高速铁路牵引供电系统雷电灾害风险评估及预警王海元

高速铁路牵引供电系统雷电灾害风险评估及预警王海元

王海元

（中国铁路青藏集团有限公司西宁供电段青海省西宁市810006）

摘要：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系统的一个重要组成部分。本文分析了高速铁路牵引供电系统雷电灾害风险评估及预警。

关键词：高速铁路；牵引供电系统；雷电灾害风险评估；预警；

雷电灾害已成为威胁高速铁路运行安全的重要因素，建立科学、系统、规范的高铁牵引网雷电风险评估系统，合理有效地指导高铁牵引网的防雷设计、运行和改造，具有十分重要的必要性和紧迫性。

一、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。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。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。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。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，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。

二、高速铁路牵引供电系统雷电灾害风险评估

1.雷击损害风险源。以往我国高铁牵引网设计规范中表征雷电风险源的参数主要依据气象雷暴日，无法准确描述雷电地闪密度和雷电流强度，也基本上无法定量反映牵引网沿线各段雷击损害风险。目前，电力行业已建成了覆盖全国除台湾省外33个省(市、自治区、特别行政区)、包含约500个雷电探测站的中国电网雷电监测网，经过多年运行积累了1012字节级雷电监测数据，通过这些数据可以统计分析得到详细、准确、真实的雷电密度和强度参数。我国高铁跨度非常大，为得到高铁线路走廊雷害风险源分布情况，可采用“线路走廊网格法”，将沿线等距离划分为若干网格，考虑到雷击地面感应雷的作用范围、雷电监测网定位误差以及工程实际需要，该网格沿线路横切面宽度选沿线左右各5km。风险源的发生频次可以以其密度来表示。

2.雷害风险评估等级。为反映牵引网雷害风险的高低，可通过设定风险参考标准，根据风险评估值与参考标准的关系确定风险等级。风险参考标准可选取高铁牵引网雷击跳闸率的设计值、实际运行值、评估结果平均值或运行管理部门规定值。风险等级的级数设定则根据风险评估结果的用途来定，如用于牵引网防雷的优化设计、运行管理、技术改造等。评估出的风险因子准确反映出决定防雷性能的主要因素，为采取针对性的有效防雷措施改善防雷性能提供了明确参考依据。。

3.雷击灾害风险评估。高速铁路牵引供电系统的雷击灾害风险值要将牵引变电所与接触网的不同部分的风险值相加才能得到总的风险值。通过相应的计算可以得出牵引供电系统每年遭受雷击的平均数不同部分遭受雷击影响的概率系数,以及相应部分遭受雷击之后所造成的损失数量。在评估雷击概率参数时,要将这些相关影响因素都考虑在内才能得出准确的计算结果,与实际发生的概率参数吻合。同时要考虑牵引供电系统所处位置对雷击概率的影响,因此雷击概率影响因素对于雷击概率的评估十分重要。牵引供电系统雷电灾害评估的重要组成部分是雷击灾害的损失量。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。雷击灾害损失量是对雷击之后的损失程度以及造成的后果进行的评估,主要考虑的因素是牵引供电系统的地位和作用以及高速列车因电击停运的时间。

三、高速铁路牵引供电系统雷电灾害预警

通过对牵引供电系统的雷电灾害风险评估,可以得到牵引供电系统的各个部分的雷击风险值,结合气象部门所提供的自然灾害相关信息就可以对牵引供电系统的雷击灾害进行预警。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，所造成的设备损坏越大，故障抢修所需要的时间越长，受影响的列车数越多，服务损失也就越大，雷击灾害风险则越高；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越大，雷击灾害风险则越高。气象部门能够为高速铁路部门提供详细的雷电灾害信息,对于雷电发生的时间、地点以及强度等进行详细分析综合评估所得的数据对灾害发生的概率以及损害程度进行评估在雷电灾害发生之前对灾害进行预警,使相关部门对灾害程度有一定的了解在灾害到来之前采取有效的防护措施做好紧急情况应急预案,减少雷击灾害对牵引供电系统的损害和对高速铁路列车运行情况的影响。

高铁牵引供电系统雷电灾害风险评估为牵引供电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：

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