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(qū)氣象局，400700，重慶∥第一作者，工程師）

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

目前，國內(nèi)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(guī)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(jìn)行評估分析的不多?？缱絾诬壗煌ㄊ欠裥枰扇》览妆Ｗo(hù)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(xì)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(jù)IEEE和國家標(biāo)準(zhǔn)提供的雷電參數(shù)指標(biāo)，采用數(shù)理統(tǒng)計，運(yùn)用雷電災(zāi)害風(fēng)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(jìn)行分析。

2 重慶輕軌2號線雷擊風(fēng)險評估

重慶輕軌2號線，東起市區(qū)商業(yè)中心較場口，西至大渡口區(qū)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(hù)措施前后人員生命損失風(fēng)險值（R1）和經(jīng)濟(jì)價值損失風(fēng)險值（R4）。

2.1 建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)ND

重慶屬高雷暴地區(qū)，根據(jù)氣象資料得年平均雷暴日Td＝46.0天，則建筑物所處地區(qū)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(shù)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(yù)計雷擊次數(shù)，次／年。

2.2 雷擊建筑物附近引起的年預(yù)計雷擊次數(shù)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(yù)計雷擊次數(shù)NM＝Ng（AM－AdCd）＝1.17次／年。

2.3 雷擊入戶設(shè)施及其附近引起的年預(yù)計雷擊次數(shù)NL和NI

研發(fā)樓所在區(qū)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(wù)設(shè)施的截收面積，m2；

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

Ha——連接到服務(wù)設(shè)施“a”端的建筑物的高度，m；

Hb——連接到服務(wù)設(shè)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(wù)設(shè)施附近的截收面積（m2）。

則，作用于各個入戶設(shè)施上的雷電閃擊次數(shù)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(yīng)于R1人員生命損失的雷擊損害概率P的數(shù)值為：

PA、PB、PU、PU、PSPD分別為雷擊建筑物導(dǎo)致生物傷害、物理損害、內(nèi)部系統(tǒng)失效的概率，以及雷擊服務(wù)設(shè)施導(dǎo)致生物傷害的概率和雷擊建筑物附近導(dǎo)致內(nèi)部系統(tǒng)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(nèi)的區(qū)域中與接觸和跨步電壓造成生物傷害有關(guān)的損失量；

LB——與建筑物內(nèi)因危險火花放電觸發(fā)火災(zāi)有關(guān)的損失量；

LV——與雷電流經(jīng)過入戶服務(wù)設(shè)施產(chǎn)生的物理損害有關(guān)的損失量；

LU——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)的損失量。

2.6 雷擊風(fēng)險分量

式中：

RA——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——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；

RU——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——與雷電流經(jīng)過入戶服務(wù)設(shè)施產(chǎn)生的物理損害。

2.7 風(fēng)險組成及計算結(jié)果

風(fēng)險R1在不同分區(qū)內(nèi)的風(fēng)險組成見表1。

風(fēng)險計算結(jié)果如下：

其中：

表1 不同分區(qū)內(nèi)風(fēng)險組成一覽表

2.8 選擇防護(hù)措施

取典型的人員生命損失風(fēng)險容許值RT＝1.0×10－5。在此情況下，Z2區(qū)R1＞RT（1.11×10－4＞1.0×10－5），因此，應(yīng)對臨江門站所在區(qū)域提供雷電防護(hù)措施。當(dāng)選擇保護(hù)級別為Ⅱ級的LPS（損害預(yù)防標(biāo)準(zhǔn)）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(yīng)的雷擊風(fēng)險分量的新值為：

所以，Z2區(qū)——R1＝RB＋RU＋RV≈2.43×10－6

其中：

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

2.9 經(jīng)濟(jì)價值損失

Z2區(qū)為避免R1人員生命損失而安裝了具有Ⅱ級保護(hù)的LPS，R4經(jīng)濟(jì)價值損失的風(fēng)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(qū)間采取防雷措施前后人員生命損失風(fēng)險比較表（見表2），重慶輕軌2號線沿線各個站點和區(qū)間在未采取防雷保護(hù)措施的情況下，人員生命損失風(fēng)險值（R1無保護(hù)）均超過風(fēng)險典型值（R10＝1.0×10－5），R1無保護(hù)的平均值為8.75×10－5。其中，最大的李子壩站風(fēng)險值達(dá)到了14.7×10－5，是風(fēng)險典型值的14.7倍，最小的曾家?guī)r站風(fēng)險值1.08×10－5也大于風(fēng)險典型值（見圖1）。而在采取防雷措施后，各個站點和區(qū)間人員生命損失風(fēng)險值均處于允許的人員生命損失風(fēng)險值以內(nèi)（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(qū)間采取防雷措施前后經(jīng)濟(jì)價值損失風(fēng)險比較表（見表2）來看，重慶輕軌2號線沿線各個站點和區(qū)間在未采取防雷保護(hù)措施的情況下，經(jīng)濟(jì)價值損失風(fēng)險值（R4無保護(hù)）均超過風(fēng)險典型值（R40＝1.0×10－3），R4無保護(hù)的平均值為2.43×10－2。其中，最大的佛圖關(guān)至大坪區(qū)間風(fēng)險值達(dá)到了4.91×10－2，是風(fēng)險典型值的49.1倍，最小的楊家坪站風(fēng)險值1.24×10－2也大于風(fēng)險典型值（見圖4）。而在采取防雷措施后，各個站點和區(qū)間經(jīng)濟(jì)價值損失風(fēng)險值均處于允許的經(jīng)濟(jì)價值風(fēng)險典型值以內(nèi)（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(fēng)險值比較表

圖1 無保護(hù)條件下人員生命損失風(fēng)險值示意圖

圖2 保護(hù)后人員生命損失風(fēng)險值減少示意圖

圖3 保護(hù)后人員生命損失風(fēng)險值示意圖

表3 采取防雷措施前后經(jīng)濟(jì)價值損失風(fēng)險值比較表

圖4 無保護(hù)條件下經(jīng)濟(jì)價值損失風(fēng)險示意圖

圖5 保護(hù)后經(jīng)濟(jì)價值損失風(fēng)險減少示意圖

圖6 保護(hù)后經(jīng)濟(jì)價值損失風(fēng)險示意圖

跨坐式單軌列車運(yùn)行在PC（預(yù)應(yīng)力混凝土）梁上，如果列車未采取防雷保護(hù)措施，當(dāng)列車遭受臨近雷擊或自身遭受雷擊時，列車內(nèi)人員和電子設(shè)備均會產(chǎn)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(shè)備損失費情況。

表4 人員傷害補(bǔ)償費一覽表 萬元／人

選取2006—2009年的重慶市ADTD系統(tǒng)的監(jiān)測資料來分析輕軌2號線雷電活動情況。5km范圍內(nèi)各站年均閃電達(dá)到了驚人的12 862.75次，最大電流達(dá)到了300kA，平均電流達(dá)到了33.34kA，如未采取防雷保護(hù)措施，就會發(fā)生人員傷亡和設(shè)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(chǎn)生負(fù)面影響。重慶輕軌2號線采取防雷保護(hù)措施后，從2006年運(yùn)行至今，尚無一次雷擊事故的發(fā)生，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

表5 設(shè)備損失費一覽表

4 結(jié)語

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

（2）經(jīng)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(fēng)險減少了96.98%，經(jīng)濟(jì)價值損失風(fēng)險減少97.38%；

（3）經(jīng)重慶輕軌2號線實際運(yùn)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(guī)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(hù) 第2部分：風(fēng)險管理［S］.

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