高鐵站雷電災(zāi)害風(fēng)險分析與防護(hù)*

劉 波, 朱曦嶸, 楊 群, 曾 勇

(1.貴州省防雷減災(zāi)中心, 貴州 貴陽 550002)2.黔西南州氣象局, 貴州 興義 562400)

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高鐵站雷電災(zāi)害風(fēng)險分析與防護(hù)*

劉 波1, 朱曦嶸2, 楊 群1, 曾 勇1

(1.貴州省防雷減災(zāi)中心, 貴州 貴陽 550002)2.黔西南州氣象局, 貴州 興義 562400)

分析了貴陽高鐵站項目所處區(qū)域的雷電環(huán)境和土壤泄流性能,結(jié)合項目場址、地形地貌、建筑物相關(guān)性能參數(shù)等,計算了高鐵站的雷電災(zāi)害風(fēng)險,并分析了高鐵站風(fēng)險高的原因。提出了高鐵站雷電災(zāi)害防護(hù)的相關(guān)措施,以減少或避免高鐵站雷電災(zāi)害風(fēng)險,科學(xué)指導(dǎo)高鐵站的防雷設(shè)計。

高鐵站; 雷電環(huán)境; 雷電災(zāi)害風(fēng)險; 防雷措施

0 引 言

高鐵站人員密集、流動性大,站房內(nèi)供電系統(tǒng)、通信和信號設(shè)備及其他控制系統(tǒng)較多,智能化程度高。雷電對高鐵站房的直接雷擊,可造成建筑物受損,引發(fā)車站內(nèi)工作人員、旅客的傷亡。同時,雷擊放電引發(fā)的雷擊電磁脈沖過電壓和過電流經(jīng)站場電源系統(tǒng)、通信信號傳輸通道,通過感應(yīng)、傳導(dǎo)的方式損壞站內(nèi)通信信號設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備,致使列車運營中斷,旅客滯留,直接威脅鐵路正常的安全運輸[1-2]。

1 項目概況

貴陽高鐵站位于貴陽市老城區(qū)與觀山湖區(qū)之間的三橋馬王廟片區(qū),車站設(shè)到發(fā)線32條(含4條不靠站臺正線),15個站臺共28個站臺面,其中西側(cè)為基本站臺,東側(cè)為側(cè)式站臺。該高鐵站總建筑面積為118 525 m2,主要為建設(shè)站房、無站臺柱雨棚、站臺、高架落客平臺、高架車道(不含匝道)及配套設(shè)施。站房東西全長為418 m,南北全長為236 m,高為38.10 m,共分地下出站層、地上出站層、高架層,局部設(shè)計夾層,無柱雨棚投影面積為82 160 m2,車站東西廣場面積為354 010 m2(含東西廣場地面、地下面積),由站房平臺、旅客集散場地、市內(nèi)交通機動車場站、綠化景觀場地組成,高架及落客平臺投影面積為36 172 m2。

該高鐵站擬建場地南面低,北、西、東面高,東面緊鄰黔嶺山脈,地形坡度為5°～15°,地面標(biāo)高度為1 228～1 270 m,相對高度42 m左右,海拔高度為1 258～1 275 m。

2 雷電環(huán)境與土壤泄流分析

本文分別從貴陽高鐵站所處區(qū)域的雷電相關(guān)參數(shù)、土壤結(jié)構(gòu)出發(fā),分析了高鐵站的雷電環(huán)境和土壤泄流性能,為雷電災(zāi)害風(fēng)險分析提供依據(jù)[3-4]。

2.1 雷電環(huán)境分析

貴陽市雷暴日的年月變化如圖1所示。

圖1 貴陽市雷暴日的年月變化

由圖1可見,貴陽市年平均雷暴日為54 d,月平均雷暴日超過4 d,雷電主要發(fā)生在4～8月,1979年雷暴日最多,為68 d;1990年雷暴日最少,為37 d。初雷日最早為1月1日(1987年),終雷日最晚為12月27日(2004年),初終間跨度最長的年份為2004年,從1月10日至12月27日。

貴陽市平均地閃強度分布如圖2所示。由圖2可見,貴陽市最大雷電流強度為244.47 kA,平均閃電強度為38.09 kA,地閃強度0～20 kA、20～50 kA、50～100 kA、100～200 kA、200 kA以上的概率分別為40.24%、47.32%、10.46%、1.67%、0.31%。

圖2 貴陽市平均地閃強度分布

據(jù)統(tǒng)計,貴陽市地閃密度為4.1次/(km2·a)。貴陽高鐵站中心位置5、3、1 km半徑范圍內(nèi)地閃密度分別為5.0、5.1、5.1次/(km2·a)。根據(jù)高鐵站的規(guī)模綜合考慮,本文采用項目3 km半徑范圍的地閃密度進(jìn)行雷電災(zāi)害風(fēng)險分析。

2.2 土壤泄流分析

土壤電阻率是影響接地電阻大小最關(guān)鍵的因素,直接關(guān)系到雷擊時雷電流泄流性能。利用SYSCAL Junior土壤電阻率測試儀對該高鐵站所處區(qū)域的土壤電阻率進(jìn)行了測量,測量方法為溫納四極法,當(dāng)電極間距分別為1、5、9、13、17、21、25、29 m時,區(qū)域土壤電阻率分別為129.8、271.4、344.6、494.8、774.5、858.3、869.6、1 144.2 Ω·m。利用CDEGS軟件REASP模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行了反演分析,區(qū)域土壤結(jié)構(gòu)分層模型如圖3所示。

圖3 區(qū)域土壤結(jié)構(gòu)分層模型

圖3中,該高鐵站所處區(qū)域土壤擬合模型為水平兩層結(jié)構(gòu),第一層(0～3.43 m)平均土壤電阻率值為131.99 Ω·m;第二層(3.44～30.00 m)平均土壤電阻率值為1 967.99 Ω·m,分層擬合結(jié)果的均方根誤差為7.33%,土壤反射系數(shù)為0.006。

綜上所述,該高鐵站區(qū)域?qū)俑咄寥离娮杪蕝^(qū)域,不利于雷電流泄放。

3 雷電災(zāi)害風(fēng)險分析

3.1 風(fēng)險計算

對貴陽高鐵站站房及相關(guān)配套設(shè)施因雷電造成的人員傷亡風(fēng)險進(jìn)行分析,主要參數(shù)為工程所屬行政區(qū)及場址的雷電活動主要特征、土壤電阻率、站房內(nèi)部電磁場強度、屏蔽網(wǎng)格尺寸、站房接地電阻、電涌保護(hù)器(Surge Protective Device,SPD)標(biāo)稱放電電流、電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)等級,主要依據(jù)為QX/T 85—2007《雷電災(zāi)害風(fēng)險評估技術(shù)規(guī)范》、DB52/T 805—2013《貴州省雷電災(zāi)害風(fēng)險評估技術(shù)》等標(biāo)準(zhǔn)。站房雷電災(zāi)害風(fēng)險計算的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

經(jīng)過計算,各區(qū)域人員雷電災(zāi)害風(fēng)險值如見表2所示。

由表2可知,站房及配套設(shè)施的人身傷亡風(fēng)險值超過QX/T 85—2007規(guī)定的可容許風(fēng)險值(1.00E-05),不能滿足雷電防護(hù),需采取措施降低雷電災(zāi)害風(fēng)險。站房及配套設(shè)施的雷電災(zāi)害風(fēng)險主要來源于線路風(fēng)險,需加強雷電波入侵和雷電電磁感應(yīng)防護(hù)。

3.2 降低風(fēng)險的措施

3.2.1 雷電波入侵防護(hù)

(1) 配電系統(tǒng):站房內(nèi)10/0.4 kV配電所采取防雷電波入侵措施。在變壓器高壓側(cè)安裝間隙型避雷器,并裝設(shè)繼電保護(hù)裝置。高鐵站配電系統(tǒng)線路復(fù)雜,且配電系統(tǒng)不可中斷,為了做好雷電波入侵的防護(hù),需優(yōu)化相關(guān)參數(shù)的設(shè)計,原則為在雷電有可能入侵的各個關(guān)口“層層設(shè)防”,并按通流量逐級遞減設(shè)計。低壓配電線路應(yīng)采用四級SPD防護(hù),在10/0.4 kV配電所變壓器低壓側(cè)安裝第一級,通流量≥15 kA(10/350 μs)或60 kA(8/20 μs);在入戶處分配電柜(箱)安裝第二級,通流量≥40 kA(8/20 μs);第三級通流量≥20 kA(8/20 μs);第四級通流量≥10 kA(8/20 μs)。

表1 雷電災(zāi)害風(fēng)險計算的相關(guān)站房參數(shù)

參數(shù)描述數(shù)值地面類型ra混凝土層1.00E-02火災(zāi)防護(hù)r火災(zāi)報警系統(tǒng)、滅火器、消防栓等5.00E-01特殊危險h高級別恐慌1.00E+02火災(zāi)風(fēng)險rf中1.00E-02電擊防護(hù)PA等電位措施1.00E-02LPS屏蔽KS1LPS構(gòu)成自然網(wǎng)格2.16空間屏蔽KS2LPS構(gòu)成自然網(wǎng)格2.16內(nèi)部系統(tǒng)P1+S1—R1型電擊損失Lt是1.00E-02R1型物質(zhì)損失Lt公共1.00E-02R1型建筑損失Lo——現(xiàn)場人員數(shù)量n—n≥1000

表2 各區(qū)域人員雷電災(zāi)害風(fēng)險值

區(qū)域RARBRU(P1)RV(P1)RU(S1)RV(S1)R站房區(qū)5.85E-081.46E-061.22E-052.09E-051.30E-052.50E-057.26E-05東站臺區(qū)2.99E-059.47E-068.26E-076.02E-079.31E-076.41E-074.24E-05西站臺區(qū)3.79E-059.47E-068.25E-074.12E-079.26E-074.63E-075.00E-05售票廳5.90E-091.47E-078.66E-068.32E-061.09E-061.04E-052.86E-05候車室1.05E-082.64E-052.59E-061.30E-063.42E-061.71E-063.54E-0510kV開閉所6.60E-091.65E-071.80E-064.02E-062.63E-065.31E-061.39E-05信息設(shè)備間5.64E-091.41E-071.61E-068.07E-062.44E-071.22E-061.13E-05設(shè)備監(jiān)控中心2.19E-095.48E-081.06E-065.31E-062.02E-061.01E-051.85E-05

(2) 電子信息系統(tǒng):雷電防護(hù)等級分別按A、C、D級設(shè)計。通信和信號系統(tǒng)的雷電防護(hù)等級應(yīng)按A級設(shè)計;火災(zāi)自動報警、電梯控制等系統(tǒng)的雷電防護(hù)等級應(yīng)按C級設(shè)計;空調(diào)系統(tǒng)的雷電防護(hù)等級應(yīng)按D級設(shè)計。

3.2.2 雷電電磁感應(yīng)防護(hù)

通信和信號、火災(zāi)自動報警、電梯控制、空調(diào)等電子信息系統(tǒng)的設(shè)備間應(yīng)采取屏蔽措施,采用寬0.1 m的屏蔽網(wǎng)格時,設(shè)備離墻壁距離不小于0.5 m或居中放置。采用寬0.2 m的屏蔽網(wǎng)格時,設(shè)備離墻壁距離不小于1.0 m或居中放置。

采用上述措施后,再對表2的各區(qū)域進(jìn)行雷電災(zāi)害風(fēng)險計算,結(jié)果表明各區(qū)域的雷電災(zāi)害風(fēng)險均控制在可容許范圍內(nèi)。

3.3 雷電防護(hù)重點

高鐵站雷電防護(hù)重點是站房區(qū)域建筑物(站房主體建筑、站臺雨棚)、通信塔、饋線的直擊雷防護(hù)措施;室內(nèi)供配電系統(tǒng)、通信與信號系統(tǒng)及其他電子信息系統(tǒng)的雷電感應(yīng)和雷電波入侵防護(hù)措施;整個鐵路沿線各站場建筑、設(shè)施、線路、金屬護(hù)欄的雷電防護(hù)措施。另外,站場外廣場、車站也應(yīng)當(dāng)考慮工程性或非工程性雷電防護(hù)措施。

4 結(jié) 語

本文分析了貴陽高鐵站所處區(qū)域的雷電環(huán)境、泄流性能,并結(jié)合項目場址、地形地貌、建構(gòu)筑物相關(guān)性能參數(shù)等,進(jìn)行高鐵站的雷電災(zāi)害風(fēng)險計算,提出了降低雷電災(zāi)害風(fēng)險的相關(guān)措施,以期為類似高鐵站項目提供參考。

[1] 陳渭民.雷電學(xué)原理[M].北京:氣象出版社,2007.

[2] 嚴(yán)春銀,胡久濤.電網(wǎng)雷擊風(fēng)險評估及其法律制度研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2006(S1):38-40.

[3] 葛謙,侯勇.某客運站雷電風(fēng)險評估分析及雷電防護(hù)完善措施[J].廣東科技,2007(7):135-137.

[4] 吳超.軌道交通防雷、防靜電檢測技術(shù)[J].現(xiàn)代建筑電氣,2015,6(12):29-31.

Risk Analysis and Protection of Lightning Disaster of High-speed Rail Station

LIU Bo1,ZHU Xirong2,YANG Qun1,ZENG Yong1

(1.Guizhou Province Lightning Protection and Disaster Mitigation Center, Guiyang 550002, China;2.Qianxinan Meteorological Bureau, Xingyi 562400, China)

This paper analyzed the lightning environment and soil discharge performance of Guiyang high-speed rail station region.Combining by the site,landform,and related performance parameters of building,the lightning disaster risks of Guiyang high-speed rail station were calculated,and the causes of high risks of high-speed rail station were analyzed.The relevant measures of lightning protection of high-speed rail station were proposed.It can reduce or avoid the lightning disaster risks of high-speed rail station,and scientifically guide the lightning protection design of similar high-speed rail stations.

high-speed rail station; lightning environment; lightning disaster risk; lightning protection measures

劉 波(1985—),男,工程師,從事雷電防護(hù)技術(shù)與應(yīng)用方面的工作。

朱曦嶸(1985—),男,工程師,從事防雷減災(zāi)技術(shù)與應(yīng)用方面的工作。

楊 群(1981—),女,工程師,從事防雷減災(zāi)技術(shù)與應(yīng)用方面的工作。

貴州省氣象局青年基金項目[黔氣科合QN[2015] 17號]

TU 856

B

1674-8417(2016)08-0066-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.08.016

2016-02-25