高速铁路牵引供电系统雷电灾害风险评估及预警

第３５卷第５期　２　０　１　３年５月　铁　道　学　报　Ｖｏ１．３５　ＮＯ．５　Ｍａｖ　２Ｏ１３　ＪＯＵＲＮＡＩ　０Ｆ　ＴＨＥ　ＣＨＩＮＡ　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＯＣＩＥＴＹ　文章编号：１００１—８３６０（２０１３）０５—００２１—０６　高速铁路牵引供电系统雷电灾害风险评估及预警　程宏波　，　何正友　，　胡海涛　，　母秀清　，　王　斌　（１．西南交通大学电气工程学院，四川成都　６１００３１；２．华东交通大学电气工程学院，江西南昌　３３００１３）　摘要：高速铁路牵引供电系统极易受雷电等极端灾害天气的影响，雷击可导致牵引供电设备损坏、接触网停　电、高铁停运，由此引发巨大的财产损失。本文借鉴风险评估思想，分析影响牵引供电系统雷击风险的组成因素，　建立高速铁路牵引供电系统雷电灾害风险评估模型。同时，结合气象部门的雷电预警信息，实现对牵引供电系统　雷击灾害的提前预警。对合蚌高铁北城牵引供电所及其供电臂的分析表明：该方法可对牵引供电系统遭受雷击　损害的风险程度进行定量评估，确定具有高度雷击损害风险的系统和设备，从而为牵引供电系统的差异化防雷技　术提供参考。　关键词：高速铁路；牵引供电系统；雷击；风险评估；预警　中图分类号：ＴＭ９２２．３　文献标志码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｉ．ｉｓｓｎ．１。０１－８３６０．２０１３．０５．００４　Ｒｉｓｋ　Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｅａｒｌｙ　Ｗａｒｎｉｎｇ　ｏｆ　Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　Ｄｉｓａｓｔｅｒ　ｆｏｒ　Ｔｒａｃｔｉｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　Ｒａｉｌｗａｙ　ＣＨＥＮＧ　Ｈｏｎｇ　ｏ　，　ＨＥ　Ｚｈｅｎｇ～ｙｏｕ　，　ＨＵ　Ｈａｉ—ｔａｏ　，　ＭＵ　Ｘｉｕ—ｑｉｎｇ　，　ＷＡＮＧ　Ｂｉｎ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６　１　００３　１，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｅａｓｔ　Ｃｈｉｎａ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ　３３００１３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　ｒａｉｌｗａｙｓ　ａｒｅ　ｖｕｌｎｅｒａｂｌｅ　ｔｏ　ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｅｘｔｒｅｍｅ　ｗｅａｔｈｅｒ　ｄｉｓａｓｔｅｒｓ．Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　ｓｔｒｉｋｅｓ　ｍａｙ　ｌｅａｄ　ｔｏ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｄａｍａｇｅｓ，ｃａｔｅｎａｒｙ　ｏｕｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｓｔｏｐｐａｇｅ　ｏｆ　ｈｉｇｈ—　ｓｐｅｅｄ　ｔｒａｆｆｉｃ　ａｎｄ　ＳＯ　ｃａｕｓｅ　ｈｕｇｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｌｏｓｓｅｓ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　ｒｉｓｋｓ，ｔｈｅ　ｒｉｓｋ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｔｏ　ａｓｓｅｓｓ　ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　ｄｉｓａｓｔｅｒ　ｒｉｓｋｓ　ｏｆ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　ｒａｉｌｗａｙｓ．Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　ｗａｒｎｉｎｇ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ　ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｗａｓ　ａｌｓｏ　ｕｔｉｌｉｚｅｄ．Ｅａｒｌｙ　ｗａｒｎｉｎｇ　ｆｏｒ　ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　ｄｉｓａｓｔｅｒｓ　ｗａｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｂｅｉｃｈｅｎｇ　Ｔｒａｃｔｉｏｎ　Ｓｕｂｓｔａ—　ｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｆｅｅｄｉｎｇ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｈｅｆｅｉ—Ｂｅｎｇｂｕ　Ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　Ｒａｉｌｗａｙ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｂｙ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｍｏｄｅｌ，　ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｉｓｋ　ｏｆ　ｂｅｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｋ　ｂｙ　ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　ｃａｎ　ｂｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ａｎｄ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ａｎｄ　ｅ—　ｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｈｉｇｈ—ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　ｒｉｓｋｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ，ｔｈｕｓ　ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｔｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｓｙｓｔｅｍｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　ｒａｉｌｗａｙ；ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｓｙｓｔｅｍ；ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ；ｒｉｓｋ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ；ｅａｒｌｙ　ｗａｒｎｉｎｇ　牵引供电系统的正常运行对保证高速列车运行的　安全正点至关重要。由于大多数牵引供电设备置于室　外，且高速铁路接触网多架设于高架桥上，易受到雷电　系统的一个重要组成部分。　牵引供电系统的可靠性评估、防雷保护是铁路供　电研究的热点，但对于雷电灾害的影响评估及依据气　象预报进行的牵引供电系统灾害预警的研究则较少。　的影响。雷击会引起线路跳闸和设备损坏，影响牵引　供电系统的正常运行。因此评价雷电等极端灾害天气　对牵引供电系统运行的影响成为可靠的高铁调度管理　收稿日期：２０１１－０６—１１：修回日期：２０１２－１０—１５　基金项目：国家自然科学基金（Ｕ１１３４１０４，Ｕ１２３４２０３）；江西省青　年科学基金（２０１２２ＢＡＢ２１６０２６）　作者简介：程宏波（１９７９一），男，湖北随州人，讲师，博士研究生。　Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｉｔｉｎｇｂｏ＠１２６．ｃｏｍ　对牵引供电系统可靠性的影响研究多关注设备故障对　系统运行的影响ｌ】］，较少考虑雷电等外部灾害天气的　影响。牵引供电系统的防雷保护则主要集中于雷击过　电压原理的分析ｌ２。］及线路雷击跳闸率　ｌ研究。　目前，气象部门对雷电的监测、定位及预警研究较　多，且有成熟的雷电监测及预警系统投入使用　Ｊ。同　２２　铁　道　学　报　第３５卷　时，国家电网公司也建立自己的雷电定位与监测系　统Ｉ７］，并在监测数据的基础上利用统计方法进行电网　报服务系统，利用雷达、卫星、闪电定位、大气电场、探　空等资料，采用潜势预报和临近预报相结合的办法对　雷电这类强对流天气进行临近预报，预警的时效性从　雷害分布图的研究［８］，从地闪时空分布的基础数据出　发，对电网的雷害分布及等级进行划分。文献Ｉ－９］基于　改进的层次分析法建立了电网的雷害风险评估模型，　考虑雷电活动、地形地貌特征、线路结构和绝缘配置、　几分钟到十几小时，可为专业用户的公众服务行为、决　策行为、应急救援及其他重大活动提供所需的雷电预　警预报服务　引。作为重要的公共服务部门，铁路部门　可定制此类灾害天气预警预报信息，为牵引供电系统　的雷电灾害风险评估提供条件。　防雷措施的差异性等对线路和杆塔的雷害风险评估的　影响，为输电线路的雷击风险评估提供了较好的思路。　但其未考虑雷电灾害对变电所运行的影响。　牵引供电系统的雷电灾害风险评估在对雷电及其　灾害特征分析的基础上，对可能导致的牵引供电设备　损坏、接触网停电、高铁停运及所致财产损失的程度及　危害范围等综合进行风险评估。本文通过分析这些雷　击风险因素，建立高铁牵引供电系统雷击灾害风险评　估及预警模型，对牵引供电系统遭受雷击损害的风险　程度进行定量评估，确定该系统的薄弱环节，从而为牵　引供电系统设计和建设差异化防雷措施的确定提供依　据，为运行的防雷工作提供参考，为极端灾害天气下的　临雷预警及防护提供支撑口　“］，对提高牵引供电系统　在雷电环境下运行的可靠性具有重要意义。　ｌ　考虑雷电灾害影响牵引供电系统运行模拟　牵引供电网络沿铁路线分布，涉及地域广泛，受雷　电灾害影响概率较大。雷电灾害的形成因素复杂，对　牵引供电系统的侵袭具有“概率高、时间短、强度大、影　响广”的特点，若能在雷电灾害发生前据气象部门发布　的灾害预警信息对其可能造成的牵引供电系统损失进　行评估，则可能对由雷击引起的牵引供电系统故障进　行预测，并提早做好应对预案。　雷电灾害的风险评估与牵引供电系统的运行状态　间具有交互作用，对雷电灾害的风险评估需考虑到因　雷电造成牵引供电系统设备损坏、线路跳闸造成的损　失及列车停运所造成的社会经济损失。考虑雷电灾害　影响的牵引供电系统风险评估及预警系统见图１。　气象预警信息　雷电灾害风险评估模型　铁路应急管理预警系统　囊螽　Ｉ线路跳闸Ｉ　ｌ荐睾高行车的影响　　电维护１　ｊ　１　ｌ　１牵引供电系统动态仿真模型　图ｌ考虑雷电灾害影响的牵引供电系统　风险评估及预警系统示意图　气象预警信息应包含雷电发生的概率、剧烈程度、　密度和落区等。目前，气象部门已开发出雷电预警预　雷电灾害风险评估模型根据气象预警信息对雷电　可能对牵引供电系统运行造成的影响进行风险评估，　评估模型借鉴文献［１３—１４］的思想，确定牵引供电系统　易受雷击影响的危险区域；根据气象预警系统提供的　雷电发生概率、剧烈程度和落区等信息，对沿线牵引变　电所及接触网等牵引供电设备遭受雷击影响的程度进　行评估，确定雷击影响风险高的设备；为牵引供电部门　的日常维护、临灾处置、故障恢复提供参考。　除此以外，雷电灾害评估还可对由于雷击导致牵　引供电系统故障而引起的铁路行车影响进行评估，对　可能因雷击停电而延误的车次、延误时间进行估计，为　铁路的应急管理提供依据。　２　牵引供电系统雷击风险评估模型　２．１雷击风险组成　２．１．１雷击危险区域　牵引供电系统主要由牵引变电所和接触网两部分　组成。由于遭受雷击的原因和途径不同，将牵引供电　系统分为牵引变电所和接触网两部分进行分析，分别　确定其可能受到雷击放电危险影响的区域。　目前，牵引供电系统的自动化程度越来越高，各种　集成的电子和计算机设备已成为牵引供电系统正常运　行必不可少的保证，同时也更易受到雷电冲击电压和　冲击电流的影响而发生损坏。因而，牵引变电所雷击　危险区的确定不仅要考虑雷击对变电所一次设备的损　害，也要考虑雷电电压和电流通过传导耦合、磁耦合或　电耦合对变电所内电子设备所造成的损坏。综合考虑　雷击对变电所一次设备和电子设备的影响，可得到变　电所内的雷击危险区如图２所示。　（１）雷击变电所的截收危险区Ａ　Ａａ为变电所每年遭受直击雷次数的等效面积，与　变电所建筑物的空间尺寸及与周围建筑物的相对位置　等因素有关。　对于平地上的孤立建筑物，将其简化为立方体，以　一斜率为１／３的直线沿此立方体顶面的周长绕行一周　后，在地面所划出的面积即为截收危险区Ａ　。设该立　第５期　高速铁路牵引供电系统雷电灾害风险评估及预警　２３　方体的长、宽、高分别为Ｌ、ｗ、Ｈ，ｍ，则Ａ　＝ＬＷ＋６Ｈ　施，使实际发生危险影响的概率比理论计算值低。牵　（Ｌ＋Ｗ）＋９ｒｒＨ　。　对于一些形状复杂的建筑物，如突兀的屋顶，Ａ　可通过分部作图法准确得到＿１　。　（２）雷击变电所邻近区域的危险区Ａ　Ａ　指变电所周围地面遭受雷击时雷电流通过阻　性耦合或磁耦合可能对变电所电子设备产生危害的区　域。在此区域内，雷击造成１００　ｍ。的大地电场回路内　产生感应磁场，并产生大于或等于１．５　ｋＶ的过电压，　超过内部系统可承受的脉冲电压水平。Ａ　一般为变　电所建筑物周边延伸２５０　ｍ所形成的区域。　（３）雷击线路的危险区Ａ。　变电所的架空进线、馈线电缆等在遭受雷击时，会　产生过电压、过电流，沿线路进入设备引起危害。雷击　线路的危险区Ａ。与线路的长度及架设方式有关。　（４）雷击线路邻近区域的危险区Ａ　雷击变电所线路附近区域时，会在线路上产生感　应过电压、过电流，对沿线路分布的设备产生危害。将　线路的危险区Ａ定义为一个由线路长度Ｌ　和横向　距离Ｄ。所确定的范围，在此范围内，雷击线路邻近区　域会在此产生不低于１．５　ｋＶ的感应过电压。　Ａ。、Ａ．的计算方法见表１。　图２牵引变电所的雷击危险区域示意图　表１　不同线路特征下的Ａ。和Ａ；计算方法　表１中：Ｈ　为地上导线的高度，ｍ；ｐ为埋有电缆　区域地面的电阻率，Ｑ・ｍ；Ｌ　为从变电所建筑物到线　路第一分支点（如：高、低压电站）或至第一个浪涌保护　器（ＳＰＤ）安装处的长度，ｍ。　由于接触网与牵引变电所架空线路的形态相似，　接触网的雷击危险区的确定可参照变电所线路雷击危　险区计算方法，计算时要计入线路高架桥的高度。　２．１．２概率系数及影响因子　牵引供电系统会采取一些减弱雷电影响的防护措　引供电系统对雷电影响的减弱特性包括：　（１）建筑物和设备固有的保护特性，如建筑物的　钢筋、具有绝缘保护层的电缆、无金属的光纤等。　（２）所采取的雷电防护措施，如采用雷电防护系　统（ＬＰＳ），在线路上安装避雷器等浪涌保护器件等。　（３）建筑物的防雷接地和设备电磁兼容措施等。　为此，在风险评估中引入相关因素的概率系数，以　使计算结果更贴近实际。　此外，牵引供电系统是否易受雷击还受到所处位　置的影响，如：处于被其他物体或树木包围的环境与处　于山顶的孤立位置，其所受雷击的可能性不同。因此　引入有关影响因子。牵引供电系统需考虑的概率系数　及影响因子见表２。　表２雷电灾害评估需考虑的概率系数与影响因子　概率系数和影响因子的取值可参考文献［－１３￣的方　法。　２．１．３雷击灾害损失量　雷击相对损失量用于表示雷击对牵引供电系统损　害的程度及造成的后果。对于牵引供电系统，其值取　决于下列因素：　牵引供电系统所在线路的类型及重要性；列车运　行受雷击影响而停留的时间。　对于高速铁路牵引供电系统，主要考虑以下２种　雷击损失：　（１）雷击导致的服务损失　雷击导致服务损失的年平均相对量　Ｌｓ一（ｎ／ｎ　）×（ｔ／８７６０）　（２）　式中：　为受雷击影响的列车数目；　为应运行的列车　总数；ｔ为每列车每年途径危险区域时间，ｈ。　（２）设备损坏导致的损失　设备损失的年平均相对量　ＬＤ—ｂ／ｂ　（３）　式中：ｂ为估算的牵引供电系统损失平均值，用货币单　２４　铁　道　学　报　第３５卷　位表示；ｂ　为牵引供电系统设备的总价值，用货币单位　表示。在　、　和ｔ不确定或难以确定时，可采用文献　对方案，通过有针对性的应急处理缩短雷击故障停电　的时间，从而减小因雷击导致的服务损失和设备损坏，　减少雷击危害的影响。　雷击损坏的危害程度和雷击的剧烈程度、线路的　Ｄ３３的推荐值进行计算。　因雷击牵引供电系统导致的总相对损失量　ＬＬ—Ｌｓ＋ＬＤ　（４）　等级、运行情况有一定关系。雷击程度越剧烈，所造成　的设备损坏Ｌ。越大，故障抢修所需要的时间越长，受　２．２雷击灾害风险评估　牵引供电系统的雷击灾害风险为牵引变电所和接　影响的列车数越多，服务损失Ｌ　也就越大，雷击灾害　触网不同部分风险的总和　Ｒ一　Ｒ　Ｊ∈Ｔ　Ｊ　１　式中，Ｔ为整个牵引供电系统各子部分的集合。　每个风险组成部分Ｒ，一ＮＰ，Ｌ　，其中：Ｎ为牵引　供电系统遭受雷击的年平均次数，Ｐ　为系统第Ｊ部分　遭受雷击影响的概率系数，Ｌ，为该部分因雷击而引起　的损失。　雷击牵引变电所建筑物的年度平均次数　ＮＤ—Ｎ　Ａ　ｄ　Ｃｄ×１０　式中：Ｎ　为雷对地闪击的密度，次／（ｋｍ　・ａ　），可由　气象部门的雷电自动监测定位系统获得。　同理，雷击牵引变电所建筑物邻近区域的年度平　均次数ＮＭ—Ｎ　Ａ　ｘ　１０＿。。；雷击线路的年度平均次　数Ｎ　一Ｎ　Ａ　Ｃ　Ｃ　×１０一；雷击线路邻近区域的年　度平均次数Ｎ　一Ｎ　Ａｉ　Ｃ　×１０～。　雷击牵引供电系统导致灾害的风险为　Ｒ一［ＮＤ（ＰＡ＋ＰＢ＋Ｐｃ）＋Ｎ　ＰＭ＋　ＮＩ．（Ｐｕ＋Ｐｖ＋Ｐｗ）＋Ｎ　Ｐｚ］Ｌ　（５）　如有必要，可将风险评估分区域分项进行，确定出雷电　灾害风险中比例较大的项，从而可有针对性地采取防　雷措施。如：雷击接触网导致的风险　ＲＪ—Ｒｕ＋Ｒｖ＋Ｒｗ＋Ｒｚ　ｆＲｕ＝ＮＬＰｕＬｕ　ｌＲｖ—ＮＩ　ＰｖＬｖ　ＩＲｗ—ＮＬＰｗＬｗ　ＩＲｚ一（Ｎ　一ＮＬ）ＰｚＬｚ　式中：Ｒ　、Ｒ、，、Ｒｗ分别为雷击接触网导致人身伤害、　一次设备损害、二次系统失效的风险；Ｒ　为雷击接触　邻近区域而引起的牵引供电系统设备损坏的风险。　２．３雷击灾害预警　利用建立的雷击灾害风险评估模型，可对牵引供　电系统日常运行时各部分的雷击风险进行评估。若结　合气象部门雷电灾害预警信息所提供的雷电时间、地　点、烈度等信息，可对牵引供电系统将要遭受的雷击危　害风险程度进行评估。利用评估的结果确定损害的程　度、影响的范围、可能造成的损失等，可在雷击将要发　生之前对其进行预警，提前采取防护措施，提早制定应　风险则越高；线路等级越高，运行越繁忙，受雷击影响　的列车数越多，因雷击而导致的服务损失Ｌ　越大，雷　击灾害风险则越高。因此，在雷击风险评估模型中引　入雷击灾害损失函数：Ｌ—Ｌ　ｆ（ｋ，Ｐ），其中，ｆ（ｋ，Ｐ）为　线路等级忌和雷击强度ｅ的函数。　接收到气象部门的雷电预警信息后，可将预警的　雷电强度代入损失函数，对雷电影响范围内各条线路　进行风险评估，确定运行风险高的线路和区段；将评估　结果送人牵引供电系统动态仿真模型，对遭受雷击后　可能的运行情况进行模拟，确定由此导致的故障范围、　故障影响的线路、故障可能的损失程度等，据此采取相　应的运营和维修对策，以减小雷击灾害造成的损失。　３雷击灾害风险评估实例　以合蚌高铁北城牵引变电所及其供电臂为例。该　（ａ】牵引变电所　（ｂ）接触网　图３北城牵引变电所及接触网连接断面示意图　变电所进线电压为２２０　ｋＶ，进线间隔采用中型布置，　牵引变压器采用单相Ｖ／Ｖ接线方式，控制室和高压室　并列布置，馈线采用铠装电缆。该牵引变电所及接触　网连接关系的一个断面如图３所示。　该变电所远离建筑和树木，位置影响因子Ｃ　一１；　变电所内的土壤电阻率ｌ０—４００　Ｑ・ｍ。牵引变电所给　复线接触网供电，接触网的结构见图３（ｂ），两线路之　第５期　高速铁路牵引供电系统雷电灾害风险评估及预警　２５　间的线间距为４．６　ｒｎ，供电臂的长度为５Ｏ　ｋｍ；接触网　除在某些特殊位置装设避雷器外，每个锚段内都装设　避雷器，避雷器之间的线路长度为２　ｋｍ；该地区的雷　对地闪击密度Ｎ　一４次／（ｋｉｎ。・ａ＿－）。计算得到各部　分危险区域的面积及危险事件的年平均次数见表３。　表３雷击危险区域面积及危险事件的年平均次数　线　路　建筑物　进线　馈线电缆　接触网　Ａｄ／ｍ　３　７２１　Ａｌ／ｍ　２　５２９　３　２８１　２１２　０００　Ｎｄ／０：０．０１４　９　Ｎｔ／次０．００２　０　０．Ｏ１３　１　０．８４８　０　Ａ　／ｍ　２２　９３０　Ａ，／ｍ　２０　４００　２０５　１００　２　ＯＯＯ　０００　ＮＭ／次０．９１７　２　Ｎ。／次０．０１６　３　０．８２０　４　１．６００　０　变电所内采用了有效的雷电防护措施，安装有避　雷针进行保护，控制室和通信室内的设备都经过电磁　兼容性（ＥＭＣ）测试；馈线采用的铠装电缆具有较好的　屏蔽特性，馈线上装有避雷器，与馈线相连的设备可承　受的脉冲过电压较高；而保护线、架空地线对接触网有　一定的屏蔽作用，与馈线相连，馈线上的防护对接触网　区　懵忸　４　３　２　一样有用；据此确定的各部分概率系数见表４。　表４北城牵引变电所雷击损失的概率系数　线　路　概率系数　建筑物　概率系数　变电所进线馈线电缆　接触网　ＰＡ　０．０１０　Ｐｕ　０．０６０　０．０４０　０．０６０　ＰＢ　０．０２０　Ｐｖ　０．０４０　０．０４０　０．０４０　Ｐｃ　０．０２０　Ｐｗ　０．０５０　０．０５０　０．０５０　ＰＭ　０．０１０　Ｐｚ　０．Ｏ０６　０．Ｏ０６　０．００６　每天通过该区间的列车数为３０对，列车发车间隔　１５　ｒａｉｎ，每列车在该供电臂范围内的途径时间为３０　ａｒｉｎ，则３０对列车每天在危险区的途径时间为７．５　ｈ，　每年在危险区的途径时间为７．５×３６５　ｈ。设雷击引　起的停电时间为１　ｈ，则由于雷击导致的牵引供电系　统服务相对损失量为　Ｌ　一（　０／８７６ｏ）一矗×　－０．０４１７　由于雷击损坏导致的设备相对损失量根据文献［１３］　取其推荐值Ｌ。＝ｂ／ｂ　一０．００１。　则雷击牵引供电系统并由此导致的经济损失风险　如表５所示，牵引变电所和接触网因不同原因导致的　雷击损害风险如图４所示。　由图４可见，牵引变电所的雷击风险较小，变电所　总的雷击灾害风险　Ｒｓ一　（０．４１７４＋０．０１２＋０．２６０４）×１０－　＝＝＝０．６８９８×１０　表５雷击牵引供电系统各部分导致损失的风险　１Ｏ　变电所　风险　接触　风险　高压室、项　控制室　项　　进线　息　馈线电缆　项　网　ＲＢ　０．０１２　７　ＲＶ　０．００３　５　０．０２２　４　Ｒｖ　１．４４８　０　Ｒｃ　０．０１２　７　ＲＷ　０．００４　３　０．０２８　０　Ｒｗ　１．８ｌ０　０　ＲＭ　０．３９２　０　Ｒｚ　０．００４　２　０．２１０　０　Ｒｚ　０．４０９　９　合计０．４１７　４　合计０．０１２　０　０．２６０　４　合计　３．６６７　９　变电所　接触网　■雷直击引起一次设备损坏；　口雷直击引起二次设备损坏：　Ｏ　唧雷击邻近区域引起设备损坏；　幽总的雷击风险值。　图４牵引供电系统各部分的雷击风险　变电所可承受的雷击风险Ｒ　一１０＿’，Ｒｓ＜Ｒ　，风　险在可承受的范围内，且变电所的雷击风险主要由雷　击变电所邻近区域所产生的感应电压对变电所内电子　控制设备产生损害而引起；而接触网是整个牵引供电　系统中雷击灾害风险最大的部分，接触网因雷击导致　的灾害风险Ｒ　一３．６６７９×１０　＞ＲＴ，超过可承受的　风险范围。由表５可见，因雷击接触网导致的一次供　电设备和二次控制设备的损坏为主要因素，分别占整　个风险的３９．５％和４９．３　，而雷击接触网邻近区域导　致的损坏相对较小。　设高架桥的高度为Ｈ　，则接触网遭雷击的风险　与Ｈ　之间的关系为　ＲＬ一（Ｏ．１８４５ＨＢ＋１．８２４２）×１０　可见无法仅通过降低高架桥的高度使接触网雷击　的风险控制在可承受的风险范围内，必须采取综合措　施来降低因雷击接触网而导致的高铁运行风险，如：增　设屏蔽、提高雷电防护等级、提高与接触线相连设备承　受脉冲过电压的水平、增强二次设备电磁兼容能力、制　定抢修预案以缩短停电抢修时间等。　４　结论　我国的高速铁路多采用电力牵引，机车供电的接　触网多架设于高架桥上，且高铁线路途经区域多为雷　电高发区，使得我国高铁线路的运营受雷电的影响较　ｌ　２６　铁　道　学　报　第３５卷　为严重。引入风险评估机制建立了高铁牵引供电系统　雷击灾害风险评估的模型。通过确定牵引供电系统各　部分雷击危险区的大小、考虑防雷措施对雷击灾害的　防护效果、结合线路情况确定雷击可能造成的损失，从　预警［Ｊ］．自然灾害学报，２０１０，１（６）：１５３—１３９．　ＹＡＮＧ　Ｓｈｉ—ｇａｎｇ，ＺＨＡＯ　Ｇｕｉ—ｘｉａｎｇ，ＰＡＮ　Ｓｅｎ，ｅｔ　ａ１．Ｓｐａ—　ｔｉｏｔｅｍｐｏｒａｌ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｅａｒｌｙ　Ｗａｒｎｉｎｇ　ｏｆ　Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　Ｄｉｓａｓｔｅｒ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎａｔｕｒａｌ　Ｄｉｓａｓ—　ｔｅｒｓ，２０１０，１（６）：１５３－１３９．　而对高铁牵引供电系统各部分遭受雷击损害的风险程　度进行定量评估。在此基础上，结合气象部门的雷电　预警信息，最终实现对牵引供电系统雷击灾害的提前　预警。　［７１陈家宏，张勤，冯万兴，等．中国电网雷电定位系统与雷　电监测网［Ｊ］．高电压技术，２００８，３４（３）：４２５—４３１．　ＣＨＥＮ　Ｊｉａ—ｈｏｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｑｉｎ，ＦＥＮＧ　Ｗａｎ－ｘｉｎｇ，ｅｔ　ａ１．　Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　Ｌｏｃａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　Ｎｅｔ—　高铁牵引供电系统雷电灾害风险评估为牵引供电　ｗｏｒｋ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｒｉｄ［Ｊ￣．Ｈｉｇｈ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　系统的差异化防雷技术提供基础，对保证高铁牵引供　电系统的安全稳定运行具有重要意义。结合气象预警　信息进行的雷电灾害预警可为高铁运行的应急管理提　供依据，从而有利于提高高速铁路运营管理水平。　考虑雷电影响的牵引供电系统风险评估及预警是　具有挑战性的研究课题。不同气象条件影响下的牵引　供电系统动态建模、雷电对牵引供电系统的动态作用　规律及相关仿真程序的设计等还需进一步深入研究。　参考文献　Ｅｌｉ张小瑜，吴俊勇．高速铁路牵引供电系统的供电可靠性评　估方法ＥＪ］．电网技术，２００７，３１（２Ｏ）：２７—３２．　ＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｙｕ．ＷＵ　Ｊｕｎ－ｙｏｎｇ．Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｔｒａｃｔｉｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｈｉｇｈ　Ｓｐｅｅｄ　Ｒａｉｌｗａｙ［１］．Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７，３１（２０）：２７—　３２．　［２］张雪原，吴广宁，王万岗，等．高速铁路接触网雷电过电　分析［ｃ］／／２ｏｏ８全国博士生学术论坛电气工程论文集．成　都：西南交通大学出版社，２００８：１４７３—１４７８．　［３］周歧斌，边晓燕，傅正财．香港地区电气化铁路直流电力牵　引系统电力电缆的雷电过电压分析［Ｊ］．中国铁道科学，　２００９，３０（４）：９１－９５．　ＺＨＯＵ　Ｑｉ～ｂｉｎ，ＢＩＡＮ　Ｘｉａｏ—ｙａｎ，ＦＵ　Ｚｈｅｎｇ—ｃａｉ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　Ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃａｂｌｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＤＣ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｔｒａｃｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｅｌｅｃｔｒｉｆｉｅｄ　Ｒａｉｌｗａｙ　ｉｎ　Ｈｏｎｇ　ＫｏｎｇＥＪ］．Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００９，３０（４）：９１—　９５．　［４］夏宝哲．电气化铁道牵引变电所防雷保护研究［Ｊ］．铁道学　报，１９９０，１２（４）：１５－２２．　ＸＩＡ　Ｂａｏ—ｚｈｅ．Ａ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｅｌｅｃｔｒｉ—　ｌｆｅｄ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｔｒａｃｔｉｏｎ　Ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｆ，Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，１９９０，１２（４）：１５—２２．　Ｅｓ］郭小霞，樊春雷．高速铁路雷击跳闸率的研究［Ｊ］．电气化　铁道，２Ｏ１１，（６）：２９—３１．　ＧＵＯ　Ｘｉａｏ—ｘｉａ，ＦＡＮ　Ｃｈｕｎ－ｌｅｉ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　Ｏｕｔａｇｅ　Ｒａｔｅ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　Ｒａｉｌｗａｙ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｉｆｉｅｄ　Ｒａｉｌ—　ｗａｙ，２Ｏ１１，（６）：２９—３１．　［６］杨世刚，赵桂香，潘森，等．我国雷电灾害时空分布特征及　２００８，３４（３）：４２５—４３１．　Ｅ８］陈家宏，王剑，童雪芳，等．电网雷害分布图研究［Ｊ］．高电　压技术，２００８，３４（１０）：２０１６－２０２１．　ＣＨＥＮ　Ｊｉａ—ｈｏｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｊｉａｎ，Ｔ０ＮＧ　Ｘｕｅ—ｆａｎｇ，ｅｔ　ａ１．　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｒｉｄ　Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　Ｈａｚａｒｄ　Ｍａｐｓ［Ｊ］．Ｈｉｇｈ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００８，３４（１０）：２０１６－２０２１．　［９３赵淳，陈家宏，王剑，等．电网雷害风险评估技术研究［Ｊ］．　高电压技术，２０１１，３７（１２）：３０１２—３０２１．　ＺＨＡ０　Ｃｈｕｎ，ＣＨＥＮ　Ｊｉａ－ｈｏｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｊｉａｎ，ｅｔ　ａ１．Ｒｅ—　ｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　Ｄｉｓａｓｔｅｒ　Ｒｉｓｋ　Ａｓｓｅｓｓ　ｍｅｎｔ　ｆｏｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｈｉｇｈ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　２０１１，３７（１２）：３０１２－３０２１．　［１ｏ］张恒旭，刘玉田．极端冰雪灾害对电力系统运行影响的综　合评估［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１１，３１（１０）：５２—５８．　ＺＨＡＮＧ　Ｈｅｎｇ—ｘｕ，ＬＩＵ　Ｙｕ—ｔｉａｎ．Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　Ａｓｓｅｓｓ—　ｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｘｔｒｅｍｅ　Ｉｃｅ　Ｄｉｓａｓｔｅｒ　Ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＣＳＥＥ，２０１１，３１（１０）：　５２—５８．　，ｆｌ１］薛禹胜，费圣英，　凡强．极端外部灾害中的停电防御系　统构思：（一）新的挑战与反思［Ｊ］．电力系统自动化，　２００８，３２（９）：１－６．　ＸＵＥ　Ｙｕ－ｓｈｅｎｇ，ＦＥ１　Ｓｈｅｎｇ—ｙｉｎｇ，ＢＵ　Ｆａｎ—ｑｉａｎｇ．Ｕｐｇｒａ　ｄｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｂｌａｃｋｏｕｔ　Ｄｅｆｅｎｓｅ　Ｓｃｈｅｍｅ　Ａｇａｉｎｓｔ　Ｅｘｔｒｅｍｅ　Ｄｉｓ—　ａｓｔｅｒｓ：ｐａｒｔ　Ｉ　Ｎｅｗ　Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ　ａｎｄ　Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ａｕｔｏ—　ｍａｒｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ，２００８，３２（９）：１－６．　，ｆ１２］姚叶青，袁松，张义军，等．利用闪电定位和雷达资料进行　雷电临近预报方法研究ｆ－ｊ］．热带气象学报，２０１１，１２（６）：　９０５－９１１．　ＹＡＯ　Ｙｅ—ｑｉｎｇ，ＹＵＡＮ　Ｓｏｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｙｉ—ｊｕｎ，ｅｔ　ａ１．Ａ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　Ｎｏｗｃａｓｔｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄ　Ｕｓｉｎｇ　ＬＤ－Ｉ１　ａｎｄ　ＣＩＮＲＡＤ－ＳＡ　Ｒａｄａｒ　Ｄａｔａｆ，Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｔｒｏｐｉｃａｌ　Ｍｅｔｅｏｒ—　ｏｌｏｇｙ，２Ｏ１１，１２（６）：９０５—９１１．　［１３］Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏ—ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ．ＩＥＣ６２３０５．２—　２００６　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　Ａｇａｉｎｓｔ　Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ［Ｓ］．Ｇｅｎｅｖａ：Ｉｎｔｅｒｎａ—　ｔｉｏｎａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏ—ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ，２００６．　［１４１中华人民共和国标准化管理委员会．ＧＢ／Ｔ　２１７１４．２－２００８　雷电防护［ｓ］．北京：中国标准出版社，２００８．　（责任编辑武晓明）