高速铁路高架桥接触网系统引雷特性研究

Lightning is one of the main factors that influence the safe operation of high-speed railway, the research on lightning-attracting characteristics of high-speed railway is significant to railway lightning protection measures. Due to the wide use of the elevated structure in high-speed railway, the height of traction network increases, the range of attracting lightning expands and lightning probability is much greater than that of the normal speed railway. And the requirement for safety of high-speed railway is much greater than that of the normal speed railway. Therefore, it is necessary to do research on lightning-attracting characteristics specifically for the elevated bridge and catenary system on high-speed railway.. In this project optimal charge simulation method is used to research the charge distribution of elevated bridge with the development of lightning leader; the dynamic changes of induced charge around the elevated bridge and catenary will be researched with the development of downward leader, and then the field strength dynamic change of each point in lightning channel will be studied. On the basis of dynamic field strength calculation, the probability of leader from one point to adjacent point will be calculated, and the leader channel fractal development process will be simulated; and the change of lightning path will be studied with variation of the amplitude of lightning current, the lightning leader position, elevated bridge parameter and so on, then with the changing of corresponding factors,the change rules of lightning-attracting range and lightning flash density of elevated bridge and catenary system will be obtained.

雷击是影响高速铁路安全运营的主要因素之一，高速铁路引雷特性的研究对铁路防雷措施的提出具有重要指导意义。高速铁路由于大面积采用高架桥结构，使得牵引网对地高度增加，引雷范围增大，比普速铁路遭受雷击概率大得多。高速铁路对安全性的要求又高于普速铁路，因此，专门针对高速铁路高架桥接触网系统进行引雷特性研究十分必要。. 本项目拟通过优化模拟电荷法研究雷电先导作用下的高架桥电荷分布；研究随着下行先导发展，高架桥及接触网周围感应电荷的动态变化，进而研究雷电通道任一点的场强动态变化。结合所计算的动态场强，计算该空间任一点处先导往临近点的发展概率，模拟先导通道的分形发展过程；研究雷电流幅值、雷电先导位置、高架桥参数等变化时雷击路径的变化，给出高架桥接触网系统引雷范围和落雷密度随相关因素的变化规律。

我国高速铁路建设中多采用高架桥，导致接触网导线对地高度增加，引雷范围增大，因此针对我国高速铁路接触网引雷特性研究十分必要。. 本项目基于分形理论，建立了符合我国高铁接触网系统实况的雷击分形模型，实现了接触网系统雷击路径的分形模拟。研究了高速铁路雷电上行先导的起始条件随雷电流幅值、高架桥高度等相关因素的变化规律，发现只有当高架桥高度为30米，雷电流幅值为190 kA的极限条件情况下，AF线最大表面场强才能达到上行先导起始的临界条件，因此可认为接触网系统在雷电先导跃变前不会产生上行先导。. 研究了高速铁路接触网各导线的雷击率及高架桥接触网系统的引雷范围。发现AF线均能有效屏蔽T线和PW线，左右AF线的雷击率以高架桥剖面的中心线为中心呈对称分布，当下行先导水平位置偏离高架桥剖面中心线70m时，该侧的AF线雷击率达到最大值。AF线和T线工作电压几乎不影响引雷范围。给出了不同雷电流幅值下高架桥的引雷范围，如 45kA时，随着高架桥高度从5米增加到30米时，引雷范围从304增加到436米。. 对比研究了平地落雷分布规律及高架桥对落雷分布影响，发现当先导位置不变时，平地的地面落雷分布以先导水平为中心呈正态分布，当高速铁路高架桥修建后，受高架桥引雷的影响，近地面落雷分布分为完全屏蔽区、部分屏蔽区、危险区以及正常区；给出了高架桥高度及雷电流幅值对地面落雷分布影响规律；提出了高架桥接触网系统附近地面落雷分布估计方法。. 建立了雷击高架桥接触网系统的三维电场仿真模型，研究了高架桥内部钢筋对接触网系统雷击特性的影响，发现高架桥的钢筋网状结构会削弱各导线周围的电场，降低接触网系统的雷击率。提出了高架桥接触网系统电容串联分压等效模型，阐明了高架桥结构钢筋造成导线感应电压下降，雷击率减少的机理。. 本项目的研究对我国高速铁路雷电防护奠定了良好的理论基础，也对普速铁路、城市轨道交通接触网系统雷电防护具有重要的参考价值。