牽引變電所雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估*

程宏波 倫 利

(華東交通大學(xué)電氣工程學(xué)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(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。它完成變壓、變相和向牽引網(wǎng)供電等功能，并實(shí)現(xiàn)三相交流一次供電系統(tǒng)與單相電力牽引系統(tǒng)的接口與系統(tǒng)變換［1］。作為電氣化軌道交通能量來(lái)源的重要中轉(zhuǎn)站，牽引變電所的安全可靠運(yùn)行對(duì)保證線路正常運(yùn)行至關(guān)重要。

雷擊是一種強(qiáng)烈的放電現(xiàn)象，會(huì)造成牽引變電所供電設(shè)備損壞。特別是在當(dāng)前牽引供電系統(tǒng)自動(dòng)化程度逐步提高，以及越來(lái)越多的電子和計(jì)算機(jī)設(shè)備被應(yīng)用在牽引變電所的保護(hù)、測(cè)量、監(jiān)視和控制的情況下，牽引變電所的運(yùn)行更易受到雷擊的影響。作為提供公共服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施，牽引變電所遭受雷擊將引起接觸網(wǎng)停電、列車(chē)停運(yùn)，會(huì)對(duì)整個(gè)行車(chē)帶來(lái)影響，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響。

雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是指為了衡量雷擊風(fēng)險(xiǎn)而進(jìn)行的評(píng)價(jià)和估算［2］。牽引變電所雷擊風(fēng)險(xiǎn)是指由于雷擊造成的牽引供電設(shè)備損壞、牽引供電能力喪失、運(yùn)輸停止而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)牽引變電所進(jìn)行雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估將有利于掌握牽引變電所遭受雷擊損害的風(fēng)險(xiǎn)程度，確定雷擊危險(xiǎn)區(qū)域，為制定合理、有效的雷電防護(hù)措施提供依據(jù)，從而降低或消除雷電對(duì)電氣化鐵路生產(chǎn)活動(dòng)的影響以及由此而帶來(lái)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。由于雷電對(duì)人們生活的危害巨大，對(duì)雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究越來(lái)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(wǎng)的雷害分布［5］等。文獻(xiàn)［6］則對(duì)電網(wǎng)的雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)進(jìn)行了研究，但只考慮了桿塔和輸電線路，對(duì)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法和原理，結(jié)合變電所防雷的相關(guān)技術(shù)措施，建立了牽引變電所雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法和模型，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引變電所雷擊風(fēng)險(xiǎn)的定量評(píng)估，最后將該方法應(yīng)用于某具體牽引變電所的雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析中，驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 牽引變電所雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

借鑒IEC 62305.2—2006中的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的思想，雷擊災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)值RX為

式中:

N——雷擊的年平均次數(shù):

PX——遭受雷擊影響的概率系數(shù);

LX——因雷擊而引起的損失。

牽引變電所的變電功能通過(guò)一次設(shè)備和二次設(shè)備來(lái)共同完成，因而牽引變電所的雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值RS=R1+R2。其中R1、R2分別為牽引變電所中一次設(shè)備和二次設(shè)備的雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值。對(duì)于牽引變電所中的一次設(shè)備和二次設(shè)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(qū)域通過(guò)阻性耦合或磁耦合而對(duì)變電所的設(shè)備產(chǎn)生危害。因而，R1=R11+R12。其中R11、R12分別為直擊雷和感應(yīng)雷引起的一次設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)值。同理R2=R21+R22。其中R21、R22分別為直擊雷和感應(yīng)雷引起的二次設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)值。

變電所遭受直擊雷而造成設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)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(shè)備和二次設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)。變電所遭受直擊雷的次數(shù)與變電所的直擊危險(xiǎn)區(qū)面積及該地區(qū)的平均雷擊密度等有關(guān)。如圖1所示，變電所建筑物的雷擊危險(xiǎn)區(qū)面積Ad為

式中:

L——矩形建筑物長(zhǎng);

W——矩形建筑物寬;

H——矩形建筑物高。

圖1 牽引變電所危險(xiǎn)區(qū)域示意圖

入所線路的雷擊危險(xiǎn)區(qū)面積Al與線路的長(zhǎng)度和架設(shè)方式有關(guān):

式中:

Hc——地面上導(dǎo)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(diǎn)或截至第一個(gè)SPD(浪涌保護(hù)設(shè)備)安裝處的長(zhǎng)度，m。

和感應(yīng)雷損害相關(guān)的因素包括雷擊變電所鄰近區(qū)域的危險(xiǎn)區(qū)面積Am和雷擊線路鄰近區(qū)域的危險(xiǎn)區(qū)面積Ai。Am一般取從建筑物周邊延伸至距離為250 m的區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)雷擊產(chǎn)生了感應(yīng)磁場(chǎng)，會(huì)產(chǎn)生≥1.5 kV的過(guò)電壓(內(nèi)部系統(tǒng)可承受的脈沖過(guò)電壓為1.5 kV)。Ai值與線路長(zhǎng)度Li和橫向距離Di有關(guān)(見(jiàn)圖1)，一般可按下式進(jìn)行計(jì)算:

考慮變電所會(huì)采取一些雷電防護(hù)措施，從而降低實(shí)際發(fā)生雷擊危險(xiǎn)的概率，因而引入概率系數(shù)PD(指直擊雷)和PI(指感應(yīng)雷)，以使計(jì)算的結(jié)果更符合實(shí)際。概率系數(shù)主要與雷電防護(hù)措施的等級(jí)、線路的屏蔽特征等有關(guān)。

牽引變電所遭受雷擊災(zāi)害的損失主要包括設(shè)備損壞以及由此導(dǎo)致的服務(wù)損失。相對(duì)于設(shè)備損壞，由于線路停電引起的鐵路運(yùn)輸服務(wù)停止而導(dǎo)致的損失要更大。由于本次雷擊該段線路使列車(chē)停運(yùn)而導(dǎo)致的服務(wù)損失的年平均相對(duì)量LS為:

式中:

n——受本次雷擊影響的列車(chē)對(duì)數(shù);

nt——年運(yùn)行的列車(chē)總對(duì)數(shù);

t——列車(chē)每年在危險(xiǎn)區(qū)域停留的時(shí)間，h。

確定各雷擊危險(xiǎn)區(qū)面積后，根據(jù)氣象部門(mén)的雷電自動(dòng)監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)獲得的雷對(duì)地閃擊的密度Ng，就可得出牽引變電所的雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值RS為

2 牽引變電所雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估舉例

現(xiàn)以鐵路鷹廈線某牽引變電所為例(見(jiàn)圖2)進(jìn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。該牽引變電所處于雷電多發(fā)區(qū)，由于地形限制，變電所建于沿線山上:在6—8月的雷雨季節(jié)，跳閘次數(shù)增多，影響線路行車(chē)，造成了不良影響。該變電所進(jìn)線電壓為110 kV，進(jìn)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(wǎng)相連。電線路的特征見(jiàn)表1所示。高壓室和控制室的建筑物尺寸為L(zhǎng)=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(xiǎn)區(qū)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(xiǎn)區(qū)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(qū)的雷對(duì)地閃擊密度Ng=4次/(km2·年)。依據(jù)上述介紹的方法，結(jié)合圖2，可計(jì)算得到各部分雷擊危險(xiǎn)區(qū)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(xiǎn)區(qū)面積 m2

變電所內(nèi)采用了有效的雷電防護(hù)措施，安裝有避雷針進(jìn)行保護(hù)，控制室內(nèi)的設(shè)備都經(jīng)過(guò)EMC(電磁兼容)測(cè)試;饋線端裝有避雷器，與饋線相連的設(shè)備可承受的脈沖過(guò)電壓較高。依據(jù)IEC 62305.2—2006 的建議，取概率值 PD=0.05，PI=0.000 6。每天通過(guò)該區(qū)間的列車(chē)數(shù)為20對(duì)，列車(chē)發(fā)車(chē)間隔為30 min;每列車(chē)在該供電臂范圍內(nèi)停留的時(shí)間為30 min，則列車(chē)每天在危險(xiǎn)區(qū)的停留時(shí)間共計(jì)10 h，每年在危險(xiǎn)區(qū)的停留時(shí)間為3 650 h。設(shè)雷擊引起的停電時(shí)間為1 h，則由式(5)可計(jì)算得由于雷擊導(dǎo)致的牽引供電系統(tǒng)服務(wù)損失的年平均相對(duì)量LS=0.041 7。計(jì)算出的該牽引變電所的風(fēng)險(xiǎn)值如表3所示。

根據(jù)表3可以看出，該變電所總的雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)RS=0.101 0 ×10－3略大于可承受的風(fēng)險(xiǎn)值 RT=0.1×10－3。其中，高壓室和控制室雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)最大，且其風(fēng)險(xiǎn)主要是由于感應(yīng)雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)引起的，這和控制室中有大量的電子控制設(shè)備易受感應(yīng)雷擊相關(guān);27.5 kV饋線和110 kV進(jìn)線由于采用架空線形式，遭受直擊雷擊損害的風(fēng)險(xiǎn)要大。由于27.5 kV饋線長(zhǎng)度較長(zhǎng)，使其雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)也較大，27.5 kV饋線的雷擊總風(fēng)險(xiǎn)略小于高壓室和控制室的風(fēng)險(xiǎn)。

表3 鐵路鷹廈線某牽引變電所雷擊風(fēng)險(xiǎn)值 ×10－3

為降低雷擊風(fēng)險(xiǎn)，可采用下列防護(hù)措施:

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

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

3 結(jié)論

雷擊是影響電氣化軌道交通運(yùn)行的極端氣象災(zāi)害事件，加強(qiáng)對(duì)牽引變電所的雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估有利于為牽引供電系統(tǒng)的防雷提供指導(dǎo)。本文提出的牽引變電所雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引變電所各部分的雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量評(píng)估，從而為電氣化軌道交通防御雷電災(zāi)害的影響提供參考依據(jù)。

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

［2］ 郭福雁.高層建筑雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析計(jì)算系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)［J］.現(xiàn)代建筑電氣，2010，1(3):45.

［3］ 吳明江，杜莉萍，陳勇斌.大氣電場(chǎng)的特征及雷電預(yù)警技術(shù)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(wǎng)雷害分布圖研究［J］.高電壓技術(shù)，2008，34(10):2016.

［6］ 趙淳，陳家宏，王劍，等.電網(wǎng)雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)研究［J］.高電壓技術(shù)，2011，37(12):3012.

［7］ IEC 62305.2—2006雷電防護(hù).第2部分:風(fēng)險(xiǎn)管理［S］.

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