王鋒亮,張 楠,楊碧軒,曾 誠

(1.陜西省氣象局,西安 710014；2.陜西省防雷中心,西安 710014)

西安地鐵一號線雷電災(zāi)害風(fēng)險評估

王鋒亮1,張 楠2,楊碧軒2,曾 誠2

(1.陜西省氣象局,西安 710014；2.陜西省防雷中心,西安 710014)

地鐵屬于人員密集場所,若發(fā)生雷擊造成系統(tǒng)失效、故障、停運(yùn)等,會產(chǎn)生惡劣的社會影響。利用西安閃電定位儀觀測資料分析西安地鐵一號線沿線雷電分布特征,結(jié)合西安地鐵一號線項(xiàng)目各類設(shè)施和系統(tǒng)特性,對采用單體雷電災(zāi)害風(fēng)險計算以及電源系統(tǒng)雷擊過電流估算等評估方法,對西安地鐵一號線進(jìn)行雷電災(zāi)害風(fēng)險評估。車站及地上附屬構(gòu)筑物、變電所、車輛段與停車場建筑物應(yīng)按照第二類防雷建筑物進(jìn)行直擊雷防護(hù)設(shè)計,且各自的損失風(fēng)險均小于風(fēng)險允許值,符合規(guī)范要求。

雷電災(zāi)害；風(fēng)險評估；地鐵；防雷

近年來,北京、上海等地發(fā)生了因雷電導(dǎo)致地鐵設(shè)施損壞致使地鐵停運(yùn)的事故,雷電已成為城市軌道交通安全運(yùn)行的較大威脅。雷電對于地鐵的損害常常并不是由于雷電直接擊傷列車引起,而是由雷電產(chǎn)生的瞬態(tài)脈沖過電壓損壞地鐵的電子設(shè)備和供電系統(tǒng),導(dǎo)致地鐵停運(yùn)。目前由于GB/T21714.2—2008/IEC62305-2：2006《雷電防護(hù) 第2部分：風(fēng)險管理》[1]適用范圍不包含地鐵項(xiàng)目,沒有一個現(xiàn)成的規(guī)范適合對地鐵項(xiàng)目進(jìn)行雷電災(zāi)害風(fēng)險評估,因此根據(jù)地鐵項(xiàng)目各類設(shè)施和系統(tǒng)特性,結(jié)合已發(fā)生的地鐵雷電災(zāi)害事故,在分析地鐵全線雷擊電磁環(huán)境的基礎(chǔ)上,對車站、變電所、車輛段與停車場建筑物,采用單體雷電災(zāi)害風(fēng)險計算以及電源系統(tǒng)雷擊過電流估算的評估方法,對西安地鐵一號線進(jìn)行雷電災(zāi)害風(fēng)險評估。

1 地鐵概況

西安地鐵一號線一期工程西起后衛(wèi)寨,東至紡織城,基本沿城市東西向主干道分布,正線全長25.36km,均為地下線。共設(shè)19座車站,包括5座換乘車站、3座地下三層島式站臺車站、1座地下四層島式車站,其余10座車站均為地下二層島式站臺車站。車輛段及綜合維修基地設(shè)在后衛(wèi)寨,出入段線長951.105m；停車場設(shè)在紡織城,出入場線長576.514m；在后衛(wèi)寨車輛段設(shè)一條與國家鐵路連接的聯(lián)絡(luò)線,接軌于隴海鐵路三橋站,線路長約1240.977m。全線共設(shè)環(huán)城西苑和金花路2座變電所,分別設(shè)置在玉祥門站和通化門站附近。

2 地鐵沿線雷電分布特征

利用2005—2011年西安閃電定位儀數(shù)據(jù)資料,分析西安地鐵一號線沿線雷電分布特征。從西安地鐵一號線沿線附近區(qū)域閃電密度圖 (圖1)可以看出,整體上西安地鐵一號線沿線附近區(qū)域閃電密度分布不均,地鐵一號線各站的閃電密度大部分都在0.2～0.8次/(km2·a),其中,三橋、皂河、灑金橋站三處雷擊次數(shù)最多,達(dá)到0.7次/(km2·a)以上,這3站的雷擊風(fēng)險較大；車輛段及停車場附近閃電密度大多為0.2～0.5次/(km2·a),環(huán)城西苑變電所在0.2次/(km2·a)左右,金花路變電所在0.6次/(km2·a)左右。

圖1 2005—2011年西安地鐵一號線沿線閃電密度圖

圖2 2005—2011年西安地鐵一號線沿線閃電強(qiáng)度圖

從西安地鐵一號線沿線附近區(qū)域閃電強(qiáng)度圖(圖2)可以看出。整體上地鐵一號線沿線附近大部分地區(qū)雷擊強(qiáng)度在30kA左右,少部分地區(qū)雷擊強(qiáng)度處于40～80kA。各站的雷擊強(qiáng)度為20～50kA,其中后衛(wèi)寨、開遠(yuǎn)門、勞動路站的閃電強(qiáng)度較大,達(dá)到50kA左右。車輛段及停車場雷擊強(qiáng)度為30～50kA,環(huán)城西苑變電所雷擊強(qiáng)度在30 kA左右,金花路變電所雷擊強(qiáng)度在20kA左右。

總體來說,西安地鐵一號線沿線西北部及城區(qū)站點(diǎn)的雷擊較為頻繁,東北部的雷擊相對較少。從雷擊風(fēng)險來看,三橋、皂河、灑金橋站的雷電災(zāi)害風(fēng)險最大。

3 雷電災(zāi)害風(fēng)險評估

3.1 三橋站雷電災(zāi)害風(fēng)險計算

盡管西安地鐵一號線一期工程全部為地下線路,地鐵建筑主體多位于地下,但車站出入口罩棚、車輛段、風(fēng)亭、冷卻塔等設(shè)施都位于地面,這些部位容易成為雷電波入侵的突破口,因此采用單體雷電災(zāi)害風(fēng)險計算方法來評估西安地鐵一號線的雷電災(zāi)害風(fēng)險。由西安地鐵一號線雷電分布特征可見,三橋站的雷電災(zāi)害風(fēng)險大,因此計算三橋站雷電災(zāi)害風(fēng)險。

3.1.1 閃電定位資料分析 根據(jù)1961—2011年西安地面氣象觀測站觀測資料統(tǒng)計雷暴日資料,得出三橋站的地閃密度Ng1=1.551次/(km2· a)[2]；根據(jù)2005—2011年西安閃電電位儀數(shù)據(jù)資料可得到三橋站周圍4km2區(qū)域的平均地閃密度Ng2=0.7次/(km2·a)。

利用加權(quán)平均法來計算地閃密度

式中,Ng1為依據(jù)統(tǒng)計的雷暴日計算得到的地閃密度,Ng2為依據(jù)閃電定位資料得出的地閃密度, Y1為雷暴日統(tǒng)計年數(shù),Y2為閃電資料統(tǒng)計年數(shù),計算得三橋站附近的Ng=1.423次/(km2·a)。

3.1.2 土壤電阻率分析 利用公式

計算三橋站所在區(qū)域地表～地下5m土壤層的平均土壤電阻率,式中,ψ代表季節(jié)修正系數(shù),ρ0為現(xiàn)場測量的土壤電阻率數(shù)據(jù),計算得出ρ= 73.275Ω·m。

3.1.3 風(fēng)險計算分析 地鐵損害來源有雷擊項(xiàng)目單體、雷擊項(xiàng)目單體附近區(qū)域、雷擊地鐵的電氣、電子系統(tǒng)以及其附近區(qū)域四部分。損害的類型主要是對人員的傷害、對設(shè)備系統(tǒng)的損害及造成電氣和電子系統(tǒng)失效。損失的類型主要是人員生命損失、公眾服務(wù)損失及經(jīng)濟(jì)損失。因此三橋站涉及到的雷擊風(fēng)險包括人員生命損失風(fēng)險R1、公眾服務(wù)損失風(fēng)險R2及經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險R4,依據(jù)風(fēng)險量計算公式對這三類風(fēng)險進(jìn)行評估[1]。

每種風(fēng)險都是其對應(yīng)風(fēng)險分量的總和,各種風(fēng)險分量：RA為建筑物戶外距離建筑物3m以內(nèi)的區(qū)域中與接觸和跨步電壓造成生物傷害有關(guān)的風(fēng)險分量；RB為與建筑物內(nèi)因危險火花放電觸發(fā)火災(zāi)有關(guān)的風(fēng)險分量；RC為與LEMP造成內(nèi)部系統(tǒng)失效有關(guān)的風(fēng)險分量；RM為與LEMP引起內(nèi)部系統(tǒng)失效有關(guān)的風(fēng)險分量；RU為與建筑物內(nèi)雷電流注入入戶線路產(chǎn)生的接觸電壓造成人身傷害有關(guān)的風(fēng)險分量；RV為與雷電流經(jīng)過入戶服務(wù)設(shè)施產(chǎn)生的物理損害(入戶設(shè)施和金屬部件之間的危險火花放電觸發(fā)火災(zāi)或爆炸,通常位于線路入戶處)有關(guān)的風(fēng)險分量；RW為與入戶線路上感應(yīng)出的并傳導(dǎo)進(jìn)入建筑物內(nèi)的過電壓引起內(nèi)部系統(tǒng)失效有關(guān)的風(fēng)險分量；RZ為與入戶線路上感應(yīng)出的以及傳導(dǎo)進(jìn)入建筑物內(nèi)的過電壓引起內(nèi)部系統(tǒng)失效有關(guān)的風(fēng)險分量。因此人員死亡損失存在的風(fēng)險量

由于RA和RU是與人身傷害有關(guān)的損失,因此公眾服務(wù)損失風(fēng)險不存在RA和RU。

同樣,經(jīng)濟(jì)損失的風(fēng)險量

根據(jù)三橋站初步設(shè)計及現(xiàn)場勘測數(shù)據(jù),分別計算出各風(fēng)險分量,最終得出三橋站的人員生命損失風(fēng)險R1=1.15×10-6,公眾服務(wù)損失的風(fēng)險R2=1.12×10-6,經(jīng)濟(jì)價值損失風(fēng)險R4=1.56 ×10-6,都小于各自對應(yīng)的風(fēng)險允許值,符合規(guī)范要求。

3.2 電源系統(tǒng)雷擊過電流估算

浪涌保護(hù)器是電源系統(tǒng)雷電防護(hù)中不可缺少的一種防護(hù)裝置,他能對間接雷電和直接雷電影響或其他瞬時過壓的電涌進(jìn)行保護(hù),針對西安地鐵一號線項(xiàng)目的電源系統(tǒng)進(jìn)行雷擊過電流估算,為項(xiàng)目選擇浪涌保護(hù)參數(shù)提供參考依據(jù)。

根據(jù)GB50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：電源總配電箱處所裝設(shè)的電涌保護(hù)器,其每一保護(hù)模式的沖擊電流值,當(dāng)電源線路無屏蔽層時宜按式(3)計算[2]

式中,i0為雷電流,n為地下和架空引入的外來金屬管道和線路的總數(shù),m為每一線路內(nèi)導(dǎo)體芯線的總根數(shù)。總雷電流進(jìn)入各種設(shè)施(外來電力線、通訊線、金屬管道等)間分配。而地鐵通訊線路采用埋地引入和一定的屏蔽措施,采用穿管引入,基本不分流雷電流,因此n為2,m為4。

由于地鐵屬于重點(diǎn)項(xiàng)目,也是人員密集場所,若發(fā)生雷擊造成系統(tǒng)失效地鐵故障停運(yùn)等,會產(chǎn)生惡劣的社會影響,根據(jù)GB50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,西安地鐵一號線各站、變電所、車輛段與停車場應(yīng)按第二類防雷建筑設(shè)防。根據(jù)統(tǒng)計得出,近年來西安地鐵一號線各站、變電所、車輛段與停車場附近區(qū)域內(nèi)的雷電流強(qiáng)度均小于150kA,考慮到建筑物能承受的最嚴(yán)重的情況,電源系統(tǒng)雷擊過電流估算時,i0選取第二類防雷建筑物的首次雷擊的雷電流幅值150kA為計算值。分別計算各級SPD的通流量(見表1)。

表1 西安地鐵一號線各級SPD的通流量

經(jīng)分析計算,在全線各站內(nèi)的降壓變電所低壓側(cè)進(jìn)線柜處以及車輛段及停車場的35/0.4kV低壓柜、柴油發(fā)電機(jī)配電箱及各獨(dú)立建筑物總配電柜處,安裝第一級SPD,沖擊放電電流應(yīng)不小于12.5kA(10/350μs)或標(biāo)稱放電電流50 kA(8/20μs),建議第一級SPD采用開關(guān)型；全線各站內(nèi)二、三級負(fù)荷的分配電箱處、UPS機(jī)房的配電箱處,以及在車輛段及停車場二、三級負(fù)荷的分配電箱處、UPS機(jī)房的配電箱處,安裝第二級SPD,標(biāo)稱放電電流應(yīng)不小于30kA (8/20μs)；各站及車輛段及停車場第三級SPD應(yīng)安裝在重要一級負(fù)荷的分配電箱處,標(biāo)稱放電電流應(yīng)不小于20kA(8/20μs)。

4 結(jié)論

由于西安地鐵一號線屬于重點(diǎn)項(xiàng)目,也是人員密集場所,若發(fā)生雷擊造成系統(tǒng)失效地鐵故障停運(yùn)等,會產(chǎn)生惡劣的社會影響,因此車站及地上附屬構(gòu)筑物、變電所、車輛段與停車場建筑物應(yīng)按照第二類防雷建筑物進(jìn)行直擊雷防護(hù)設(shè)計。通過雷電災(zāi)害風(fēng)險計算,車站、變電所、車輛段與停車場建筑物損失風(fēng)險均小于風(fēng)險允許值,符合規(guī)范要求。

[1] GB/T21714.2—2008/IEC62305-2：2006雷電防護(hù)第2部分：風(fēng)險管理[S].

[2] GB50057—2010建筑物防雷設(shè)計規(guī)范[S].

P429

B

王鋒亮,張楠,楊碧軒,等.西安地鐵一號線雷電災(zāi)害風(fēng)險評估[J].陜西氣象,2015(2)：40-43.

1006-4354(2015)02-0040-04

2014-10-14

王鋒亮(1959—),男,陜西商洛人,工程師,主要從事氣象法制管理工作。