应雷雷击跳闸率因架空地线的有无分别考虑，当线路等值受雷宽度之内落雷时，雷电将直击接触网，而在线路等值受雷宽度之外的落雷时，在接触网上将产生感应电压，由于目前缺乏高速铁路供电线路的试验和实测数据，暂时参照电力系统的计算式对雷电感应电压进行估计，且暂不要求落雷点的距离

m，其中：

存在架空地线或回流线时，接触网的感应耐雷水平按式（15）得到：

                       

              （15）

不存在架空地线或回流线时，接触网的感应耐雷水平按式(16)得到：

                     (16)

式中：S为接触网等值受雷宽度之外的地面落雷点至接触网的垂直距离（m），

为线路绝缘子50%冲击放电电压(kV)，

为承力索对地平均高度(m)，

为架空地线（回流线）对地平均高度(m)，

为架空地线（回流线）与接触网之间的几何耦合系数。

这里得到接触网的感应雷耐雷水平，再根据S2步骤中式（2）得到的雷电流概率分布公式，可进一步得出超过接触网的感应雷耐雷水平时的雷电流概率。

感应雷雷击跳闸率的计算采用公式（17）计算：

                             

                      （17）

其中，

和

同上，

为超过接触网感应耐雷水平时的雷电流概率。

网格内总的雷击跳闸率

：

                        （18）

为了评估和比较不同地区和不同长度的线路防雷效果，应将实际计算所得的线路的雷击跳闸率，统一折算成40雷电日100km长的参考标准，才能进行比较，如式（19）所示。根据S2中统计出的地闪密度的单位，雷击跳闸率的单位要求统一为“次/(百公里·年)”。

                                               （19）

其中，

为折算在40雷电日100km参考标准下的雷击跳闸率；

为由雷电定位系统海量常年观测数据统计得出的高铁走廊网格段的地闪密度；

为该高铁线路评估的网格内线路长度；

为该高铁线路评估区段每年实际雷击跳闸次数。

S4、确定雷害评估指标并进行比较，通过比较，最终得到指定时间段内各区段及全线防雷性能评估结果；以全线加权平均雷击跳闸率值为评估指标，将S3步骤中计算得到的指定时间段内高铁线路各网格区段的总雷击跳闸率分别与之比较，得到高铁线路防雷性能在时间上和空间上的评估结果。

对高铁线路防雷性能在空间上的差异的评估：将计算得到的高铁线路各区段的雷击跳闸率，与全线平均值相比较，确定评估结果，如果大于全线平均值，评估结果为在此区段高铁线路的防雷性能较差；如果小于全线平均值，评估结果为在此区段高铁线路的防雷性能较好。

对高铁线路防雷性能在时间上的差异的评估：将计算得到的指定时间段内某一区段的高铁线路雷击跳闸率，与高铁线路全线的平均雷击跳闸率相比较，确定评估结果，如果大于全线平均值，评估结果为在此指定时间段内该区段高铁线路的防雷性能较差；如果小于全线平均值，评估结果为在此指定时间段内该区段高铁线路的防雷性能较好。

作为一个例子，本发明对某高铁线路2008-2010年的防雷性能进行了评估，表1是该线路两条供电臂各5个网格区段2008-2010年雷击跳闸率评估结果：供电臂A的#2、#4、#5和供电臂B的#125在2008-2010年的防雷性能较好，其余各区段防雷性能较差；供电臂A整体平均防雷性能较好，供电臂B整体平均防雷性能较差。鉴于该条高铁线路不同区段的防雷性能有明显差别，线路运行部门应根据该差别对不同区段采取有差异的防雷措施改造。

 表1 某高铁线路两供电臂内十区段2008-2010年防雷性能评估

 

表2是该条高铁线路#97区段在2008-2010年间每年的防雷性能评估结果：该区段在2008年和2009年防雷性能较差，2010年防雷性能较好，三年平均防雷性能较差。

表2  某高铁线路#97区段2008-2010年间每年的防雷性能评估结果

 

表3是该条高铁线路所经过的三个省域段2008-2010年间每年的防雷性能评估结果：A省域从2008-2010年的防雷评估结果分别为：较好、较差、较好；B省域从2008-2010年的防雷评估结果分别为：较差、较好、较好；C省域从2008-2010年的防雷评估结果分别为：较差、较好、较差。

表3  某高铁线路途径三个省域内2008-2010年间每年的防雷性能评估结果

 

Claims (5)

1.一种高速铁路牵引网防雷性能评估方法，采用网格法，将评估区域划分为若干个空间网格，并基于海量雷电定位系统数据，利用计算机运用高铁线路走廊雷电参数统计方法统计出各个空间网格在指定时间内的地闪密度参数和雷电流概率密度分布参数； 其特征在于，建立计算模式，进行逐个区段雷击跳闸率计算，建立的计算模式是采用雷击跳闸率计算方法，进行逐个区段雷击跳闸率计算是计算高铁线路各个区段及其全线在指定时间段内的直击雷雷击跳闸率、感应雷雷击跳闸率和总雷击跳闸率；以各区段的雷击跳闸率为基础，以全线雷击跳闸率值为基准，获取指定时间段内各个区段相对于全线的雷害风险数据信息，实现对高速铁路牵引网时空差异化的防雷性能评估，采用的基本步骤如下：

S1、给定需要进行防雷性能评估的高铁线路信息；高铁线路信息包括高铁线路的基本信息、高铁线路的地理信息、高铁线路的地形地质特征、高铁线路的桥梁路基隧道结构特征、高铁线路牵引网的绝缘特征、高铁线路的结构特征；高铁线路的基本信息包括线路名称、线路总长、供电方式、供电臂长度与分段信息；高铁线路的地理信息包括高铁线路的经纬度坐标、海拔高度；高铁线路的地形地质特征包括平原、山丘、大山；高铁线路的桥梁路基隧道特征包括桥梁、路基和隧道的分布与长度、桥梁高度；高铁线路牵引网的绝缘特征包括绝缘子串或最短空气间隙的闪络电压或伏秒特性、支柱接地电阻；高铁线路的结构特征包括支柱、架空地线、承力索的几何尺寸、架空地线和集中引下线配置；

S2、根据所给高铁线路的基本信息、地理信息，将评估区域划分为若干个所需大小的空间网格，并统计出各个空间网格在指定时间内的地闪密度参数和雷电流概率密度分布参数；

S3、以S2步骤中统计出的高铁线路雷电参数，结合S1步骤中给定的高铁线路的地形地质特征，高铁桥梁路基隧道结构特征，高铁线路牵引网的绝缘特征，高铁线路的结构特征，建立计算模式，进行逐个区段雷击跳闸率计算，建立的计算模式是采用雷击跳闸率计算方法，进行逐个区段雷击跳闸率计算是计算以网格进行分段的高铁线路各区段在指定时间段内的直击雷雷击跳闸率、感应雷雷击跳闸率和总雷击跳闸率，高铁线路全线的雷击跳闸率为线路各区段总雷击跳闸率的加权平均值；

S4、确定雷害评估指标并进行比较，通过比较，最终得到指定时间段内各区段及全线防雷性能评估结果；以全线加权平均雷击跳闸率值为评估指标，将S3步骤中计算得到的指定时间段内高铁线路各网格区段的总雷击跳闸率分别与之比较，得到高铁线路防雷性能在时间上和空间上的评估结果。

2.根据权利要求1 所述的一种高速铁路牵引网防雷性能评估方法，其特征在于，所述的采用雷击跳闸率计算方法计算线路各个区段在指定时间段内的直击雷雷击跳闸率、感应雷雷击跳闸率和网格内总雷击跳闸率时，应当明确，高铁线路全线各个区段在指定时间段内的直击雷雷击跳闸率为雷击承力索或软横跨、雷击支柱或硬横跨顶部的雷击跳闸率之和，雷击支柱或硬横跨顶部是指雷击独立接地的支柱顶部、雷击相邻两集中接地引下线中间的非接地支柱顶部及雷击有集中接地引下线连接点的支柱顶部；空间网格大小的选取遵循最小边长要大于雷电定位系统精度与线路感应雷受雷宽度之和的原则，其中，线

路感应雷受雷宽度S按下式获得：

式中，

为牵引网绝缘子冲击放电电压（kV），它的取值根据规程或者冲击试验获得；

为承力索或架空地线（回流线）对地平均高度（m）；

为雷电流幅值（kA），根据《DL/T 620—1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定，不超过100kA；将实际计算所得的线路的雷击跳闸率，统一折算成40雷电日100km长的参考标准进行比较，进行比较时采用如下公式：

   

                  

其中，

为折算在40雷电日100km参考标准下的网格区段雷击跳闸率；

为由雷电定位系统海量常年观测数据统计得出的高铁走廊网格段的地闪密度；

为该高铁线路评估的网格内线路长度与网格内隧道长度和铁桥的钢构框架长度之差；

为该高铁线路评估区段每年实际雷击跳闸次数。

3.根据权利要求1 所述的一种高速铁路牵引网防雷性能评估方法，其特征在于：所述的直击雷雷击跳闸率的确定步骤如下：

计算超过雷击承力索及软横跨耐雷水平时的雷电流概率：

 对于无架空地线（回流线）的接触网，雷电直击接触网承力索或软横跨时的耐雷水平

为：

 雷电直击有架空地线（回流线）的接触网承力索或软横跨时，接触网的耐雷水平

为：

式中：为耦合系数，

，电晕修正系数，

为接触网的波阻抗，为接触网绝缘子负极性冲击放电电压，对于几何耦合系数

可按平行架空线及其镜像进行计算：

式中，

为承力索或软横跨的对地平均高度，为承力索或软横跨的半径，为承力索或软横跨与架空地线对地镜像之间的距离，为承力索或软横跨与架空地线之间的距离；

这里得到雷击承力索或软横跨有、无架空地线（回流线）两种情况下的耐雷水平和

，再根据统计得到的雷电流概率分布公式，进一步得出超过雷击承力索（软横跨）耐雷水平时的雷电流概率

；

计算超过雷击支柱或硬横跨顶部耐雷水平时的雷电流概率：

超过雷击独立接地支柱顶部耐雷水平时的雷电流概率；

在雷击独立接地的支柱顶部时，取同一支柱上水平拉杆绝缘子和腕臂棒式绝缘子耐雷水平的最小者：

                     

式中，

和

分别为支柱上腕臂棒式绝缘子和水平拉杆绝缘子的正极性冲击放电电压（kV），

为支柱的冲击接地电阻（

），

为接地引下线等值电感（），

和

分别为支柱上水平拉杆绝缘子和腕臂棒式绝缘子接地端对地的距离（m），

为接触网承力索对地平均高度（m），

为雷电流波头时间（

）；

这里得到雷击独立接地的支柱顶部时，同一支柱上水平拉杆绝缘子和腕臂棒式绝缘子两种条件下的耐雷水平

和，再根据统计得到的雷电流概率分布公式，进一步得出超过水平拉杆绝缘子和腕臂棒式绝缘子耐雷水平时的雷电流概率和，取两者之中的更小者，得到超过雷击独立接地的支柱顶部耐雷水平时的雷电流概率

；

超过雷击有架空地线支柱顶部耐雷水平时的雷电流概率：

.当雷击相邻两集中接地引下线中间的非接地支柱顶部时的耐雷水平为：

式中，为接触网支柱上腕臂棒式绝缘子和水平拉杆绝缘子中的正极性冲击电压的最小者（kV），

为相邻两集中接地引下线间的架空地线等值电感的一半（），

为承力索对地平均高度（m），

为架空地线或回流线对地平均高度（m），

和

分别为架空地线（回流线）与接触网之间的耦合系数和几何耦合系数，

为雷电流波头时间（

）；

这里得到雷击相邻两集中接地引下线中间的非接地支柱顶部时的耐雷水平，再根据统计得到的雷电流概率分布公式，可进一步得出超过雷击相邻两集中接地引下线中

间的非接地支柱顶部耐雷水平时的雷电流概率

；

.当雷击有集中接地引下线连接点的支柱顶部时，接触网的耐雷水平为下面两式计算值中的最小者：

 

式中，

和

分别为支柱上腕臂棒式绝缘子和水平拉杆绝缘子的正极性冲击放电电压（kV），

为支柱的冲击接地电阻（

），

为接地引下线等值电感（），

和

分别为支柱上水平拉杆绝缘子和腕臂棒式绝缘子接地端对地的距离（m），

为架空地线或回流线对地平均高度（m），

和

分别为架空地线（回流线）与接触网之间的耦合系数和几何耦合系数，

为接触网承力索对地平均高度（m），

为雷电流波头时间（

），

为支柱分流系数，由下式得到：

这里得到雷击有集中接地引下线连接点的支柱顶部，包括雷击这些支柱附近的架空地线（回流线），同一支柱上水平拉杆绝缘子和腕臂棒式绝缘子两种条件下的耐雷水平，再根据统计得到的雷电流概率分布公式，可进一步得出超过水平拉杆绝缘子和腕臂棒式绝缘子耐雷水平时的雷电流概率

和

，取两者之中的最小者

；

直击雷雷击跳闸率的计算采用下式计算：

式中，

为S2中根据雷电定位系统数据统计出的网格内地闪密度，

为建弧率，

为击线率，为击柱率，为超过雷击承力索耐雷水平时的概率，

为超过雷击支柱顶部或硬横跨顶部耐雷水平时的概率，其值取决于有无集中引下线，为

与

之和，或是。

4.根据权利要求1 所述的一种高速铁路牵引网防雷性能评估方法，其特征在于，所述的感应雷雷击跳闸率的确定方法为： 

存在架空地线或回流线时，接触网的感应耐雷水平按下式得到：

不存在架空地线或回流线时，接触网的感应耐雷水平按下式得到：

式中：S为接触网等值受雷宽度之外的地面落雷点至接触网的垂直距离（m），

为线路绝缘子50%冲击放电电压(kV)，

为承力索对地平均高度(m)，为架空地线（回流线）对地平均高度(m)，

为架空地线（回流线）与接触网之间的几何耦合系数；

这里得到接触网的感应雷耐雷水平，再根据统计得到的雷电流概率分布公式，进一步得出超过接触网的感应雷耐雷水平时的雷电流概率

；

感应雷雷击跳闸率的计算采用下式计算：

其中，

和

同上，

为超过接触网感应耐雷水平时的雷电流概率；

网格内总的雷击跳闸率

：

。

5.根据权利要求1 所述的一种高速铁路牵引网防雷性能评估方法，其特征在于，所述的高速铁路牵引网时空差异化的防雷性能评估，采用如下式所示的公式计算高铁线路全线加权平均雷击跳闸率值，即全线各区段直击雷雷击跳闸率与感应雷雷击跳闸率和的加权平均：

式中，

为高铁线路全线的平均雷击跳闸率( 次/(百公里·年))；为高铁线路网格区段数；为第i区段的总雷击跳闸率( 次/(百公里·年))；

为第i区段内高铁线路的长度（公里）；

为高铁线路总长度（公里）。

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