跨坐式單軌交通防雷效益評估分析

林 濤 李家啟 陳 宏

（1.重慶市防雷中心，401147，重慶；2.重慶市北碚區氣象局，400700，重慶∥第一作者，工程師）

雷電災害是聯合國“國際減災十年”公布的最嚴重的十種自然災害之一，也是“電子時代的一大公害”。跨坐式單軌交通系統是軌道交通的一種形式，與普通輕軌相比，具有爬坡能力強、轉彎半徑小、噪聲低、投資少等特點。但跨坐式單軌交通建設在我國尚屬首次，在我國特殊的雷電環境背景下，跨坐式單軌交通是否有必要做防雷保護，其防雷保護裝置是否能減輕跨坐式單軌雷電災害，均需要進行評估。這對跨坐式單軌交通系統的防雷安全具有十分重要的現實意義。

目前，國內對跨坐式單軌的防雷有了一些研究，如李家啟、李良福等對跨坐式單軌沿線雷電活動規律與易閃性分析［1］，任艷對雷擊大地密度及等效截收面積計算方法的分析研究［2］等，但對跨坐式單軌交通的防雷效益進行評估分析的不多。跨坐式單軌交通是否需要采取防雷保護措施，采取什么措施，要綜合考慮各種因素，提出投入多少費用和避免多少損失的詳細評估材料。

1 資料來源與方法

采用的跨坐式單軌交通的尺寸、位置及其基本情況等來源于重慶輕軌2號線；采用的ADTD（閃電定位）資料來源于重慶市防雷中心。根據IEEE和國家標準提供的雷電參數指標，采用數理統計，運用雷電災害風險評估和安全評價的理論和方法，對重慶輕軌2號線防雷效益進行分析。

2 重慶輕軌2號線雷擊風險評估

重慶輕軌2號線，東起市區商業中心較場口，西至大渡口區鋼鐵基地新山村，全長19km。以臨江門站為例，計算其采取防雷保護措施前后人員生命損失風險值（R1）和經濟價值損失風險值（R4）。

2.1 建筑物年預計雷擊次數ND

重慶屬高雷暴地區，根據氣象資料得年平均雷暴日Td＝46.0天，則建筑物所處地區雷擊大地的年平均密度Ng＝0.1，Td≈4.60次／（km2·a），計算得與建筑物截收相同雷擊次數的等效面積Ad≈3.05×10－2km2則：

式中：

Cd——位置因子（在此類型情況下取2）；ND——年預計雷擊次數，次／年。

2.2 雷擊建筑物附近引起的年預計雷擊次數NM

由于雷擊建筑物附近的截收面積AM＝［LW＋2×250×（L＋W）＋π2502］×10－6＝2.69×10－1m2。式中L、W 分別為建筑長和寬。因此雷擊建筑物附近引起的年預計雷擊次數NM＝Ng（AM－AdCd）＝1.17次／年。

2.3 雷擊入戶設施及其附近引起的年預計雷擊次數NL和NI

研發樓所在區域有埋地電源電纜、埋地電話通信線、埋地電視信號線。因此，雷擊電源線、電話線、電視信號線的截收面積為：

式中：

Al——雷擊服務設施的截收面積，m2；

Lc——建筑物與第一個節點之間的服務設施線路段的長度（最大值為1 000），m；

Ha——連接到服務設施“a”端的建筑物的高度，m；

Hb——連接到服務設施“b”端的建筑物的高度，m。

雷擊電源線、電話線、電視信號線附近的截收面積為：

Ai為雷擊服務設施附近的截收面積（m2）。

則，作用于各個入戶設施上的雷電閃擊次數為：

NL1＝NgAl1Cd1Ct1＝5.70×10－3次／年

NL2＝NgAl2Cd2Ct2＝2.85×10－2次／年

NL3＝NgAl3Cd3Ct3＝2.85×10－2次／年

NI1＝NgAi1Ce1Ct1＝0

同理，NI2＝NI3＝0

2.4 雷擊損害概率

查表可知對應于R1人員生命損失的雷擊損害概率P的數值為：

PA、PB、PU、PU、PSPD分別為雷擊建筑物導致生物傷害、物理損害、內部系統失效的概率，以及雷擊服務設施導致生物傷害的概率和雷擊建筑物附近導致內部系統失效的概率。

2.5 損失量的評估

式中：

LA——建筑物戶外距離建筑物3m以內的區域中與接觸和跨步電壓造成生物傷害有關的損失量；

LB——與建筑物內因危險火花放電觸發火災有關的損失量；

LV——與雷電流經過入戶服務設施產生的物理損害有關的損失量；

LU——與建筑物內雷電流注入入戶線路產生的接觸電壓造成人身傷害有關的損失量。

2.6 雷擊風險分量

式中：

RA——建筑物戶外距離建筑物3m以內的區域中與接觸和跨步電壓造成生物傷害有關的風險分量；

RB——與建筑物內因危險火花放電觸發火災有關的風險分量；

RU——與建筑物內雷電流注入入戶線路產生的接觸電壓造成人身傷害有關的風險分量；

RV——與雷電流經過入戶服務設施產生的物理損害。

2.7 風險組成及計算結果

風險R1在不同分區內的風險組成見表1。

風險計算結果如下：

其中：

表1 不同分區內風險組成一覽表

2.8 選擇防護措施

取典型的人員生命損失風險容許值RT＝1.0×10－5。在此情況下，Z2區R1＞RT（1.11×10－4＞1.0×10－5），因此，應對臨江門站所在區域提供雷電防護措施。當選擇保護級別為Ⅱ級的LPS（損害預防標準）時，雷擊損害概率減小為：

PA＝0.01 PB＝0.05

PU＝PV＝PSPD＝0.02

所以，相對應的雷擊風險分量的新值為：

所以，Z2區——R1＝RB＋RU＋RV≈2.43×10－6

其中：

在此情況下，Z2區 R1＜RT（2.43×10－6＜10－5），從而實現了對臨江門站所在區域人員生命損失的保護。

2.9 經濟價值損失

Z2區為避免R1人員生命損失而安裝了具有Ⅱ級保護的LPS，R4經濟價值損失的風險值為：

R4＝RB＋RC＋RM＋RV＋RW＋RZ≈4.56×10－4

其中：

3 效益評估

從重慶輕軌2號線沿線各個站點和區間采取防雷措施前后人員生命損失風險比較表（見表2），重慶輕軌2號線沿線各個站點和區間在未采取防雷保護措施的情況下，人員生命損失風險值（R1無保護）均超過風險典型值（R10＝1.0×10－5），R1無保護的平均值為8.75×10－5。其中，最大的李子壩站風險值達到了14.7×10－5，是風險典型值的14.7倍，最小的曾家巖站風險值1.08×10－5也大于風險典型值（見圖1）。而在采取防雷措施后，各個站點和區間人員生命損失風險值均處于允許的人員生命損失風險值以內（見圖2），平均減少了96.98%（見圖3）。

從重慶輕軌2號線沿線各個站點和區間采取防雷措施前后經濟價值損失風險比較表（見表2）來看，重慶輕軌2號線沿線各個站點和區間在未采取防雷保護措施的情況下，經濟價值損失風險值（R4無保護）均超過風險典型值（R40＝1.0×10－3），R4無保護的平均值為2.43×10－2。其中，最大的佛圖關至大坪區間風險值達到了4.91×10－2，是風險典型值的49.1倍，最小的楊家坪站風險值1.24×10－2也大于風險典型值（見圖4）。而在采取防雷措施后，各個站點和區間經濟價值損失風險值均處于允許的經濟價值風險典型值以內（見圖5），平均減少96.98%（見圖6）。

表2 采取防雷措施前后人員生命損失風險值比較表

圖1 無保護條件下人員生命損失風險值示意圖

圖2 保護后人員生命損失風險值減少示意圖

圖3 保護后人員生命損失風險值示意圖

表3 采取防雷措施前后經濟價值損失風險值比較表

圖4 無保護條件下經濟價值損失風險示意圖

圖5 保護后經濟價值損失風險減少示意圖

圖6 保護后經濟價值損失風險示意圖

跨坐式單軌列車運行在PC（預應力混凝土）梁上，如果列車未采取防雷保護措施，當列車遭受臨近雷擊或自身遭受雷擊時，列車內人員和電子設備均會產生損傷。表4、表5列出了一次雷擊事故造成的人員傷害賠償及設備損失費情況。

表4 人員傷害補償費一覽表 萬元／人

選取2006—2009年的重慶市ADTD系統的監測資料來分析輕軌2號線雷電活動情況。5km范圍內各站年均閃電達到了驚人的12 862.75次，最大電流達到了300kA，平均電流達到了33.34kA，如未采取防雷保護措施，就會發生人員傷亡和設備損壞。同時，一旦跨坐式單軌遭受雷擊事故，交通停頓或癱瘓，會使市民造成乘坐跨坐式單軌交通不安全的看法，對城市的形象也會產生負面影響。重慶輕軌2號線采取防雷保護措施后，從2006年運行至今，尚無一次雷擊事故的發生，取得了良好的社會效益和經濟效益。

表5 設備損失費一覽表

4 結語

（1）重慶輕軌沿線雷暴活動非常強烈，如未采取有效防雷措施，極易發生雷擊事故，損失將非常嚴重；

（2）經評估分析，跨坐式單軌交通采取有效防雷措施后，人員生命損失風險減少了96.98%，經濟價值損失風險減少97.38%；

（3）經重慶輕軌2號線實際運行檢驗，采取的防雷措施效果明顯，效益顯著。

［1］李家啟，李良福，秦健，等.跨坐式單軌交通2號線沿線雷電活動規律與易閃性分析［J］.氣象科技，2010（6）：734.

［2］任艷.雷擊大地密度及等效截收面積計算方法的分析研究［J］.氣象科技，2010（6）：528.

［3］GB／T 21714.2—2008雷電防護 第2部分：風險管理［S］.

［4］李家啟，李良福.雷電災害風險評估與控制［M］.北京：氣象出版社，2010.