牽引變電所雷擊災害風險評估*

程宏波 倫 利

(華東交通大學電氣工程學院，330013，南昌∥第一作者，講師)

牽引變電所是軌道交通牽引供電系統的重要環節。它完成變壓、變相和向牽引網供電等功能，并實現三相交流一次供電系統與單相電力牽引系統的接口與系統變換［1］。作為電氣化軌道交通能量來源的重要中轉站，牽引變電所的安全可靠運行對保證線路正常運行至關重要。

雷擊是一種強烈的放電現象，會造成牽引變電所供電設備損壞。特別是在當前牽引供電系統自動化程度逐步提高，以及越來越多的電子和計算機設備被應用在牽引變電所的保護、測量、監視和控制的情況下，牽引變電所的運行更易受到雷擊的影響。作為提供公共服務的基礎設施，牽引變電所遭受雷擊將引起接觸網停電、列車停運，會對整個行車帶來影響，從而造成巨大的經濟損失和不良的社會影響。

雷擊災害風險評估是指為了衡量雷擊風險而進行的評價和估算［2］。牽引變電所雷擊風險是指由于雷擊造成的牽引供電設備損壞、牽引供電能力喪失、運輸停止而導致的經濟損失風險。對牽引變電所進行雷擊災害風險評估將有利于掌握牽引變電所遭受雷擊損害的風險程度，確定雷擊危險區域，為制定合理、有效的雷電防護措施提供依據，從而降低或消除雷電對電氣化鐵路生產活動的影響以及由此而帶來的社會經濟損失。由于雷電對人們生活的危害巨大，對雷擊災害風險評估的研究越來越受到人們的重視。但目前的研究還處于起步階段，多集中于氣象因素的分析［3］、雷擊跳閘率的研究［4］、電網的雷害分布［5］等。文獻［6］則對電網的雷害風險評估技術進行了研究，但只考慮了桿塔和輸電線路，對為輸電線提供電能的變電所則未加考慮。

本文借鑒 IEC 62305.2—2006［7］中的雷擊風險評估方法和原理，結合變電所防雷的相關技術措施，建立了牽引變電所雷擊災害風險評估的方法和模型，用以實現對牽引變電所雷擊風險的定量評估，最后將該方法應用于某具體牽引變電所的雷擊災害風險分析中，驗證了該方法的可行性。

1 牽引變電所雷擊災害風險評估方法

借鑒IEC 62305.2—2006中的雷擊風險評估的思想，雷擊災害的風險值RX為

式中:

N——雷擊的年平均次數:

PX——遭受雷擊影響的概率系數;

LX——因雷擊而引起的損失。

牽引變電所的變電功能通過一次設備和二次設備來共同完成，因而牽引變電所的雷擊災害風險值RS=R1+R2。其中R1、R2分別為牽引變電所中一次設備和二次設備的雷擊災害風險值。對于牽引變電所中的一次設備和二次設備，除由于直擊雷引起的損壞，還可能由于雷擊變電所鄰近區域通過阻性耦合或磁耦合而對變電所的設備產生危害。因而，R1=R11+R12。其中R11、R12分別為直擊雷和感應雷引起的一次設備損壞風險值。同理R2=R21+R22。其中R21、R22分別為直擊雷和感應雷引起的二次設備損壞風險值。

變電所遭受直擊雷而造成設備損壞的風險包括雷擊變電所建筑物和雷擊變電所線路而引起的一次設備和二次設備損壞的風險。變電所遭受直擊雷的次數與變電所的直擊危險區面積及該地區的平均雷擊密度等有關。如圖1所示，變電所建筑物的雷擊危險區面積Ad為

式中:

L——矩形建筑物長;

W——矩形建筑物寬;

H——矩形建筑物高。

圖1 牽引變電所危險區域示意圖

入所線路的雷擊危險區面積Al與線路的長度和架設方式有關:

式中:

Hc——地面上導線的高度，m;

ρ——埋有電纜的地面的電阻率，Ωm;

Lc——從建筑物到線路第一分支點或截至第一個SPD(浪涌保護設備)安裝處的長度，m。

和感應雷損害相關的因素包括雷擊變電所鄰近區域的危險區面積Am和雷擊線路鄰近區域的危險區面積Ai。Am一般取從建筑物周邊延伸至距離為250 m的區域。該區域內雷擊產生了感應磁場，會產生≥1.5 kV的過電壓(內部系統可承受的脈沖過電壓為1.5 kV)。Ai值與線路長度Li和橫向距離Di有關(見圖1)，一般可按下式進行計算:

考慮變電所會采取一些雷電防護措施，從而降低實際發生雷擊危險的概率，因而引入概率系數PD(指直擊雷)和PI(指感應雷)，以使計算的結果更符合實際。概率系數主要與雷電防護措施的等級、線路的屏蔽特征等有關。

牽引變電所遭受雷擊災害的損失主要包括設備損壞以及由此導致的服務損失。相對于設備損壞，由于線路停電引起的鐵路運輸服務停止而導致的損失要更大。由于本次雷擊該段線路使列車停運而導致的服務損失的年平均相對量LS為:

式中:

n——受本次雷擊影響的列車對數;

nt——年運行的列車總對數;

t——列車每年在危險區域停留的時間，h。

確定各雷擊危險區面積后，根據氣象部門的雷電自動監測定位系統獲得的雷對地閃擊的密度Ng，就可得出牽引變電所的雷擊災害風險值RS為

2 牽引變電所雷擊災害風險評估舉例

現以鐵路鷹廈線某牽引變電所為例(見圖2)進行雷擊風險評估。該牽引變電所處于雷電多發區，由于地形限制，變電所建于沿線山上:在6—8月的雷雨季節，跳閘次數增多，影響線路行車，造成了不良影響。該變電所進線電壓為110 kV，進線間隔采用中型布置;變壓器采用Y/D11接線，牽引饋線采用架空線與接觸網相連。電線路的特征見表1所示。高壓室和控制室的建筑物尺寸為L=9 m，W=20 m，H=6 m。

該變電所的平面布置及各部分雷擊危險區域示意如圖2所示。

圖2 鐵路鷹廈線某牽引變電所各部分雷擊危險區域面積示意圖

表1 鐵路鷹廈線某牽引變電所電力線路特征

該地區的雷對地閃擊密度Ng=4次/(km2·年)。依據上述介紹的方法，結合圖2，可計算得到各部分雷擊危險區域的面積如表2所示。

表2 鐵路鷹廈線某牽引變電所雷擊危險區面積 m2

變電所內采用了有效的雷電防護措施，安裝有避雷針進行保護，控制室內的設備都經過EMC(電磁兼容)測試;饋線端裝有避雷器，與饋線相連的設備可承受的脈沖過電壓較高。依據IEC 62305.2—2006 的建議，取概率值 PD=0.05，PI=0.000 6。每天通過該區間的列車數為20對，列車發車間隔為30 min;每列車在該供電臂范圍內停留的時間為30 min，則列車每天在危險區的停留時間共計10 h，每年在危險區的停留時間為3 650 h。設雷擊引起的停電時間為1 h，則由式(5)可計算得由于雷擊導致的牽引供電系統服務損失的年平均相對量LS=0.041 7。計算出的該牽引變電所的風險值如表3所示。

根據表3可以看出，該變電所總的雷擊災害風險RS=0.101 0 ×10－3略大于可承受的風險值 RT=0.1×10－3。其中，高壓室和控制室雷擊災害風險最大，且其風險主要是由于感應雷擊災害風險引起的，這和控制室中有大量的電子控制設備易受感應雷擊相關;27.5 kV饋線和110 kV進線由于采用架空線形式，遭受直擊雷擊損害的風險要大。由于27.5 kV饋線長度較長，使其雷擊災害風險也較大，27.5 kV饋線的雷擊總風險略小于高壓室和控制室的風險。

表3 鐵路鷹廈線某牽引變電所雷擊風險值 ×10－3

為降低雷擊風險，可采用下列防護措施:

1)根據 IEC 62305.3—2006［8］，使用 Ⅳ型 LPS(雷電防護系統)保護大樓，可使雷擊高壓室、控制室的概率進一步減小。

2)提高與牽引饋線相連設備可承受脈沖過電壓的水平，增強二次設備電磁兼容能力。

3 結論

雷擊是影響電氣化軌道交通運行的極端氣象災害事件，加強對牽引變電所的雷擊災害風險評估有利于為牽引供電系統的防雷提供指導。本文提出的牽引變電所雷擊災害風險評估方法可實現對牽引變電所各部分的雷擊災害風險進行定量評估，從而為電氣化軌道交通防御雷電災害的影響提供參考依據。

［1］ 賀威俊.軌道交通牽引供變電技術［M］.成都:西南交通大學出版社，2011.

［2］ 郭福雁.高層建筑雷擊風險評估分析計算系統的開發［J］.現代建筑電氣，2010，1(3):45.

［3］ 吳明江，杜莉萍，陳勇斌.大氣電場的特征及雷電預警技術研究［J］.氣象水文海洋儀器，2010(1):10.

［4］ 郭小霞，樊春雷.高速鐵路雷擊跳閘率的研究［J］.電氣化鐵道2011(6):29.

［5］ 陳家宏，王劍，童雪芳，等.電網雷害分布圖研究［J］.高電壓技術，2008，34(10):2016.

［6］ 趙淳，陳家宏，王劍，等.電網雷害風險評估技術研究［J］.高電壓技術，2011，37(12):3012.

［7］ IEC 62305.2—2006雷電防護.第2部分:風險管理［S］.

［8］ IEC 62305.3—2006雷電防護.第3部分:建筑物的實體損害和生命危險［S］.