高铁站雷电灾害风险分析与防护*

刘 波, 朱曦嵘, 杨 群, 曾 勇

(1.贵州省防雷减灾中心, 贵州 贵阳 550002)2.黔西南州气象局, 贵州 兴义 562400)



高铁站雷电灾害风险分析与防护*

刘 波1, 朱曦嵘2, 杨 群1, 曾 勇1

(1.贵州省防雷减灾中心, 贵州 贵阳 550002)2.黔西南州气象局, 贵州 兴义 562400)

分析了贵阳高铁站项目所处区域的雷电环境和土壤泄流性能,结合项目场址、地形地貌、建筑物相关性能参数等,计算了高铁站的雷电灾害风险,并分析了高铁站风险高的原因。提出了高铁站雷电灾害防护的相关措施,以减少或避免高铁站雷电灾害风险,科学指导高铁站的防雷设计。

高铁站; 雷电环境; 雷电灾害风险; 防雷措施

0 引 言

高铁站人员密集、流动性大,站房内供电系统、通信和信号设备及其他控制系统较多,智能化程度高。雷电对高铁站房的直接雷击,可造成建筑物受损,引发车站内工作人员、旅客的伤亡。同时,雷击放电引发的雷击电磁脉冲过电压和过电流经站场电源系统、通信信号传输通道,通过感应、传导的方式损坏站内通信信号设备及网络通信设备,致使列车运营中断,旅客滞留,直接威胁铁路正常的安全运输[1-2]。

1 项目概况

贵阳高铁站位于贵阳市老城区与观山湖区之间的三桥马王庙片区,车站设到发线32条(含4条不靠站台正线),15个站台共28个站台面,其中西侧为基本站台,东侧为侧式站台。该高铁站总建筑面积为118 525 m2,主要为建设站房、无站台柱雨棚、站台、高架落客平台、高架车道(不含匝道)及配套设施。站房东西全长为418 m,南北全长为236 m,高为38.10 m,共分地下出站层、地上出站层、高架层,局部设计夹层,无柱雨棚投影面积为82 160 m2,车站东西广场面积为354 010 m2(含东西广场地面、地下面积),由站房平台、旅客集散场地、市内交通机动车场站、绿化景观场地组成,高架及落客平台投影面积为36 172 m2。

该高铁站拟建场地南面低,北、西、东面高,东面紧邻黔岭山脉,地形坡度为5°～15°,地面标高度为1 228～1 270 m,相对高度42 m左右,海拔高度为1 258～1 275 m。

2 雷电环境与土壤泄流分析

本文分别从贵阳高铁站所处区域的雷电相关参数、土壤结构出发,分析了高铁站的雷电环境和土壤泄流性能,为雷电灾害风险分析提供依据[3-4]。

2.1 雷电环境分析

贵阳市雷暴日的年月变化如图1所示。

图1 贵阳市雷暴日的年月变化

由图1可见,贵阳市年平均雷暴日为54 d,月平均雷暴日超过4 d,雷电主要发生在4～8月,1979年雷暴日最多,为68 d;1990年雷暴日最少,为37 d。初雷日最早为1月1日(1987年),终雷日最晚为12月27日(2004年),初终间跨度最长的年份为2004年,从1月10日至12月27日。

贵阳市平均地闪强度分布如图2所示。由图2可见,贵阳市最大雷电流强度为244.47 kA,平均闪电强度为38.09 kA,地闪强度0～20 kA、20～50 kA、50～100 kA、100～200 kA、200 kA以上的概率分别为40.24%、47.32%、10.46%、1.67%、0.31%。

图2 贵阳市平均地闪强度分布

据统计,贵阳市地闪密度为4.1次/(km2·a)。贵阳高铁站中心位置5、3、1 km半径范围内地闪密度分别为5.0、5.1、5.1次/(km2·a)。根据高铁站的规模综合考虑,本文采用项目3 km半径范围的地闪密度进行雷电灾害风险分析。

2.2 土壤泄流分析

土壤电阻率是影响接地电阻大小最关键的因素,直接关系到雷击时雷电流泄流性能。利用SYSCAL Junior土壤电阻率测试仪对该高铁站所处区域的土壤电阻率进行了测量,测量方法为温纳四极法,当电极间距分别为1、5、9、13、17、21、25、29 m时,区域土壤电阻率分别为129.8、271.4、344.6、494.8、774.5、858.3、869.6、1 144.2 Ω·m。利用CDEGS软件REASP模块对数据进行了反演分析,区域土壤结构分层模型如图3所示。

图3 区域土壤结构分层模型

图3中,该高铁站所处区域土壤拟合模型为水平两层结构,第一层(0～3.43 m)平均土壤电阻率值为131.99 Ω·m;第二层(3.44～30.00 m)平均土壤电阻率值为1 967.99 Ω·m,分层拟合结果的均方根误差为7.33%,土壤反射系数为0.006。

综上所述,该高铁站区域属高土壤电阻率区域,不利于雷电流泄放。

3 雷电灾害风险分析

3.1 风险计算

对贵阳高铁站站房及相关配套设施因雷电造成的人员伤亡风险进行分析,主要参数为工程所属行政区及场址的雷电活动主要特征、土壤电阻率、站房内部电磁场强度、屏蔽网格尺寸、站房接地电阻、电涌保护器(Surge Protective Device,SPD)标称放电电流、电子信息系统雷电防护等级,主要依据为QX/T 85—2007《雷电灾害风险评估技术规范》、DB52/T 805—2013《贵州省雷电灾害风险评估技术》等标准。站房雷电灾害风险计算的相关参数如表1所示。

经过计算,各区域人员雷电灾害风险值如见表2所示。

由表2可知,站房及配套设施的人身伤亡风险值超过QX/T 85—2007规定的可容许风险值(1.00E-05),不能满足雷电防护,需采取措施降低雷电灾害风险。站房及配套设施的雷电灾害风险主要来源于线路风险,需加强雷电波入侵和雷电电磁感应防护。

3.2 降低风险的措施

3.2.1 雷电波入侵防护

(1) 配电系统:站房内10/0.4 kV配电所采取防雷电波入侵措施。在变压器高压侧安装间隙型避雷器,并装设继电保护装置。高铁站配电系统线路复杂,且配电系统不可中断,为了做好雷电波入侵的防护,需优化相关参数的设计,原则为在雷电有可能入侵的各个关口“层层设防”,并按通流量逐级递减设计。低压配电线路应采用四级SPD防护,在10/0.4 kV配电所变压器低压侧安装第一级,通流量≥15 kA(10/350 μs)或60 kA(8/20 μs);在入户处分配电柜(箱)安装第二级,通流量≥40 kA(8/20 μs);第三级通流量≥20 kA(8/20 μs);第四级通流量≥10 kA(8/20 μs)。

表1 雷电灾害风险计算的相关站房参数

参数描述数值地面类型ra混凝土层1.00E-02火灾防护r火灾报警系统、灭火器、消防栓等5.00E-01特殊危险h高级别恐慌1.00E+02火灾风险rf中1.00E-02电击防护PA等电位措施1.00E-02LPS屏蔽KS1LPS构成自然网格2.16空间屏蔽KS2LPS构成自然网格2.16内部系统P1+S1—R1型电击损失Lt是1.00E-02R1型物质损失Lt公共1.00E-02R1型建筑损失Lo——现场人员数量n—n≥1000

表2 各区域人员雷电灾害风险值

区域RARBRU(P1)RV(P1)RU(S1)RV(S1)R站房区5.85E-081.46E-061.22E-052.09E-051.30E-052.50E-057.26E-05东站台区2.99E-059.47E-068.26E-076.02E-079.31E-076.41E-074.24E-05西站台区3.79E-059.47E-068.25E-074.12E-079.26E-074.63E-075.00E-05售票厅5.90E-091.47E-078.66E-068.32E-061.09E-061.04E-052.86E-05候车室1.05E-082.64E-052.59E-061.30E-063.42E-061.71E-063.54E-0510kV开闭所6.60E-091.65E-071.80E-064.02E-062.63E-065.31E-061.39E-05信息设备间5.64E-091.41E-071.61E-068.07E-062.44E-071.22E-061.13E-05设备监控中心2.19E-095.48E-081.06E-065.31E-062.02E-061.01E-051.85E-05

(2) 电子信息系统:雷电防护等级分别按A、C、D级设计。通信和信号系统的雷电防护等级应按A级设计;火灾自动报警、电梯控制等系统的雷电防护等级应按C级设计;空调系统的雷电防护等级应按D级设计。

3.2.2 雷电电磁感应防护

通信和信号、火灾自动报警、电梯控制、空调等电子信息系统的设备间应采取屏蔽措施,采用宽0.1 m的屏蔽网格时,设备离墙壁距离不小于0.5 m或居中放置。采用宽0.2 m的屏蔽网格时,设备离墙壁距离不小于1.0 m或居中放置。

采用上述措施后,再对表2的各区域进行雷电灾害风险计算,结果表明各区域的雷电灾害风险均控制在可容许范围内。

3.3 雷电防护重点

高铁站雷电防护重点是站房区域建筑物(站房主体建筑、站台雨棚)、通信塔、馈线的直击雷防护措施;室内供配电系统、通信与信号系统及其他电子信息系统的雷电感应和雷电波入侵防护措施;整个铁路沿线各站场建筑、设施、线路、金属护栏的雷电防护措施。另外,站场外广场、车站也应当考虑工程性或非工程性雷电防护措施。

4 结 语

本文分析了贵阳高铁站所处区域的雷电环境、泄流性能,并结合项目场址、地形地貌、建构筑物相关性能参数等,进行高铁站的雷电灾害风险计算,提出了降低雷电灾害风险的相关措施,以期为类似高铁站项目提供参考。

[1] 陈渭民.雷电学原理[M].北京:气象出版社,2007.

[2] 严春银,胡久涛.电网雷击风险评估及其法律制度研究[J].电网技术,2006(S1):38-40.

[3] 葛谦,侯勇.某客运站雷电风险评估分析及雷电防护完善措施[J].广东科技,2007(7):135-137.

[4] 吴超.轨道交通防雷、防静电检测技术[J].现代建筑电气,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

刘 波(1985—),男,工程师,从事雷电防护技术与应用方面的工作。

朱曦嵘(1985—),男,工程师,从事防雷减灾技术与应用方面的工作。

杨 群(1981—),女,工程师,从事防雷减灾技术与应用方面的工作。

贵州省气象局青年基金项目[黔气科合QN[2015] 17号]

TU 856

B

1674-8417(2016)08-0066-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.08.016

2016-02-25