跨坐式单轨交通防雷效益评估分析

2012-07-06李家启

城市轨道交通研究 2012年5期

林涛李家启陈宏

（1.重庆市防雷中心，401147，重庆；2.重庆市北碚区气象局，400700，重庆∥第一作者，工程师）

雷电灾害是联合国“国际减灾十年”公布的最严重的十种自然灾害之一，也是“电子时代的一大公害”。跨坐式单轨交通系统是轨道交通的一种形式，与普通轻轨相比，具有爬坡能力强、转弯半径小、噪声低、投资少等特点。但跨坐式单轨交通建设在我国尚属首次，在我国特殊的雷电环境背景下，跨坐式单轨交通是否有必要做防雷保护，其防雷保护装置是否能减轻跨坐式单轨雷电灾害，均需要进行评估。这对跨坐式单轨交通系统的防雷安全具有十分重要的现实意义。

目前，国内对跨坐式单轨的防雷有了一些研究，如李家启、李良福等对跨坐式单轨沿线雷电活动规律与易闪性分析［1］，任艳对雷击大地密度及等效截收面积计算方法的分析研究［2］等，但对跨坐式单轨交通的防雷效益进行评估分析的不多。跨坐式单轨交通是否需要采取防雷保护措施，采取什么措施，要综合考虑各种因素，提出投入多少费用和避免多少损失的详细评估材料。

1 资料来源与方法

采用的跨坐式单轨交通的尺寸、位置及其基本情况等来源于重庆轻轨2号线；采用的ADTD（闪电定位）资料来源于重庆市防雷中心。根据IEEE和国家标准提供的雷电参数指标，采用数理统计，运用雷电灾害风险评估和安全评价的理论和方法，对重庆轻轨2号线防雷效益进行分析。

2 重庆轻轨2号线雷击风险评估

重庆轻轨2号线，东起市区商业中心较场口，西至大渡口区钢铁基地新山村，全长19km。以临江门站为例，计算其采取防雷保护措施前后人员生命损失风险值（R1）和经济价值损失风险值（R4）。

2.1 建筑物年预计雷击次数ND

重庆属高雷暴地区，根据气象资料得年平均雷暴日Td＝46.0天，则建筑物所处地区雷击大地的年平均密度Ng＝0.1，Td≈4.60次／（km2·a），计算得与建筑物截收相同雷击次数的等效面积Ad≈3.05×10－2km2则：

式中：

Cd——位置因子（在此类型情况下取2）；ND——年预计雷击次数，次／年。

2.2 雷击建筑物附近引起的年预计雷击次数NM

由于雷击建筑物附近的截收面积AM＝［LW＋2×250×（L＋W）＋π2502］×10－6＝2.69×10－1m2。式中L、W 分别为建筑长和宽。因此雷击建筑物附近引起的年预计雷击次数NM＝Ng（AM－AdCd）＝1.17次／年。

2.3 雷击入户设施及其附近引起的年预计雷击次数NL和NI

研发楼所在区域有埋地电源电缆、埋地电话通信线、埋地电视信号线。因此，雷击电源线、电话线、电视信号线的截收面积为：

式中：

Al——雷击服务设施的截收面积，m2；

Lc——建筑物与第一个节点之间的服务设施线路段的长度（最大值为1 000），m；

Ha——连接到服务设施“a”端的建筑物的高度，m；

Hb——连接到服务设施“b”端的建筑物的高度，m。

雷击电源线、电话线、电视信号线附近的截收面积为：

Ai为雷击服务设施附近的截收面积（m2）。

则，作用于各个入户设施上的雷电闪击次数为：

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 雷击损害概率

查表可知对应于R1人员生命损失的雷击损害概率P的数值为：

PA、PB、PU、PU、PSPD分别为雷击建筑物导致生物伤害、物理损害、内部系统失效的概率，以及雷击服务设施导致生物伤害的概率和雷击建筑物附近导致内部系统失效的概率。

2.5 损失量的评估

式中：

LA——建筑物户外距离建筑物3m以内的区域中与接触和跨步电压造成生物伤害有关的损失量；

LB——与建筑物内因危险火花放电触发火灾有关的损失量；

LV——与雷电流经过入户服务设施产生的物理损害有关的损失量；

LU——与建筑物内雷电流注入入户线路产生的接触电压造成人身伤害有关的损失量。

2.6 雷击风险分量

式中：

RA——建筑物户外距离建筑物3m以内的区域中与接触和跨步电压造成生物伤害有关的风险分量；

RB——与建筑物内因危险火花放电触发火灾有关的风险分量；

RU——与建筑物内雷电流注入入户线路产生的接触电压造成人身伤害有关的风险分量；

RV——与雷电流经过入户服务设施产生的物理损害。

2.7 风险组成及计算结果

风险R1在不同分区内的风险组成见表1。

风险计算结果如下：

其中：

表1 不同分区内风险组成一览表

2.8 选择防护措施

取典型的人员生命损失风险容许值RT＝1.0×10－5。在此情况下，Z2区R1＞RT（1.11×10－4＞1.0×10－5），因此，应对临江门站所在区域提供雷电防护措施。当选择保护级别为Ⅱ级的LPS（损害预防标准）时，雷击损害概率减小为：

PA＝0.01 PB＝0.05

PU＝PV＝PSPD＝0.02

所以，相对应的雷击风险分量的新值为：

所以，Z2区——R1＝RB＋RU＋RV≈2.43×10－6

其中：

在此情况下，Z2区 R1＜RT（2.43×10－6＜10－5），从而实现了对临江门站所在区域人员生命损失的保护。

2.9 经济价值损失

Z2区为避免R1人员生命损失而安装了具有Ⅱ级保护的LPS，R4经济价值损失的风险值为：

R4＝RB＋RC＋RM＋RV＋RW＋RZ≈4.56×10－4

其中：

3 效益评估

从重庆轻轨2号线沿线各个站点和区间采取防雷措施前后人员生命损失风险比较表（见表2），重庆轻轨2号线沿线各个站点和区间在未采取防雷保护措施的情况下，人员生命损失风险值（R1无保护）均超过风险典型值（R10＝1.0×10－5），R1无保护的平均值为8.75×10－5。其中，最大的李子坝站风险值达到了14.7×10－5，是风险典型值的14.7倍，最小的曾家岩站风险值1.08×10－5也大于风险典型值（见图1）。而在采取防雷措施后，各个站点和区间人员生命损失风险值均处于允许的人员生命损失风险值以内（见图2），平均减少了96.98%（见图3）。

从重庆轻轨2号线沿线各个站点和区间采取防雷措施前后经济价值损失风险比较表（见表2）来看，重庆轻轨2号线沿线各个站点和区间在未采取防雷保护措施的情况下，经济价值损失风险值（R4无保护）均超过风险典型值（R40＝1.0×10－3），R4无保护的平均值为2.43×10－2。其中，最大的佛图关至大坪区间风险值达到了4.91×10－2，是风险典型值的49.1倍，最小的杨家坪站风险值1.24×10－2也大于风险典型值（见图4）。而在采取防雷措施后，各个站点和区间经济价值损失风险值均处于允许的经济价值风险典型值以内（见图5），平均减少96.98%（见图6）。

表2 采取防雷措施前后人员生命损失风险值比较表

图1 无保护条件下人员生命损失风险值示意图

图2 保护后人员生命损失风险值减少示意图

图3 保护后人员生命损失风险值示意图

表3 采取防雷措施前后经济价值损失风险值比较表

图4 无保护条件下经济价值损失风险示意图

图5 保护后经济价值损失风险减少示意图

图6 保护后经济价值损失风险示意图

跨坐式单轨列车运行在PC（预应力混凝土）梁上，如果列车未采取防雷保护措施，当列车遭受临近雷击或自身遭受雷击时，列车内人员和电子设备均会产生损伤。表4、表5列出了一次雷击事故造成的人员伤害赔偿及设备损失费情况。

表4 人员伤害补偿费一览表万元／人

选取2006—2009年的重庆市ADTD系统的监测资料来分析轻轨2号线雷电活动情况。5km范围内各站年均闪电达到了惊人的12 862.75次，最大电流达到了300kA，平均电流达到了33.34kA，如未采取防雷保护措施，就会发生人员伤亡和设备损坏。同时，一旦跨坐式单轨遭受雷击事故，交通停顿或瘫痪，会使市民造成乘坐跨坐式单轨交通不安全的看法，对城市的形象也会产生负面影响。重庆轻轨2号线采取防雷保护措施后，从2006年运行至今，尚无一次雷击事故的发生，取得了良好的社会效益和经济效益。