閃電監(jiān)測(cè)資料在軌道交通雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用

史雅靜，汪資荷（1.南京信息工程大學(xué)，南京，10044；湖北省防雷中心，武漢，430074）

閃電監(jiān)測(cè)資料在軌道交通雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用

史雅靜1，2，汪資荷2
（1.南京信息工程大學(xué)，南京，210044；2湖北省防雷中心，武漢，430074）

為了對(duì)軌道交通做出全面、準(zhǔn)確的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，本文結(jié)合閃電定位監(jiān)測(cè)資料，利用統(tǒng)計(jì)分析、原理計(jì)算等方法對(duì)閃電資料在軌道交通雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。以武漢軌道交通2號(hào)線一期工程為例，分析了該線路沿線的地閃密度分布、地閃強(qiáng)度分布。以單個(gè)車站為例，對(duì)車站的地閃密度分布、地閃強(qiáng)度概率分布、雷電流的繞擊率和反擊率等進(jìn)行了探討。

軌道交通；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；閃電規(guī)律

0 引言

作為人員密集、投資巨大的公共場(chǎng)所，軌道交通一旦遭受雷擊或閃電電涌侵入，將危及其正常的運(yùn)營(yíng)秩序，甚至?xí)斐删薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失和人員傷亡損失。我國(guó)各地軌道交通投入運(yùn)營(yíng)以來(lái)，發(fā)生了很多雷電災(zāi)害事故，雷電已成為軌道交通系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要威脅之一。

雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是根據(jù)項(xiàng)目所在地雷電活動(dòng)時(shí)空分布特征及其災(zāi)害特征，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行分析，對(duì)雷電可能導(dǎo)致的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失程度與危害范圍等方面的綜合風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算。很多學(xué)者對(duì)雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的問(wèn)題進(jìn)行了研究與探討，但鮮有針對(duì)軌道交通雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的相關(guān)報(bào)道。本文以武漢軌道交通2號(hào)線一期工程為例，就如何結(jié)合閃電定位監(jiān)測(cè)資料為軌道交通提供更加精細(xì)化的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行了分析探討。

1 沿線閃電活動(dòng)規(guī)律分析

本文利用武漢市2007年1月1日-2013年12月30日共七年的閃電監(jiān)測(cè)資料對(duì)軌道交通2號(hào)線一期工程各個(gè)車站周邊的雷擊環(huán)境進(jìn)行分析，得出了地閃密度分布和平均地閃強(qiáng)度分布的規(guī)律。

1.1閃電密度分布規(guī)律

從圖1可以看出，各車站的地閃密度分布在3.15-6.07次/（平方公里?年）之間，分布相差較大，地閃密度最大的車站為光谷廣場(chǎng)站，為6.07次/（平方公里?年），最小的車站為積玉橋站，為3.15次/（平方公里?年）。

圖1　 武漢軌道交通2號(hào)線一期工程沿線各車站地閃密度分布圖

1.2 平均地閃強(qiáng)度分布規(guī)律

通過(guò)圖2可以看出，軌道交通2號(hào)線一期工程沿線各車站的平均地閃強(qiáng)度分布在30-40 kA左右，王家墩東站和螃蟹甲站的平均地閃強(qiáng)度最高，為40.11 kA，中南路站的平均地閃強(qiáng)度最低，為29.94 kA。

圖2　武漢軌道交通2號(hào)線一期工程沿線各車站地閃強(qiáng)度分布圖

2 單站雷擊環(huán)境分析示例

一個(gè)區(qū)域的雷擊環(huán)境跟其所處的地理位置、地下礦藏、水陸分布等因素有關(guān)，涉及的數(shù)據(jù)和因素比較多。由于武漢軌道交通2號(hào)線一期工程線路車站較多，而每個(gè)站的評(píng)估計(jì)算方法相同，故本部分以小龜山站為例解釋雷擊環(huán)境分析過(guò)程。得出該站地閃密度月均分布、地閃強(qiáng)度概率分布和雷電流累積概率分布規(guī)律，并對(duì)該站的雷電流繞擊率和反擊率進(jìn)行分析。

2.1地閃密度月均分布

根據(jù)小龜山站2km半徑范圍內(nèi)2007年1月～2013年12月地閃密度的月均分布圖得出地閃密度月均活動(dòng)規(guī)律（如圖3所示）：小龜山站所在地域閃電主要活動(dòng)期發(fā)生在8月份，約48.94%的地閃發(fā)生在這個(gè)月份，1、11、12月份基本沒(méi)有地閃發(fā)生。

圖3　小龜山站地閃密度月均分布圖

2.2地閃強(qiáng)度概率分布

根據(jù)湖北省雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)2007年1月～2013年12月地閃數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，小龜山站所在地2km半徑范圍內(nèi)，雷電流強(qiáng)度主要集中在20～50 kA，占閃電數(shù)量的55.89%；100 kA以上的雷電流發(fā)生相對(duì)較少，僅占閃電數(shù)量的3.32%，如圖4所示。

圖4　小龜山站地閃強(qiáng)度概率分布圖

2.3雷電流累積概率分析

根據(jù)該項(xiàng)目所在地2km半徑范圍內(nèi)的閃電定位監(jiān)測(cè)資料顯示，2007年1月～2013年12月，監(jiān)測(cè)到的最大雷電流為184.7kA，結(jié)合湖北地區(qū)的雷電流幅值分布公式，計(jì)算出相應(yīng)的雷電流的累積概率。

N年內(nèi)可能遭遇不同等級(jí)雷電流的雷擊次數(shù)可按照以下方法計(jì)算：

雷擊次數(shù)=雷擊密度（次/km2?a）×?xí)r間（a）×面積（km2）×雷電流累積率。

表1　車站2km半徑范圍內(nèi)50年內(nèi)可能遭遇的雷電流概率表

2.4雷電流繞擊率和反擊率分析

對(duì)于一、二、三類防雷建筑物，當(dāng)雷電流I分別大于5.4kA、10.1kA、15.8kA時(shí)，雷電擊于接閃器上的概率較大，當(dāng)雷電流I分別小于5.4kA、10.1kA、15.8kA時(shí)，雷電有可能穿過(guò)接閃器擊中在被保護(hù)物體上。同時(shí)一、二、三類防雷建筑物設(shè)計(jì)能承受保護(hù)的最大雷電流幅值分別為200kA、150kA、100kA，當(dāng)雷電流大于上述幅值時(shí)，可能出現(xiàn)反擊，對(duì)人員和其他物體造成危害。

由于小龜山站是按照第二類防雷建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)雷電流I≥10.1kA時(shí)，雷電將擊于接閃器上，當(dāng)雷電流I＜10.1kA時(shí)，雷電有可能穿過(guò)接閃器擊中在被保護(hù)物體上。同時(shí)第二類防雷建筑物設(shè)計(jì)能承受保護(hù)的最大雷電流幅值為150kA，當(dāng)雷電流大于該幅值時(shí)，可能出現(xiàn)反擊，對(duì)人員和其它物體造成危害。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2007年1月～2013年12月該車站2km半徑范圍內(nèi)，共監(jiān)測(cè)到閃電331次，小于10.1kA的雷電流共發(fā)生9次，故該車站發(fā)生雷電流繞擊的概率為2.72%；大于150kA的雷電流共發(fā)生1次，故小龜山站發(fā)生雷電流反擊的概率為0.30%。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)武漢軌道交通2號(hào)線一期工程沿線的地閃密度分布規(guī)律和地閃強(qiáng)度分布規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以得出該線路沿線的雷擊環(huán)境和各個(gè)車站所處環(huán)境的雷電活動(dòng)變化規(guī)律，以便在對(duì)軌道交通進(jìn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和工程設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)沿線地閃密度較高和閃電強(qiáng)度較大的車站進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)。對(duì)單個(gè)車站的地閃密度分布、地閃強(qiáng)度概率分布、雷電流的繞擊率和反擊率等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究，可以為單站的人身傷亡損失風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供有力的科學(xué)數(shù)據(jù)，提高雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的準(zhǔn)確性。

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The application of lightning monitoring data in lightning risk assessment for rail transit

Shi Yajing1，2， Wang Zihe2
（1.Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing，210044；2.Hubei lightning protection center，Wuhan，430074）

In order to make a comprehensive and accurate of rail transit lightning risk assessment，with the lightning positioning monitoring data，by using the methods of statistical analysis，this paper discusses the principle of calculation for lightning data application in rail transit’s lightning risk assessment. Takethe issues in Wuhan rail transit line no.2 as an example，theauthor analyzes the ground flash density distribution along the line and flash intensity distribution.For a single station，the station’s lightning density distribution，lightning intensity probability distribution，risk of shielding failure and risk of flashback are discussed in this paper.

rail transit；risk assessment；lightning rule

2014—6—21