【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于铁路牵引供电系统过电压，具体涉及高速铁路高架桥接触网系统雷击电场分布及击距仿真方法。
技术介绍
1、高速铁路接触网系统具有线路长、露天高空布置、高电压等特点，在雷雨天气情况下易遭受雷电侵害。雷电下行先导发展过程，与接触网对地电压相互作用，影响空间中的电场分布情况。雷电产生强大的电场会造成列车接触网系统损坏，从而引起机车供电中断，对运输秩序造成巨大破坏，因此建立基于电介质击穿模型模拟闪电下行发展过程中接触网周围电场分布及击中距离，在铁路信号系统雷电防护技术研究方面具有一定的理论价值。
2、高铁接触网系统电场分布的研究主要方向是采用数值分析法建立接触网系统模型，模拟不同工况下接触网系统周围电场分布情况，包括采用电荷模拟方法对架空线路的电场进行分析，验证地面不平影响电场分布；采用时域有限差分法分析输电线路穿过山谷场景下雷击山峰时空间电压分布，验证输电线路所在地势越高会引起线路周围电压畸变情况越明显；采用有限元法建立高速铁路相关模型，计算得到接触网工频电场强度，对站台电磁环境进行评估，得到工频电场屏蔽系数指标；采用网格划分的有限元法，建立at方式接触网仿真模型，对比不同架线方案下电场环境，改善原有架线方案，提高了电磁环境安全性。虽然上述对接触网系统电场的研究都实现了场的可视化，但是都未考虑雷击接触网系统引起空间电场畸变的情况和雷电最后的击穿距离。
3、综上所述，现有静电场数值计算方法主要有模拟电荷法及有限元法。其中模拟电荷法更适用于模拟较小模型，以此获得电荷和电场信息，若系统由大量曲率半径过小的边界
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提供了高速铁路高架桥接触网系统雷击电场分布及击距仿真方法，基于数值计算的方式实现了保证计算精度条件下的雷电通道连接过程、雷击铁路接触网系统周围电场分布及击距的仿真。
2、本专利技术提供的高速铁路高架桥接触网系统雷击电场分布及击距仿真方法，包括以下步骤：
3、步骤1、将采取双接触网系统供电结构的高速铁路高架桥接触网系统所在空间作为研究空间并设定研究空间尺寸，获取高速铁路高架桥接触网系统的器件尺寸；
4、步骤2、根据所述器件尺寸，采用有限差分法建立高速铁路高架桥接触网系统模型；根据研究空间尺寸设定高架桥在研究空间中的起始坐标范围及雷电下行先导发展初始位置，设定下行先导平均发展场强及下行先导临界击穿场强；
5、步骤3、根据高速铁路高架桥接触网系统模型，将研究空间及雷电通道连接过程均离散化，根据下行先导平均发展场强选择雷电下行先导发展路径添加发展点，再计算雷电发展路径上各离散网格点的电势值；
6、步骤4、将步骤3计算得到的电势值作为雷电已发展点及待发展点的电势值，计算得到离散网格点的电场强度e，当电场强度e不小于临界放电场强常数值eth时将该离散网格点视为下一步的雷电下行先导发展点，即待发展点；
7、步骤5、根据待发展点的电场强度，对雷电下行先导进行随机发展点概率取值得到下行先导已发展和待发展点约束条件；
8、步骤6、根据下行先导已发展和待发展点约束条件迭代确定雷电下行先导发展点，当发展点的电场强度大于下行先导临界击穿场强时判定闪电发生最后一跳，确定下行先导点最终击穿点坐标，计算与最终击穿点对应的雷电击距，得到高速铁路高架桥接触网系统周围电场分布及与之对应的雷电击距的情况。
9、进一步地，所述器件尺寸包括接触网f线距轨面高度、接触网t线承力索距轨面高度、接触网t线接触线距轨面高度、双轨接触网间水平距离、单侧接触网距混凝土支柱距离、高架桥距地高度、t线对地标称电压值和f线对地标称电压值。
10、进一步地，所述步骤3中所述将研究空间及雷电通道连接过程均离散化，根据下行先导平均发展场强选择雷电下行先导发展路径添加发展点，再计算雷电发展路径上各离散网格点的电势值的方式为：
11、步骤3.1、将研究空间离散化为n*n网格的离散空间，将雷电通道连接过程离散化为基于固定步长值的发展过程，研究空间表示为电势满足以下拉普拉斯方程的准静态场：
12、
13、其中，φ为离散空间中任意一点的电势值，为拉普拉斯算子；
14、步骤3.2、在研究空间中模拟雷电下行先导发展路径并添加发展点，且研究空间左右边界满足neumann边界条件、上边界满足dirichlet边界条件，再求解拉普拉斯方程计算静电荷空间中离散网格点的电势值。
15、进一步地，所述计算雷电发展路径上各离散网格点的电势值的方式为采用超松弛迭代方法计算，具体包括：
16、步骤3.3、将拉普拉斯方程化简为以下基础迭代方程：
17、
18、其中，φ(i,j)为离散空间中离散网格点的电势值，i为该离散网格点的横坐标值，j为该离散网格点的纵坐标值，且i及j均不大于n；
19、步骤3.4、在给定的边界条件下，对基础迭代方程采用逐次超松弛迭代方法得到收敛结果，其迭代方程为：
20、
21、其中，为第n次迭代后离散网格点的电势值，为第n+1次迭代后离散网格点的电势值，ω为用于控制整个超松弛迭代方法收敛速度的松弛因子；
22、步骤3.4、对松弛因子采用网格计算方法，得到以下公式：
23、
24、其中，n为研究空间中离散网格尺寸。
25、进一步地，所述将研究空间离散化为n*n网格的离散空间的方式为基于介电击穿模型将研究空间离散化为n*n网格的离散空间。
26、进一步地，所述的计算方式为即指标量场在二维平面上对应研究空间内的离散网格点的横坐标x和纵坐标y方向的二阶偏导数相加的结果。
27、进一步地，所述步骤4中所述电场强度e的计算方式为：
28、
29、其中，φ(i,j)为已发展点的电势值，φ(i',j')为待发展点的电势值，d为已发展点与待发展点之间的距离。
30、进一步地，所述步骤5中的所述随机发展点概率取值的计算方式为：
31、
32、其中，p(i,j→i',j')为雷电下行先导发展点由已发展点(i,j)向待发展点(i',j')的发展概率取值，h为发展概率指数，为正先导临界放电场强，为负先导临界放电场强。
33、有益效果：
34、1、本专利技术采用介电击穿模型，使用分形理论模拟雷电下行先导发展过程和雷电通道连接过程，能够有效结合物理电场和电介质性质能准确地描述电场在雷电通道中的传播和连接过程，还能够生成电场分布等相关数据，通过这些数据实现雷电通道连接过程，此外，分形理论所具有的对不同尺度的适应性与雷电通道的多尺度特性相符，能够形象地模拟不同尺度下雷电的发展过程，为高速铁路高架桥接触网系统附近接闪器等相关设备的放置提供了一定理论本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.高速铁路高架桥接触网系统雷击电场分布及击距仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的高速铁路高架桥接触网系统雷击电场分布及击距仿真方法，其特征在于，所述器件尺寸包括接触网F线距轨面高度、接触网T线承力索距轨面高度、接触网T线接触线距轨面高度、双轨接触网间水平距离、单侧接触网距混凝土支柱距离、高架桥距地高度、T线对地标称电压值和F线对地标称电压值。
3.根据权利要求1所述的高速铁路高架桥接触网系统雷击电场分布及击距仿真方法，其特征在于，所述步骤3中所述将研究空间及雷电通道连接过程均离散化，根据下行先导平均发展场强选择雷电下行先导发展路径添加发展点，再计算雷电发展路径上各离散网格点的电势值的方式为：
4.根据权利要求3所述的高速铁路高架桥接触网系统雷击电场分布及击距仿真方法，其特征在于，所述计算雷电发展路径上各离散网格点的电势值的方式为采用超松弛迭代方法计算，具体包括：
5.根据权利要求3所述的高速铁路高架桥接触网系统雷击电场分布及击距仿真方法，其特征在于，所述将研究空间离散化为n*n网格的离散空间的方式为基于介
6.根据权利要求3所述的高速铁路高架桥接触网系统雷击电场分布及击距仿真方法，其特征在于，所述的计算方式为即指标量场在二维平面上对应研究空间内的离散网格点的横坐标x和纵坐标y方向的二阶偏导数相加的结果。
7.根据权利要求1所述的高速铁路高架桥接触网系统雷击电场分布及击距仿真方法，其特征在于，所述步骤4中所述电场强度E的计算方式为：
8.根据权利要求1所述的高速铁路高架桥接触网系统雷击电场分布及击距仿真方法，其特征在于，所述步骤5中的所述随机发展点概率取值的计算方式为：
...【技术特征摘要】
1.高速铁路高架桥接触网系统雷击电场分布及击距仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的高速铁路高架桥接触网系统雷击电场分布及击距仿真方法，其特征在于，所述器件尺寸包括接触网f线距轨面高度、接触网t线承力索距轨面高度、接触网t线接触线距轨面高度、双轨接触网间水平距离、单侧接触网距混凝土支柱距离、高架桥距地高度、t线对地标称电压值和f线对地标称电压值。
3.根据权利要求1所述的高速铁路高架桥接触网系统雷击电场分布及击距仿真方法，其特征在于，所述步骤3中所述将研究空间及雷电通道连接过程均离散化，根据下行先导平均发展场强选择雷电下行先导发展路径添加发展点，再计算雷电发展路径上各离散网格点的电势值的方式为：
4.根据权利要求3所述的高速铁路高架桥接触网系统雷击电场分布及击距仿真方法，其特征在于，所述计算雷电发展路径上各...
【专利技术属性】
技术研发人员：王州龙，裴海斌，靳邵云，陈庆华，代萌，胡兆冰，杨林，张宾，
申请(专利权)人：中国国家铁路集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
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