高速铁路轨道电路系统雷击风险的评估方法与流程

本发明属于高速铁路轨道电路系统雷电防护领域，具体涉及一种高速铁路轨道电路系统雷击风险的评估方法。

背景技术：

我国高速铁路多采用高架桥方式敷设，以京津城际和京沪高速为例，其高架桥长度达到总里程的80％以上，相比于地面敷设的普速铁路，接触网高度显著增加，其遭受雷击的次数明显增多。列车运行控制中的轨道空闲检测和控制信号的传输主要依靠轨道电路系统实现，该系统是利用铁路钢轨为传输导体构成的无绝缘移频自动闭塞系统。

轨道电路系统为沿轨道敷设的弱电系统，与接触网支柱电气连通，接触网遭受雷击时产生的瞬态过电压易侵入到轨道电路系统内部，造成其设备损坏，接触网雷击次数的明显增多，直接导致轨道电路系统雷击故障风险水平显著上升。运行经验表明，雷击造成轨道电路系统损坏的情况时有发生，甚至引发过安全事故。且通讯行业的弱电系统的雷电风险评估分析也缺少定量化手段，若直接的使用其系列雷电防护标准，会使整个高铁信号系统处于过防护或欠防护状态，继而造成经济损失，且通信行业现有防护策略和措施难以适应轨道电路系统“故障导向安全”的设计原则。由此可见，为满足我国高速铁路安全可靠运行要求，结合我国高速铁路的自身特点，对高速铁路轨道电路系统的雷击风险进行评估分析，通过建立轨道电路系统雷击瞬态模型计算轨道电路系统的雷电过电压，进而计算轨道电路系统的雷击损坏率，提出高速铁路轨道电路系统最具安全性、经济性的雷击防护措施方案，具有十分重要的工程价值和社会效益。

技术实现要素：

本发明的目的是，针对目前雷击造成轨道电路系统损坏的情况时有发生，甚至引发过安全事故，且现有通讯行业的弱电系统雷电防护标准不适用于轨道电路系统“故障导向安全”的设计原则，从而提出一种高速铁路轨道电路系统雷击风险的评估方法。

本发明的目的是这样实现的，本发明提供了一种高速铁路轨道电路系统雷击风险的评估方法，包括以下步骤：

步骤1，轨道电路系统基本参数的采集和雷电流幅值范围的设定；

采集轨道电路系统基本参数，所述基本参数包括钢轨传输线单位长度参数、信号电缆传输线单位长度参数、接触网导线参数、雷电参数和轨道电路系统设备绝缘雷击耐受水平参数；采用扫频法获得轨道电路系统关键设备的端口频域传递特性，所述关键设备包括调谐匹配单元、模拟网络盘、隔离变压器；

首先根据已知的观测数据，将需要估计的雷电流幅值范围记为雷电流幅值范围a，a＝0-300ka；然后将雷电流幅值范围a等分为n个区间，令每个区间起始处的雷电流幅值作为该区间评估点的雷电流幅值，得到n个区间评估点的雷电流幅值，在n个区间中任取一个区间并将该区间评估点的雷电流幅值记为雷电流幅值ij，j＝1，2...n；最后将n个区间评估点的雷电流幅值组成一个雷电流幅值的集合，记为集合i，i＝{i1，i2.......ij......in}；

步骤2，建立轨道电路系统雷击瞬态计算模型；

步骤2.1，根据信号电缆传输线单位长度参数建立信号电缆传输线模型的时域传输线方程，并在仿真软件atpdraw环境下，根据信号电缆传输线的时域传输线方程建立信号电缆的传输线模型；

所述信号电缆传输线模型的时域传输线方程的表达式如下：

式中，x1为信号电缆的单位长度，u1为信号电缆传输线单位长度上的电压的列向量、w1为信号电缆传输线单位长度上的电流的列向量，z1为信号电缆传输线单位长度阻抗矩阵，y1为信号电缆传输线单位长度导纳矩阵；

步骤2.2，根据钢轨传输线单位长度参数和多导体传输线理论建立钢轨传输线模型的时域传输线方程，并在仿真软件atpdraw环境下，根据钢轨传输线模型的时域传输线方程建立钢轨传输线模型；

钢轨传输线模型的时域传输线方程的表达式如下：

式中，x2为钢轨的单位长度，u2为钢轨传输线单位长度上的电压的列向量、w2为钢轨传输线单位长度上的电流的列向量，z2为钢轨传输线单位长度阻抗矩阵，y2为钢轨传输线单位长度导纳矩阵；

步骤2.3，根据轨道电路系统关键设备的端口频域传递特性建立轨道电路系统关键设备的集中参数等效电路模型，对集中参数等效电路模型进行电网络等值，并在仿真软件atpdraw环境下，根据集中参数等效电路建立轨道电路系统关键设备的集中参数等效电路模型；

步骤2.4，根据建立的钢轨传输线模型、信号电缆传输线模型、轨道电路系统关键设备的集中参数等效电路模型，在仿真软件atpdraw环境下，完成轨道电路系统雷击瞬态计算模型的建立；

步骤3，一级区段和二级区段bh的设定；

将轨道电路系统两个调谐区间之间距离为1公里的区段记为一级区段，按照长度m等分一级区段得到k个二级区段，将k个二级区段中的任意一个记为二级区段bh，h＝1，2.....k；将k个二级区段的集合记成集合b，集合b＝{b1，b2...bh....bk}；

步骤4，确定二级区段bh的最小雷电流幅值imin；

根据步骤2建立的轨道电路系统雷击瞬态计算模型，在仿真软件atpdraw中，对二级区段bh，依次从小到大输入集合i＝{i1，i2.......ij......in}中的n个区间评估点的雷电流幅值，然后调用电磁暂态计算程序计算该二级区段bh的轨道电路系统雷电过电压幅值ut，当计算获得的轨道电路系统雷电过电压幅值ut等于轨道电路系统设备绝缘雷击的耐受水平时，记录此时的雷电流幅值，并将该雷电流幅值作为导致该二级区段bh轨道电路系统损坏的最小雷电流幅值imin；

步骤5，在二级区段bh内，计算雷电流幅值ij对应区间的接触网的导线击距rc和大地击距rg，计算接触网地线的雷电吸引宽度lg；

导线击距rc的计算式如下：

rc＝10ij^0.65

设接触网承力索的平均高度为yt，大地击距rg的计算式如下：

当yt＜40m，rg＝[3.6+1.7ln(43-yt)]ij^0.65

当yt≥40m，rg＝5.5ij^0.65

接触网地线的雷电吸引宽度lg的计算式如下：

lg＝x1/2

式中，x1为地线的暴露弧暴露弧在大地上的投影宽度之和；

步骤6，在二级区段bh内，计算雷电流幅值ij对应区间的轨道电路系统发生雷击绝缘损坏次数δlsfrh，计算式如下：

δlsfrh＝0.2nglgm(p(ij)-p(ij+1))

式中：

即雷电流幅值超过ij的雷电流出现的概率；

p(ij+1)为雷电流幅值超过ij+1的雷电流出现的概率；

ng为地闪密度，ng＝2.78次/每年每平方公里；

步骤7，计算二级区段bh的轨道电路系统发生雷击绝缘损坏次数lsfrh；

从雷电流幅值范围a中分解出雷电流幅值为imin～300ka的雷电流幅值范围c，设雷电流幅值范围c内共包含n1个区间，n1≤n；

对雷电流幅值范围c，按照步骤4至步骤5的方法逐个区间计算轨道电路系统发生雷击绝缘损坏次数δlsfrh，得到n1个轨道电路系统发生雷击绝缘损坏次数δlsfrh；对n1个轨道电路系统发生雷击绝缘损坏次数δlsfrh进行累加得到二级区段bh的轨道电路系统发生雷击绝缘损坏次数lsfrh；

步骤8，计算每公里轨道电路系统发生雷击绝缘损坏次数lsfr1km；

对步骤3定义的距离为1公里的一级区段，按照步骤4至步骤7的方法逐个二级区段计算轨道电路系统发生雷击绝缘损坏次数lsfrh，得到k个轨道电路系统发生雷击绝缘损坏次数lsfrh；对k个轨道电路系统发生雷击绝缘损坏次数lsfrh进行累加得到每公里轨道电路系统发生雷击绝缘损坏次数lsfr1km；

每公里轨道电路系统发生雷击绝缘损坏次数lsfr1km的计算式如下：

步骤9，计算轨道电路系统雷击损坏率lsfr100km；

将每公里轨道电路系统发生雷击绝缘损坏次数lsfr1km乘以100得到轨道电路系统雷击损坏率lsfr100km，并将轨道电路系统雷击损坏率lsfr100km作为轨道电路系统雷击风险的评判依据；

lsfr100km＝100×lsfr1km

优选地，步骤2所述集中参数等效电路模型的等效电路包括三个节点、三个节点的三条对地导纳支路、三条节点间导纳支路；所述三个节点为轨道电路系统关键设备的任意三个端子，分别记为节点1、节点2和节点3；所述三条对地导纳支路分别为节点1的对地导纳支路p1、节点2的对地导纳支路p2和节点3的对地导纳支路p3；三条节点间导纳支路分别记为节点间导纳支路p12、节点间导纳支路p13和节点间导纳支路p23，其中，节点间导纳支路p12连接在节点1和节点2之间，节点间导纳支路p13连接在节点1和节点3之间，节点间导纳支路p23连接在节点2和节点3之间。

优选地，步骤4所述地线的暴露弧暴露弧的获取方式为：分别以地线和接触网承力索为圆心，以导线击距rc为半径做圆弧，以大地击距rg为高度做水平线，使地线的圆弧和水平线相交、接触网承力索的圆弧与地线的圆弧相交形成地线的暴露弧暴露弧

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)建立了钢轨、信号电缆、轨道电路系统关键设备的等效模型，能够定量的计算分析高速铁路轨道电路系统的防雷故障，对轨道电路系统进行有效地雷击风险评估；

2)本发明的应用，将会有效的帮助高铁运行管理部门进行以轨道电路系统“故障导向安全”为原则的防雷设计工作，提高高速铁路运行的安全性和可靠性。

附图说明：

图1为本发明的流程图。

图2为本发明实施例中的集中参数等效电路模型的电路图。

图3为本发明实施例中接触网导线和周围大地的雷电吸引范围图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细的说明

图1是本发明高速铁路轨道电路系统雷击风险评估方法的流程图。由该图可见，本发明一种高速铁路轨道电路系统雷击风险评估方法，包括以下步骤：

步骤1，轨道电路系统基本参数的采集和雷电流幅值范围的设定。

采集轨道电路系统基本参数，所述基本参数包括钢轨传输线单位长度参数、信号电缆传输线单位长度参数、接触网导线参数、雷电参数和轨道电路系统设备绝缘雷击耐受水平参数；采用扫频法获得轨道电路系统关键设备的端口频域传递特性，所述关键设备包括调谐匹配单元、模拟网络盘、隔离变压器。

首先根据已知的观测数据，将需要估计的雷电流幅值范围记为雷电流幅值范围a，a＝0-300ka；然后将雷电流幅值范围a等分为n个区间，令每个区间起始处的雷电流幅值作为该区间评估点的雷电流幅值，得到n个区间评估点的雷电流幅值，在n个区间中任取一个区间并将该区间评估点的雷电流幅值记为雷电流幅值ij，j＝1，2...n；最后将n个区间评估点的雷电流幅值组成一个雷电流幅值的集合，记为集合i，i＝{i1，i2.......ij......in}。在本实施例中，n＝1000～2000。

步骤2，建立轨道电路系统雷击瞬态计算模型。

步骤2.1，根据信号电缆传输线单位长度参数建立信号电缆传输线模型的时域传输线方程，并在仿真软件atpdraw环境下，根据信号电缆传输线的时域传输线方程建立信号电缆的传输线模型。

所述信号电缆传输线模型的时域传输线方程的表达式如下：

式中，x1为信号电缆的单位长度，u1为信号电缆传输线单位长度上的电压的列向量、w1为信号电缆传输线单位长度上的电流的列向量，z1为信号电缆传输线单位长度阻抗矩阵，y1为信号电缆传输线单位长度导纳矩阵。

步骤2.2，根据钢轨传输线单位长度参数和多导体传输线理论建立钢轨传输线模型的时域传输线方程，并在仿真软件atpdraw环境下，根据钢轨传输线模型的时域传输线方程建立钢轨传输线模型。

钢轨传输线模型的时域传输线方程的表达式如下：

式中，x2为钢轨的单位长度，u2为钢轨传输线单位长度上的电压的列向量、w2为钢轨传输线单位长度上的电流的列向量，z2为钢轨传输线单位长度阻抗矩阵，y2为钢轨传输线单位长度导纳矩阵。

步骤2.3，根据轨道电路系统关键设备的端口频域传递特性建立轨道电路系统关键设备的集中参数等效电路模型，对集中参数等效电路模型进行电网络等值，并在仿真软件atpdraw环境下，根据集中参数等效电路建立轨道电路系统关键设备的集中参数等效电路模型。

图2为本发明实施例中的集中参数等效电路模型的电路图。由该图可见，在本实施例中，集中参数等效电路模型的等效电路包括三个节点、三个节点的三条对地导纳支路、三条节点间导纳支路；所述三个节点为轨道电路系统关键设备的任意三个端子，分别记为节点1、节点2和节点3；所述三条对地导纳支路分别为节点1的对地导纳支路p1、节点2的对地导纳支路p2和节点3的对地导纳支路p3；三条节点间导纳支路分别记为节点间导纳支路p12、节点间导纳支路p13和节点间导纳支路p23，其中，节点间导纳支路p12连接在节点1和节点2之间，节点间导纳支路p13连接在节点1和节点3之间，节点间导纳支路p23连接在节点2和节点3之间。

步骤2.4，根据建立的钢轨传输线模型、信号电缆传输线模型、轨道电路系统关键设备的集中参数等效电路模型，在仿真软件atpdraw环境下，完成轨道电路系统雷击瞬态计算模型的建立。

步骤3，一级区段和二级区段bh的设定。

将轨道电路系统两个调谐区间之间距离为1公里的区段记为一级区段，按照长度m等分一级区段得到k个二级区段，将k个二级区段中的任意一个记为二级区段bh，h＝1，2.....k；将k个二级区段的集合记成集合b，集合b＝{b1，b2...bh....bk}。在本实施例中，m＝50m，k＝50。

步骤4，确定二级区段bh的最小雷电流幅值imin。

根据步骤2建立的轨道电路系统雷击瞬态计算模型，在仿真软件atpdraw中，对二级区段bh，依次从小到大输入集合i＝{i1，i2.......ij......in}中的n个区间评估点的雷电流幅值，然后调用电磁暂态计算程序计算该二级区段bh的轨道电路系统雷电过电压幅值ut，当计算获得的轨道电路系统雷电过电压幅值ut等于轨道电路系统设备绝缘雷击的耐受水平时，记录此时的雷电流幅值，并将该雷电流幅值作为导致该二级区段bh轨道电路系统损坏的最小雷电流幅值imin；

在本实施例中，轨道电路系统设备绝缘雷击的耐受水平为10kv。

步骤5，在二级区段bh内，计算雷电流幅值ij对应区间的接触网的导线击距rc和大地击距rg，计算接触网地线的雷电吸引宽度lg。

导线击距rc的计算式如下：

rc＝10ij^0.65

设接触网承力索的平均高度为yt，大地击距rg的计算式如下：

当yt＜40m，rg＝[3.6+1.7ln(43-yt)]ij^0.65

当yt≥40m，rg＝5.5ij^0.65

接触网地线的雷电吸引宽度lg的计算式如下：

lg＝x1/2

式中，x1为地线的暴露弧暴露弧在大地上的投影宽度之和。

在本实施例中，所述地线的暴露弧暴露弧的获取方式为：分别以地线和接触网承力索为圆心，以导线击距rc为半径做圆弧，以大地击距rg为高度做水平线，使地线的圆弧和水平线相交、接触网承力索的圆弧与地线的圆弧相交形成地线的暴露弧暴露弧图3为本发明实施例中接触网导线和周围大地的雷电吸引范围图，从该图可以看到暴露弧暴露弧的具体位置。

步骤6，在二级区段bh内，计算雷电流幅值ij对应区间的轨道电路系统发生雷击绝缘损坏次数δlsfrh，计算式如下：

δlsfrh＝0.2nglgm(p(ij)-p(ij+1))

式中：

即雷电流幅值超过ij的雷电流出现的概率；

p(ij+1)为雷电流幅值超过ij+1的雷电流出现的概率；

ng为地闪密度，ng＝2.78次/每年每平方公里。

步骤7，计算二级区段bh的轨道电路系统发生雷击绝缘损坏次数lsfrh。

从雷电流幅值范围a中分解出雷电流幅值为imin～300ka的雷电流幅值范围c，设雷电流幅值范围c内共包含n1个区间，n1≤n。

对雷电流幅值范围c，按照步骤4至步骤5的方法逐个区间计算轨道电路系统发生雷击绝缘损坏次数δlsfrh，得到n1个轨道电路系统发生雷击绝缘损坏次数δlsfrh；对n1个轨道电路系统发生雷击绝缘损坏次数δlsfrh进行累加得到二级区段bh的轨道电路系统发生雷击绝缘损坏次数lsfrh。

步骤8，计算每公里轨道电路系统发生雷击绝缘损坏次数lsfr1km。

对步骤3定义的距离为1公里的一级区段，按照步骤4至步骤7的方法逐个二级区段计算轨道电路系统发生雷击绝缘损坏次数lsfrh，得到k个轨道电路系统发生雷击绝缘损坏次数lsfrh；对k个轨道电路系统发生雷击绝缘损坏次数lsfrh进行累加得到每公里轨道电路系统发生雷击绝缘损坏次数lsfr1km。

每公里轨道电路系统发生雷击绝缘损坏次数lsfr1km的计算式如下：

在本实施例中，每公里轨道电路系统发生雷击绝缘损坏次数lsfr1km＝0.0419次/每公里每年。

步骤9，计算轨道电路系统雷击损坏率lsfr100km。

将每公里轨道电路系统发生雷击绝缘损坏次数lsfr1km乘以100得到轨道电路系统雷击损坏率lsfr100km，并将轨道电路系统雷击损坏率lsfr100km作为轨道电路系统雷击风险的评判依据。

lsfr100km＝100×lsfr1km

在本实施例中，轨道电路系统雷击损坏率lsfr100km＝4.19次/每百公里每年。

由以上可见，本发明基于多导体传输线理论建立钢轨、信号电缆多导体传输线模型，基于频域传递特性建立调谐匹配单元、模拟网络盘、隔离变压器等轨道电路设备集中参数等效电路模型，在仿真软件atpdraw环境下实现轨道系统雷击瞬态计算模型的建立，然后计算轨道电路系统的雷击过电压，获得导致轨道电路系统损坏的最小雷电流幅值，计算分析高速铁路轨道电路系统的雷击损坏率，提出一种高速铁路轨道电路系统雷击风险的评估方法，从而结合我国高速铁路的特点制定满足高铁“故障导向安全”要求的高可靠性的轨道电路系统雷电防护方案。