專利名稱：一種高速鐵路牽引網(wǎng)防雷性能評估方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電氣化鐵路雷電防護(hù)領(lǐng)域，具體地說涉及一種高速鐵路牽引網(wǎng)防雷性能評估方法，其適用于電氣化鐵路牽引網(wǎng)的防雷性能評估。
背景技術(shù)：
電氣化鐵路牽引網(wǎng)時常遭受雷電襲擊，造成牽引變電所跳閘停電、燒斷承力索、接觸線斷線、擊毀絕緣子等故障。有統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，在中國由雷擊引起的牽引網(wǎng)跳閘占總故障 跳閘的30%以上，雷擊已成為引起電氣化鐵路牽引網(wǎng)跳閘的重要因素之一。另外，電氣化鐵路牽引網(wǎng)沒有后備，一旦遭受雷擊引起設(shè)備損壞或故障跳閘就會導(dǎo)致鐵路供電中斷，從而嚴(yán)重影響運輸安全和經(jīng)濟效益。要減少雷害事故或者減輕雷害事故對高速鐵路牽引網(wǎng)供電系統(tǒng)的影響，就必須提高高速鐵路牽引網(wǎng)的雷電防護(hù)水平，對高速鐵路牽引網(wǎng)的防雷性能進(jìn)行精細(xì)化、差異化的評估，制定經(jīng)濟技術(shù)上切實可行的雷擊風(fēng)險防護(hù)技術(shù)方案，從而科學(xué)的、合理的進(jìn)行高速鐵路牽引網(wǎng)的防雷設(shè)計、施工和改造。可能引起高速鐵路牽引網(wǎng)線路跳閘的雷擊方式有以下兩種(I)直接雷擊，包括雷擊牽引網(wǎng)的承力索、回流線或架空地線、支柱頂部；(2)感應(yīng)雷擊，線路附近的地面落雷，在線路上產(chǎn)生感應(yīng)過電壓。實測表明，架空線路上的感應(yīng)電壓可達(dá)300KV飛00KV，高速鐵路供電線路的電壓等級不高，絕緣耐受雷電沖擊電壓的能力有限，雷擊線路導(dǎo)線或線路附近地面，都可能超過牽引網(wǎng)的絕緣耐受水平，導(dǎo)致線路絕緣放電，引起線路跳閘。因此，高速鐵路牽引網(wǎng)的防雷性能評估方法必須對直擊雷擊和感應(yīng)雷擊防雷性能進(jìn)行綜合評估。而據(jù)申請人所知，目前中國電氣化鐵路牽引網(wǎng)的防雷設(shè)計，是按照《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》TB10009-2005中的規(guī)定進(jìn)行的，該規(guī)定的第5. 3. I條規(guī)定“應(yīng)根據(jù)雷電日及運營經(jīng)驗，并按下列原則對牽引網(wǎng)進(jìn)行大氣過電壓保護(hù)
(I)吸流變壓器的原邊應(yīng)設(shè)避雷裝置。(2)高雷區(qū)及強雷區(qū)，下列重點位置應(yīng)設(shè)避雷器
①分相和站場端部絕緣錨段關(guān)節(jié)；
②長度2000m及以上隧道的兩端；
③較長的供電線或AF線連接到接觸網(wǎng)上的接線處?！?br> 《高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)》在TB10009-2005的基礎(chǔ)上增加了如下規(guī)定在11. 5. 3的11條款中規(guī)定了“重污染或重(強)雷區(qū)以上以及高路基、高架橋、隧道口等重點地段的接觸網(wǎng)應(yīng)增設(shè)氧化鋅避雷器，接觸網(wǎng)下錨絕緣子、分段絕緣子采用復(fù)合棒形絕緣子等防雷措施；接地裝置、接地引下和連接措施應(yīng)符合系統(tǒng)絕緣匹配、熱穩(wěn)定性校驗、機械強度和抗腐蝕等要求”。工程運行經(jīng)驗表明，這些防護(hù)方法只是對牽引變電所和隧道內(nèi)的供電設(shè)備起到雷電防護(hù)作用，未能有效防護(hù)牽弓I網(wǎng)的雷害。而另據(jù)中國電氣化鐵路的運行統(tǒng)計，牽引網(wǎng)的防雷保護(hù)措施分為兩種情況第一種平均年雷暴日在60天以下的線路，運行情況良好，雷擊事故較少，按TB 10009-2005執(zhí)行；第二種平均年雷暴日在60天以上的線路應(yīng)采取特殊防雷措施，并根據(jù)下列條件認(rèn)真研究實施方案
①鐵路通過地區(qū)的雷電活動強度和當(dāng)?shù)仉娏Σ块T的運行經(jīng)驗；
②該地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)與地形地貌等條件，以及土壤電阻率大??；
③鐵路線路等級及重要程度。該設(shè)計方案粗泛的在不同的地域采用相同的由氣象部門人工觀測統(tǒng)計出的雷電日的推算結(jié)果，其根本的不足在于，沒有考慮到各雷電參數(shù)的時空差異化特征，現(xiàn)有的研究已表明，對于相同電壓等級的線路，盡管導(dǎo)線架設(shè)高度相同，但由于不同的時間段、不同的氣象條件、不同的地理環(huán)境，雷擊對高速鐵路牽引網(wǎng)造成的沖擊是不同的，高速鐵路牽引網(wǎng)呈現(xiàn)出的防雷性能相應(yīng)地也會有所不同。因此，據(jù)此而進(jìn)行的高速鐵路牽引網(wǎng)防雷設(shè)計，無法準(zhǔn)確、細(xì)致、針對性地評價高速鐵路牽弓I網(wǎng)的防雷性能。中國專利文獻(xiàn)公開的《基于雷電參數(shù)統(tǒng)計的輸電線路防雷性能評估方法》(公開號 CN 101315400A)提供了一種正確利用長期雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)并進(jìn)行雷電參數(shù)統(tǒng)計，對輸電線路時空差異化的防雷性能進(jìn)行評估的方法。該方法根據(jù)輸電線路遭受雷擊的類型，將直擊雷分為反擊和繞擊進(jìn)行雷擊跳閘率的分析計算，但是沒有對感應(yīng)雷的雷擊風(fēng)險進(jìn)行考慮；另夕卜，由于高速鐵路牽引網(wǎng)與輸電線路的電氣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同，因而輸電線路雷擊跳閘率的計算方法不適用于高速鐵路線路的雷擊跳閘率計算。中國專利文獻(xiàn)公開的《采用網(wǎng)格法確定雷電參數(shù)的統(tǒng)計方法》(公開號CN1936880)提供了一種以雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)為統(tǒng)計樣本的雷電參數(shù)統(tǒng)計方法，即網(wǎng)格法，該方法由于采用計算機建立了雷電參數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)系統(tǒng)，大大減輕了專業(yè)技術(shù)人員的勞動強度，采用網(wǎng)格法確定雷電參數(shù)，使雷電參數(shù)詳盡集中、更新速度快，在與人工氣象原始資料進(jìn)行比較驗證的基礎(chǔ)上，能夠準(zhǔn)確地描述選定區(qū)域的雷電參數(shù)，方法簡單，容易實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，針對現(xiàn)有設(shè)計方法中的不足，進(jìn)行研究和改進(jìn)，提出一種高速鐵路牽引網(wǎng)防雷性能評估方法，具體的說，本發(fā)明是采用有差異的、針對性的海量真實雷電數(shù)據(jù)，綜合考慮高鐵線路走廊沿線的直擊雷和感應(yīng)雷風(fēng)險的防雷性能評估方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是采用網(wǎng)格法，將評估區(qū)域劃分為若干個空間網(wǎng)格，并基于海量雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，利用計算機運用高鐵線路走廊雷電參數(shù)統(tǒng)計方法統(tǒng)計出各個空間網(wǎng)格在指定時間內(nèi)的地閃密度參數(shù)和雷電流概率密度分布參數(shù)；其特征在于，建立計算模式，進(jìn)行逐個區(qū)段雷擊跳閘率計算，建立的計算模式是采用雷擊跳閘率計算方法，進(jìn)行逐個區(qū)段雷擊跳閘率計算是計算高鐵線路各個區(qū)段及其全線在指定時間段內(nèi)的直擊雷雷擊跳閘率、感應(yīng)雷雷擊跳閘率和總雷擊跳閘率；以各區(qū)段的雷擊跳閘率為基礎(chǔ)，以全線雷擊跳閘率值為基準(zhǔn)，獲取指定時間段內(nèi)各個區(qū)段相對于全線的雷害風(fēng)險數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)對高速鐵路牽引網(wǎng)時空差異化的防雷性能評估，采用的基本步驟如下
SI、給定需要進(jìn)行防雷性能評估的聞鐵線路彳目息；聞鐵線路彳目息包括聞鐵線路的基本f目息、聞鐵線路的地理彳目息、聞鐵線路的地形地質(zhì)特征、聞鐵線路的橋梁路基隧道結(jié)構(gòu)特征、聞鐵線路牽引網(wǎng)的絕緣特征、聞鐵線路的結(jié)構(gòu)特征；聞鐵線路的基本彳目息包括線路名稱、線路總長、供電方式、供電臂長度與分段信息；高鐵線路的地理信息包括高鐵線路的經(jīng)諱度坐標(biāo)、海拔聞度；聞鐵線路的地形地質(zhì)特征包括平原、山丘、大山；聞鐵線路的橋梁路基隧道結(jié)構(gòu)特征包括橋梁、路基和隧道的分布與長度、橋梁高度；高鐵線路牽引網(wǎng)的絕緣特征包括絕緣子串或最短空氣間隙的閃絡(luò)電壓或伏秒特性、支柱接地電阻；高鐵線路的結(jié)構(gòu)特征包括支柱、架空地線、承力索的幾何尺寸、架空地線和集中引下線配置；
52、根據(jù)所給高鐵線路的基本信息、地理信息，將評估區(qū)域劃分為若干個所需大小的空間網(wǎng)格，并統(tǒng)計出各個空間網(wǎng)格在指定時間內(nèi)的地閃密度參數(shù)和雷電流概率密度分布參數(shù)；
53、以S2步驟中統(tǒng)計出的高鐵線路雷電參數(shù)，結(jié)合SI步驟中給定的高鐵線路的地形地質(zhì)特征，聞鐵橋梁路基隧道結(jié)構(gòu)特征，聞鐵線路牽引網(wǎng)的絕緣特征，聞鐵線路的結(jié)構(gòu)特征，建立計算模式，進(jìn)行逐個區(qū)段雷擊跳閘率計算，建立的計算模式是采用雷擊跳閘率計算方法，進(jìn)行逐個區(qū)段雷擊跳閘率計算是計算以網(wǎng)格進(jìn)行分段的高鐵線路各區(qū)段在指定時間段內(nèi)的直擊雷雷擊跳閘率、感應(yīng)雷雷擊跳閘率和總雷擊跳閘率，高鐵線路全線的雷擊跳閘率為線路各區(qū)段總雷擊跳閘率的加權(quán)平均值； 54、確定雷害評估指標(biāo)并進(jìn)行比較，通過比較，最終得到指定時間段內(nèi)各區(qū)段及全線防雷性能評估結(jié)果；以全線加權(quán)平均雷擊跳閘率值為評估指標(biāo)，將S3步驟中計算得到的指定時間段內(nèi)高鐵線路各網(wǎng)格區(qū)段的總雷擊跳閘率分別與之比較，得到高鐵線路防雷性能在時間上和空間上的評估結(jié)果。其特征在于，所述的采用雷擊跳閘率計算方法計算線路各個區(qū)段在指定時間段內(nèi)的直擊雷雷擊跳閘率、感應(yīng)雷雷擊跳閘率和網(wǎng)格內(nèi)總雷擊跳閘率時，應(yīng)當(dāng)明確，高鐵線路全線各個區(qū)段在指定時間段內(nèi)的直擊雷雷擊跳閘率為雷擊承力索或軟橫跨、雷擊支柱或硬橫跨頂部的雷擊跳閘率之和，雷擊支柱或硬橫跨頂部是指雷擊獨立接地的支柱頂部、雷擊相鄰兩集中接地引下線中間的非接地支柱頂部及雷擊有集中接地引下線連接點的支柱頂部；空間網(wǎng)格大小的選取遵循最小邊長要大于雷電定位系統(tǒng)精度與線路感應(yīng)雷受雷寬度之和的原則，其中，線路感應(yīng)雷受雷寬度S按下式獲得
r_ 25A/q Uim
式中，為牽引網(wǎng)絕緣子沖擊放電電壓(kV)，它的取值根據(jù)規(guī)程或者沖擊試驗獲得+力承力索或架空地線(回流線)對地平均高度(m),n為雷電流幅值(kA)，根據(jù)《DL/T620-1997交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》規(guī)定，不超過IOOkA ;將實際計算所得的線路的雷擊跳閘率，統(tǒng)一折算成40雷電日IOOkm長的參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，進(jìn)行比較時采用如下公式
=-— ns
ATg'/j
其中，》為折算在40雷電日IOOkm參考標(biāo)準(zhǔn)下的網(wǎng)格區(qū)段雷擊跳閘率；Fft為由雷電定位系統(tǒng)海量常年觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出的高鐵走廊網(wǎng)格段的地閃密度；h為該高鐵線路評估的網(wǎng)格內(nèi)線路長度與網(wǎng)格內(nèi)隧道長度和鐵橋的鋼構(gòu)框架長度之差；. 為該高鐵線路評估區(qū)段每年實際雷擊跳閘次數(shù)。其特征在于所述的直擊雷雷擊跳閘率的確定步驟如下
(I)計算超過雷擊承力索及軟橫跨耐雷水平時的雷電流概率①對于無架空地線(回流線)的接觸網(wǎng)，雷電直擊接觸網(wǎng)承力索或軟橫跨時的耐雷水平為
權(quán)利要求
1.一種高速鐵路牽引網(wǎng)防雷性能評估方法，采用網(wǎng)格法，將評估區(qū)域劃分為若干個空間網(wǎng)格，并基于海量雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，利用計算機運用高鐵線路走廊雷電參數(shù)統(tǒng)計方法統(tǒng)計出各個空間網(wǎng)格在指定時間內(nèi)的地閃密度參數(shù)和雷電流概率密度分布參數(shù)；其特征在于，建立計算模式，進(jìn)行逐個區(qū)段雷擊跳閘率計算，建立的計算模式是采用雷擊跳閘率計算方法，進(jìn)行逐個區(qū)段雷擊跳閘率計算是計算高鐵線路各個區(qū)段及其全線在指定時間段內(nèi)的直擊雷雷擊跳閘率、感應(yīng)雷雷擊跳閘率和總雷擊跳閘率；以各區(qū)段的雷擊跳閘率為基礎(chǔ)，以全線雷擊跳閘率值為基準(zhǔn)，獲取指定時間段內(nèi)各個區(qū)段相對于全線的雷害風(fēng)險數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)對高速鐵路牽引網(wǎng)時空差異化的防雷性能評估，采用的基本步驟如下 51、給定需要進(jìn)行防雷性能評估的聞鐵線路/[目息；聞鐵線路彳目息包括聞鐵線路的基本 目息、聞鐵線路的地理 目息、聞鐵線路的地形地質(zhì)特征、聞鐵線路的橋梁路基隧道結(jié)構(gòu)特征、聞鐵線路牽引網(wǎng)的絕緣特征、聞鐵線路的結(jié)構(gòu)特征；聞鐵線路的基本彳目息包括線路名稱、線路總長、供電方式、供電臂長度與分段信息；高鐵線路的地理信息包括高鐵線路的經(jīng)諱度坐標(biāo)、海拔聞度；聞鐵線路的地形地質(zhì)特征包括平原、山丘、大山；聞鐵線路的橋梁路基隧道特征包括橋梁、路基和隧道的分布與長度、橋梁高度；高鐵線路牽引網(wǎng)的絕緣特征包括絕緣子串或最短空氣間隙的閃絡(luò)電壓或伏秒特性、支柱接地電阻；高鐵線路的結(jié)構(gòu)特征包括支柱、架空地線、承力索的幾何尺寸、架空地線和集中引下線配置； 52、根據(jù)所給高鐵線路的基本信息、地理信息，將評估區(qū)域劃分為若干個所需大小的空間網(wǎng)格，并統(tǒng)計出各個空間網(wǎng)格在指定時間內(nèi)的地閃密度參數(shù)和雷電流概率密度分布參數(shù)； 53、以S2步驟中統(tǒng)計出的高鐵線路雷電參數(shù)，結(jié)合SI步驟中給定的高鐵線路的地形地質(zhì)特征，聞鐵橋梁路基隧道結(jié)構(gòu)特征，聞鐵線路牽引網(wǎng)的絕緣特征，聞鐵線路的結(jié)構(gòu)特征，建立計算模式，進(jìn)行逐個區(qū)段雷擊跳閘率計算，建立的計算模式是采用雷擊跳閘率計算方法，進(jìn)行逐個區(qū)段雷擊跳閘率計算是計算以網(wǎng)格進(jìn)行分段的高鐵線路各區(qū)段在指定時間段內(nèi)的直擊雷雷擊跳閘率、感應(yīng)雷雷擊跳閘率和總雷擊跳閘率，高鐵線路全線的雷擊跳閘率為線路各區(qū)段總雷擊跳閘率的加權(quán)平均值； 54、確定雷害評估指標(biāo)并進(jìn)行比較，通過比較，最終得到指定時間段內(nèi)各區(qū)段及全線防雷性能評估結(jié)果；以全線加權(quán)平均雷擊跳閘率值為評估指標(biāo)，將S3步驟中計算得到的指定時間段內(nèi)高鐵線路各網(wǎng)格區(qū)段的總雷擊跳閘率分別與之比較，得到高鐵線路防雷性能在時間上和空間上的評估結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高速鐵路牽引網(wǎng)防雷性能評估方法，其特征在于，所述的采用雷擊跳閘率計算方法計算線路各個區(qū)段在指定時間段內(nèi)的直擊雷雷擊跳閘率、感應(yīng)雷雷擊跳閘率和網(wǎng)格內(nèi)總雷擊跳閘率時，應(yīng)當(dāng)明確，高鐵線路全線各個區(qū)段在指定時間段內(nèi)的直擊雷雷擊跳閘率為雷擊承力索或軟橫跨、雷擊支柱或硬橫跨頂部的雷擊跳閘率之和，雷擊支柱或硬橫跨頂部是指雷擊獨立接地的支柱頂部、雷擊相鄰兩集中接地引下線中間的非接地支柱頂部及雷擊有集中接地引下線連接點的支柱頂部；空間網(wǎng)格大小的選取遵循最小邊長要大于雷電定位系統(tǒng)精度與線路感應(yīng)雷受雷寬度之和的原則，其中，線 路感應(yīng)雷受雷寬度S按下式獲得式中，U伽為牽引網(wǎng)絕緣子沖擊放電電壓(kV)，它的取值根據(jù)規(guī)程或者沖擊試驗獲得.Λ為承力索或架空地線(回流線)對地平均高度(m) ;/。為雷電流幅值(kA)，根據(jù)《DL/T620-1997交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》規(guī)定，不超過IOOkA ;將實際計算所得的線路的雷擊跳閘率，統(tǒng)一折算成40雷電日IOOkm長的參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，進(jìn)行比較時采用如下公式
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高速鐵路牽引網(wǎng)防雷性能評估方法，其特征在于所述的直擊雷雷擊跳閘率的確定步驟如下 計算超過雷擊承力索及軟橫跨耐雷水平時的雷電流概率 ①對于無架空地線(回流線)的接觸網(wǎng)，雷電直擊接觸網(wǎng)承力索或軟橫跨時的耐雷水干 。-為
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高速鐵路牽引網(wǎng)防雷性能評估方法，其特征在于，所述的感應(yīng)雷雷擊跳閘率的確定方法為 ①存在架空地線或回流線時，接觸網(wǎng)的感應(yīng)耐雷水平按下式得到
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高速鐵路牽引網(wǎng)防雷性能評估方法，其特征在于，所述的高速鐵路牽引網(wǎng)時空差異化的防雷性能評估，采用如下式所示的公式計算高鐵線路全線加權(quán)平均雷擊跳閘率值，即全線各區(qū)段直擊雷雷擊跳閘率與感應(yīng)雷雷擊跳閘率和的加權(quán)平均
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高速鐵路牽引網(wǎng)防雷性能評估方法，采用網(wǎng)格法，將評估區(qū)域劃分為若干個空間網(wǎng)格，并基于海量雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，利用計算機運用高鐵線路走廊雷電參數(shù)統(tǒng)計方法統(tǒng)計出各個空間網(wǎng)格在指定時間內(nèi)的地閃密度參數(shù)和雷電流概率密度分布參數(shù)；建立的計算模式是采用雷擊跳閘率計算方法計算高鐵線路各個區(qū)段及其全線在指定時間段內(nèi)的直擊雷雷擊跳閘率、感應(yīng)雷雷擊跳閘率和總雷擊跳閘率；以各區(qū)段的雷擊跳閘率為基礎(chǔ)，以全線雷擊跳閘率值為基準(zhǔn)，獲取指定時間段內(nèi)各個區(qū)段相對于全線的雷害風(fēng)險數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)對高速鐵路牽引網(wǎng)時空差異化的防雷性能評估，優(yōu)點是，基于海量常年雷電定位系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)，計算出的雷擊跳閘率更接近于真實情況。
文檔編號G01R31/00GK102967785SQ201210499740
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者谷山強, 嚴(yán)碧武, 向念文, 蘇杰, 趙淳, 王韜, 吳敏, 王佩 申請人:國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司, 國家電網(wǎng)公司