中國鐵路雷電災害時空分布特征

徐雨晴，何吉成

中國鐵路雷電災害時空分布特征

徐雨晴，何吉成

在闡述雷電災害對鐵路危害形式的基礎上，綜述了我國雷電災害的時空分布特征，分析了我國易受雷電災害影響的線路分布，并提出了防御雷電災害的建議。

中國鐵路；雷電；災害

0 引言

鐵路是我國國民經濟的大動脈和大眾化交通工具，在國家綜合交通運輸體系中處于骨干地位，近10年來，我國鐵路路網規(guī)模不斷擴大，截至2010年底，我國鐵路營業(yè)里程已達9.1萬公里，里程長度居世界第2位[1]。雷電是發(fā)生在雷云之間或雷云對地放電的一種自然現(xiàn)象。我國地處溫帶和亞熱帶地區(qū)，雷電活動十分頻繁，雷電因其強大的電流、炙熱的高溫、強烈的電磁輻射以及猛烈的沖擊波等物理效應而能夠在瞬間產生巨大的破壞作用，造成雷電災害[2]。雷電災害已成為危害程度僅次于暴雨洪澇、氣象地質災害的第三大氣象災害[3]，嚴重威脅著我國社會公共安全和人民生命財產安全。我國地域遼闊、地形多樣、自然環(huán)境和氣象條件復雜，鐵路線路面廣、線長，部分路網處于雷電多發(fā)區(qū)，鐵路運輸活動深受雷電活動的影響。如2007年8月2日，強雷電天氣損壞了滬寧線上行線的接觸網，導致D428次動車組在蘇州站斷電停車，晚點近2 h[4]。2011年7月26日，雷電極端強對流天氣導致鐵路接觸網失去供電，致使襄渝線幾近癱瘓，直接造成襄渝線的列車大面積晚點[5]。2011年“7·23”甬溫線特大鐵路交通事故也與雷電有關。

有研究表明[6]，閃電活動對全球陸地地面氣溫季度平均值的年際變化有靈敏的正響應，這表明在未來全球氣候變暖的背景下，雷暴這類強對流災害性天氣的發(fā)生頻率將增多，因而對鐵路運輸?shù)挠绊憣②咁l趨強。因此，通過綜述并分析我國雷電災害的時空分布特征，了解鐵路雷電災害發(fā)生的重點區(qū)域，對促進鐵路行業(yè)防災減災具有重要的意義。

目前，對全國各區(qū)域雷電時空分布特征及其影響因素分析的報道已有很多，但是鐵路沿線的相關報道在國內非常有限，近幾十年有相關分析的鐵路主要有青藏鐵路[7，8]、廣深鐵路[9]、京滬高鐵[10]以及武廣高鐵[11]。本文在分析雷電對鐵路危害的基礎上，根據(jù)雷電災害的時空分布特征，分析了我國易受雷電災害影響的線路，并提出了防御雷電災害的建議，為提高鐵路抵御雷電災害的能力提供參考。

1 雷電對鐵路運輸?shù)奈：π问?/h2>

雷電災害泛指雷擊或雷電電磁脈沖入侵和影響造成人員傷亡或財物受損，造成不良的社會和經濟后果的事件[2]。鐵路雷電災害是指因雷電活動造成鐵路通信、信號、車輛、供電系統(tǒng)發(fā)生故障，或站場、油庫、廠房、車間、設備因雷擊遭到破壞，從而對鐵路正常生產、運營等活動造成不利影響的自然災害。在電氣化鐵路日益增多的今天，雷電對高架電線，特別是對帶高壓電的電氣化鐵路動力輸電線路威脅很大。另外，雷電可危及鐵路通信或信號，使通信中斷，造成指揮失靈。

雷電對鐵路的危害形式有：（1）對鐵路輸變電系統(tǒng)造成損害，鐵路變配電所是鐵路電力供應的樞紐，一旦遭受雷擊將會引起大范圍的停電事故，影響列車運營。（2）對鐵路信號系統(tǒng)產生危害，鐵軌是雷電的良導體，與軌道連接的信號設備容易受到雷擊危害。（3）對鐵路通信系統(tǒng)產生危害，雷電通過傳導、感應損壞站內通信信號設備及網絡通信設備；通過入侵計算機通信線路損害鐵路無線通信設備。（4）對電氣化鐵路的接觸網系統(tǒng)造成損害，接觸網系統(tǒng)中支柱和絕緣子損壞會造成牽引系統(tǒng)永久性接地故障，迫使供電中斷。（5）對鐵路其他弱電系統(tǒng)造成危害，如售檢票系統(tǒng)、設備監(jiān)控系統(tǒng)、火災自動報警系統(tǒng)等。（6）對高原線路客車產生影響，因運行環(huán)境一般極其惡劣，高海拔、強雷電環(huán)境對鐵路客車電氣產品的影響非常顯著。

2 鐵路雷電災害時空分布特征及線路分布

2.1 雷電災害的時間分布特征

我國雷電災害具有發(fā)生頻次多、范圍廣、雷暴活動期長等特點，其時空分布和整個區(qū)域一樣，在年際、季節(jié)及時段尺度上都表現(xiàn)出顯著的特征。

2.1.1 年際分布

在年際分布上，就全國總體情況而言，近幾十年雷電日數(shù)呈下降趨勢，在雷電的4個多發(fā)區(qū)（南方區(qū)、高原區(qū)、北方區(qū)和新疆區(qū)）中，高原區(qū)和南方區(qū)的下降趨勢更明顯[12]。

2.1.2 季節(jié)分布

我國雷電大都發(fā)生在4—9月，南方雷電發(fā)生時間較長，尤其是華南區(qū)，雷電發(fā)生在3—9月，而北方區(qū)雷電發(fā)生時間較短，主要集中在夏季[13]。

中國鐵路沿線與區(qū)域情況一樣，雷電災害發(fā)生的季節(jié)性變化明顯，雷電高發(fā)期一般都集中在夏季（占70%以上），春、秋季其次，冬季雷電很少。例如，青藏高原鐵路沿線閃電主要發(fā)生在4—9月，占年總閃電的94%以上，其中夏季6—8月份占到70%以上；11—12月發(fā)生閃電很少，只占總數(shù)的0.15%[7]。京滬高鐵沿線的閃電活動也主要發(fā)生在4—9月，其中6—8月最集中，7月為峰值月份，10月以后迅速減少，11月—次年3月基本沒有明顯的閃電活動[10]。武廣高鐵湖北段沿線一年四季均有雷暴發(fā)生，4—8月是易遭雷擊的高危期，其中7月平均雷暴日最多，8月其次[11]。

2.1.3 時段分布

我國雷電大都發(fā)生在4—9月午后到深夜（12： 00～24：00）[12～14]，13：00～20：00是雷電災害發(fā)生的集中時段，其中15：00～17：00和19；00～20：00為高發(fā)時段。不同區(qū)域在時段分布上差異較大，如西南地區(qū)4—8月是閃電高發(fā)期，時段集中在傍晚和午夜前后，以夜晚雷暴居多[15]。東北地區(qū)雷電主要發(fā)生在12：00～22：00，峰值出現(xiàn)在15：00和18：00[16]。相對來說，北方區(qū)雷電發(fā)生時間較短、時段較晚[12]。不同季節(jié)出現(xiàn)閃電高峰的時段也不同，冬季主要在中午，閃電維持時間最短，秋季主要在下午，春季主要在晚間，夏季主要在傍晚[14]。

鐵路不同線路雷電發(fā)生時段差異較大，總體來說，以下午和前半夜居多。例如，京滬高鐵沿線閃電活動在下午和前半夜比較頻繁，后半夜、早晨和上午閃電活動相對較少[10]。青藏鐵路沿線區(qū)域年均日發(fā)生閃電數(shù)白天約占66%，而夜間約占34%[7]，12：00～16：00（地方時）最易發(fā)生[8]。

2.2 雷電災害的空間分布特征及鐵路線路分布

2.2.1 空間分布特征

年雷暴日是指一年中的雷暴日數(shù)，鐵路接觸網遭受雷擊的頻度與線路所在地區(qū)的年均雷電日數(shù)有關[17]。我國年雷暴日數(shù)在空間分布上變化很大，具有明顯的區(qū)域性特征。文獻[12]研究表明，國內雷電多發(fā)區(qū)主要有4個：南方區(qū)、高原區(qū)、北方區(qū)和新疆區(qū)。文獻[2]明確指出，雷暴活動多發(fā)區(qū)主要集中在華南、西南南部以及青藏高原中東部地區(qū)，年雷暴日數(shù)在70 d以上，其中云南、海南、廣東、廣西、西藏這些省區(qū)的局部地區(qū)超過90 d，廣東省部分地區(qū)甚至超過100 d。夏季是全年雷暴最多的季節(jié)，華北北部、江南南部、華南、青藏高原大部以及天山西側超過30 d，其中華南中部和西部、云南南部、青藏高原中東部有40～60 d[2]。

2.2.2 沿鐵路線路分布

夏季是我國雷電災害多發(fā)的季節(jié)，通過疊加夏季雷暴日數(shù)分布圖[18]和鐵路線網分布（圖1）可以看出，容易遭受雷電災害的線路主要處于華中南部、東南地區(qū)、華南地區(qū)、西南地區(qū)的云南境內、青藏高原中東部地區(qū)。主要線路有：華中南部地區(qū)的京廣線湖南段、滬昆線江西段和湖南段、向樂線、醴茶線等線路；東南地區(qū)的滬昆線浙江段、金溫線北段、鷹廈線、皖贛線北段、峰福線橫南段、贛龍線、漳龍線、漳泉線西段等線路；華南地區(qū)的京九線江西南段和廣東段、廣九線、汕頭線北段、京廣線廣東段、三茂線、湛海線、海南西環(huán)線、黎湛線、欽北線、南防線、湘桂線廣西段、南昆線廣西段、黔桂線廣西段等線路；西南地區(qū)的內六線云南段、南昆線云南段、廣大線、水紅線、滬昆線云南段、蒙寶線、昆河線、成昆線云南段等線路；青藏高原中東部地區(qū)的青藏鐵路西藏段。在路局分布上主要集中在南昌局、廣州鐵路集團公司、南寧局、昆明局和青藏鐵路公司。

由于雷電活動頻繁，廣深線一直深受影響。僅在2000年廣深線就發(fā)生雷擊接觸網跳閘45次[18]，據(jù)不完全統(tǒng)計，2004—2009年，廣深線雷擊損壞支柱109根、損壞絕緣子97處[9]。青藏鐵路沿線閃電分布在南北向上變化較明顯[8]。青藏鐵路沿線閃電頻數(shù)隨經緯度也有一定的分布規(guī)律：青藏鐵路跨越路段北緯30°～35°是閃電高發(fā)區(qū)，高原南部北緯25°～30°之間為低發(fā)區(qū)，北緯35°以北明顯偏少；青藏高原區(qū)東經84°～96°之間是較高發(fā)區(qū)[7]。

圖1 國內鐵路雷電災害線路分布圖

3 鐵路行業(yè)防御雷電災害的建議

國內鐵路面廣、線長，既有強電設備，又有大量的通信、信號、監(jiān)控、傳感等弱電設備，外場設備遍布全路段，很容易遭受雷電感應或雷擊。雷擊事故輕則擊壞設備，導致系統(tǒng)喪失部分功能；重則導致全系統(tǒng)癱瘓，功能盡失，給鐵路運輸安全帶來極大的隱患，因此加強鐵路行業(yè)的雷電防護具有重要的實際意義，現(xiàn)就提高國內鐵路的雷電防御能力，提出以下建議：

（1）鐵路運輸部門要加強與沿線氣象部門的溝通協(xié)作，密切關注氣象部門發(fā)布的雷電預警預報信息。尤其是轄區(qū)內雷電多發(fā)的廣州局、南昌局和昆明局要密切關注當?shù)貧庀蟛块T的短期和臨近雷電預報信息，及時進行防范或啟動應急方案。

（2）鐵路行業(yè)防雷工作要因地制宜，有所側重。雷電災害與線路所在地形、氣象條件密切相關，不同的地域差異較大，同一條線路沿途地形差別很大，一般山區(qū)路段雷害多于平原，因此應在防雷設計時充分考慮這些因素。如在接觸網上安裝避雷器時，應充分考慮線路所處的小地形小氣象條件，綜合考慮，適量安裝。

（3）重點抓好電氣化鐵路的防雷工作。電化區(qū)段的電化干擾給防雷工作增加了難度，需要解決避免牽引電流迷流影響等問題[19]。提高電氣化鐵路接觸網的耐雷性能、減少雷擊故障跳閘率是保障電氣化鐵路運輸安全的基礎。接觸網防雷的主要方法有降低接地電阻、增設線路避雷器、架設避雷線（針）和提高絕緣等級[20]。

（4）提高客運專線和高速鐵路防雷水平。隨著以京津城際、武廣、鄭西、京滬等為代表的一批高速鐵路和客運專線的相繼運營，為保證運行安全，速度很快的動車組對雷暴等不利氣象條件極為敏感，過去對鐵路運輸影響不大的輕微雷暴活動也會造成動車組降速、晚點或停車。為解決高速鐵路的防雷問題，不能照搬過去普通鐵路的防雷標準、工藝和規(guī)范，必須出臺針對高速鐵路的防雷規(guī)范標準，從而提升高速鐵路的防雷水平。

4 結語

雷電對鐵路造成的危害表現(xiàn)在：對鐵路輸變電系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和其他弱電系統(tǒng)造成危害，對電氣化鐵路的接觸網和高原線路客車威脅較大。在時間上，我國鐵路雷電災害多集中在夏季，春、秋季次之，冬季較少。鐵路不同線路雷電發(fā)生時段差異較大，以下午和前半夜居多。在空間上，我國容易遭受雷電災害的線路主要處于華中南部、東南地區(qū)、華南地區(qū)、西南地區(qū)的云南境內、青藏高原中東部地區(qū)，共有30多條，以華南地區(qū)數(shù)量最多。為提高我國鐵路行業(yè)的雷電防御能力，鐵路運輸部門要加強與沿線氣象部門的溝通協(xié)作，因地制宜、有所側重地開展防雷工作，重點解決電氣化鐵路的防雷問題，尤其是要提高客運專線和高速鐵路的防雷水平。

目前我國開展鐵路雷電災害時空分布的研究工作非常有限，為了更明確了解全國鐵路主要線路的雷電災害分布特征，掌握其分布規(guī)律，減少雷電災害帶來的經濟損失及人身傷亡事故，今后需進一步加強這方面的研究工作。

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Based on the damage forms and spatio-temporal distribution of lightning disaster, the distributions of the railway lines that easily suffer from lightning disaster were analyzed and some suggestions were put forward.

China railways; lightning; disaster

U228

B

1007-936X(2015)01-0047-04

2014-09-11

徐雨晴.中國氣象局國家氣候中心，高級工程師，電話：13521295210；

何吉成.交通運輸部規(guī)劃研究院環(huán)境資源所，副研究員。