牵引变电所雷击灾害风险评估*

2012-01-17程宏波

城市轨道交通研究 2012年12期

程宏波伦利

(华东交通大学电气工程学院，330013，南昌∥第一作者，讲师)

牵引变电所是轨道交通牵引供电系统的重要环节。它完成变压、变相和向牵引网供电等功能，并实现三相交流一次供电系统与单相电力牵引系统的接口与系统变换［1］。作为电气化轨道交通能量来源的重要中转站，牵引变电所的安全可靠运行对保证线路正常运行至关重要。

雷击是一种强烈的放电现象，会造成牵引变电所供电设备损坏。特别是在当前牵引供电系统自动化程度逐步提高，以及越来越多的电子和计算机设备被应用在牵引变电所的保护、测量、监视和控制的情况下，牵引变电所的运行更易受到雷击的影响。作为提供公共服务的基础设施，牵引变电所遭受雷击将引起接触网停电、列车停运，会对整个行车带来影响，从而造成巨大的经济损失和不良的社会影响。

雷击灾害风险评估是指为了衡量雷击风险而进行的评价和估算［2］。牵引变电所雷击风险是指由于雷击造成的牵引供电设备损坏、牵引供电能力丧失、运输停止而导致的经济损失风险。对牵引变电所进行雷击灾害风险评估将有利于掌握牵引变电所遭受雷击损害的风险程度，确定雷击危险区域，为制定合理、有效的雷电防护措施提供依据，从而降低或消除雷电对电气化铁路生产活动的影响以及由此而带来的社会经济损失。由于雷电对人们生活的危害巨大，对雷击灾害风险评估的研究越来越受到人们的重视。但目前的研究还处于起步阶段，多集中于气象因素的分析［3］、雷击跳闸率的研究［4］、电网的雷害分布［5］等。文献［6］则对电网的雷害风险评估技术进行了研究，但只考虑了杆塔和输电线路，对为输电线提供电能的变电所则未加考虑。

本文借鉴 IEC 62305.2—2006［7］中的雷击风险评估方法和原理，结合变电所防雷的相关技术措施，建立了牵引变电所雷击灾害风险评估的方法和模型，用以实现对牵引变电所雷击风险的定量评估，最后将该方法应用于某具体牵引变电所的雷击灾害风险分析中，验证了该方法的可行性。

1 牵引变电所雷击灾害风险评估方法

借鉴IEC 62305.2—2006中的雷击风险评估的思想，雷击灾害的风险值RX为

式中:

N——雷击的年平均次数:

PX——遭受雷击影响的概率系数;

LX——因雷击而引起的损失。

牵引变电所的变电功能通过一次设备和二次设备来共同完成，因而牵引变电所的雷击灾害风险值RS=R1+R2。其中R1、R2分别为牵引变电所中一次设备和二次设备的雷击灾害风险值。对于牵引变电所中的一次设备和二次设备，除由于直击雷引起的损坏，还可能由于雷击变电所邻近区域通过阻性耦合或磁耦合而对变电所的设备产生危害。因而，R1=R11+R12。其中R11、R12分别为直击雷和感应雷引起的一次设备损坏风险值。同理R2=R21+R22。其中R21、R22分别为直击雷和感应雷引起的二次设备损坏风险值。

变电所遭受直击雷而造成设备损坏的风险包括雷击变电所建筑物和雷击变电所线路而引起的一次设备和二次设备损坏的风险。变电所遭受直击雷的次数与变电所的直击危险区面积及该地区的平均雷击密度等有关。如图1所示，变电所建筑物的雷击危险区面积Ad为

式中:

L——矩形建筑物长;

W——矩形建筑物宽;

H——矩形建筑物高。

图1 牵引变电所危险区域示意图

入所线路的雷击危险区面积Al与线路的长度和架设方式有关:

式中:

Hc——地面上导线的高度，m;

ρ——埋有电缆的地面的电阻率，Ωm;

Lc——从建筑物到线路第一分支点或截至第一个SPD(浪涌保护设备)安装处的长度，m。

和感应雷损害相关的因素包括雷击变电所邻近区域的危险区面积Am和雷击线路邻近区域的危险区面积Ai。Am一般取从建筑物周边延伸至距离为250 m的区域。该区域内雷击产生了感应磁场，会产生≥1.5 kV的过电压(内部系统可承受的脉冲过电压为1.5 kV)。Ai值与线路长度Li和横向距离Di有关(见图1)，一般可按下式进行计算:

考虑变电所会采取一些雷电防护措施，从而降低实际发生雷击危险的概率，因而引入概率系数PD(指直击雷)和PI(指感应雷)，以使计算的结果更符合实际。概率系数主要与雷电防护措施的等级、线路的屏蔽特征等有关。

牵引变电所遭受雷击灾害的损失主要包括设备损坏以及由此导致的服务损失。相对于设备损坏，由于线路停电引起的铁路运输服务停止而导致的损失要更大。由于本次雷击该段线路使列车停运而导致的服务损失的年平均相对量LS为:

式中:

n——受本次雷击影响的列车对数;

nt——年运行的列车总对数;

t——列车每年在危险区域停留的时间，h。

确定各雷击危险区面积后，根据气象部门的雷电自动监测定位系统获得的雷对地闪击的密度Ng，就可得出牵引变电所的雷击灾害风险值RS为

2 牵引变电所雷击灾害风险评估举例

现以铁路鹰厦线某牵引变电所为例(见图2)进行雷击风险评估。该牵引变电所处于雷电多发区，由于地形限制，变电所建于沿线山上:在6—8月的雷雨季节，跳闸次数增多，影响线路行车，造成了不良影响。该变电所进线电压为110 kV，进线间隔采用中型布置;变压器采用Y/D11接线，牵引馈线采用架空线与接触网相连。电线路的特征见表1所示。高压室和控制室的建筑物尺寸为L=9 m，W=20 m，H=6 m。

该变电所的平面布置及各部分雷击危险区域示意如图2所示。

图2 铁路鹰厦线某牵引变电所各部分雷击危险区域面积示意图

表1 铁路鹰厦线某牵引变电所电力线路特征

该地区的雷对地闪击密度Ng=4次/(km2·年)。依据上述介绍的方法，结合图2，可计算得到各部分雷击危险区域的面积如表2所示。

表2 铁路鹰厦线某牵引变电所雷击危险区面积 m2

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，控制室内的设备都经过EMC(电磁兼容)测试;馈线端装有避雷器，与馈线相连的设备可承受的脉冲过电压较高。依据IEC 62305.2—2006 的建议，取概率值 PD=0.05，PI=0.000 6。每天通过该区间的列车数为20对，列车发车间隔为30 min;每列车在该供电臂范围内停留的时间为30 min，则列车每天在危险区的停留时间共计10 h，每年在危险区的停留时间为3 650 h。设雷击引起的停电时间为1 h，则由式(5)可计算得由于雷击导致的牵引供电系统服务损失的年平均相对量LS=0.041 7。计算出的该牵引变电所的风险值如表3所示。

根据表3可以看出，该变电所总的雷击灾害风险RS=0.101 0 ×10－3略大于可承受的风险值 RT=0.1×10－3。其中，高压室和控制室雷击灾害风险最大，且其风险主要是由于感应雷击灾害风险引起的，这和控制室中有大量的电子控制设备易受感应雷击相关;27.5 kV馈线和110 kV进线由于采用架空线形式，遭受直击雷击损害的风险要大。由于27.5 kV馈线长度较长，使其雷击灾害风险也较大，27.5 kV馈线的雷击总风险略小于高压室和控制室的风险。