摘 要
針對目前新疆鐵路沿線開展雷電防護措施中存在的問題，結(jié)合雷電對鐵路信號設備和接觸網(wǎng)的危害，對有問題的線路區(qū)域提出切實可行的改造方案；同時切實做好防雷工程質(zhì)量的監(jiān)督和管理工作。
01
雷電監(jiān)測預警系統(tǒng)建設的必要性
雷電監(jiān)測預警系統(tǒng)是采用定向雷電定位技術(shù)和時差雷電定位技術(shù)結(jié)合對鐵路沿線落雷情況進行監(jiān)視、定位，能大范圍的實時遙測地閃發(fā)生的時間、地點、雷電流幅值、極性與回擊次數(shù)，呈現(xiàn)出雷電活動的實時動態(tài)圖。通過該系統(tǒng)不僅能顯示某區(qū)域的雷電活動情況，而且可進行數(shù)據(jù)定位處理，指導相關(guān)部門查詢雷擊故障點，并對雷電活動的發(fā)展趨勢進行預測，為鐵路運輸安全的生產(chǎn)、運行提供服務，有效地減少雷擊事故和雷電災害所造成的損失。
新疆的雷電活動特點是：強度大、時間和空間分布集中。根據(jù)這些特點再結(jié)合新疆鐵路線的分布情況開展雷電監(jiān)測預警系統(tǒng)建設十分必要，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
① 指導查找接觸網(wǎng)線路雷擊故障點
雷電監(jiān)測預警系統(tǒng)最為重要之處在于能夠準確地測定雷擊的位置, 這也是該系統(tǒng)在電氣化鐵路運行中最為重要的應用?，F(xiàn)在的情況是每當接觸網(wǎng)發(fā)生雷擊跳閘，根據(jù)調(diào)度命令，線路責任區(qū)的單位必須出動大批巡線人員, 僅能根據(jù)不算精確的保護故障測距結(jié)果, 沿線逐桿查找故障點,效率較低。特別是新疆鐵路線地區(qū)荒漠戈壁、高山中，巡線人員查找故障點費時費力，可能造成嚴重后果。通過利用雷電監(jiān)測預警系統(tǒng)，發(fā)生雷擊跳閘后，調(diào)度運行值班人員只需提供跳閘精確時間，線路工區(qū)人員根據(jù)定位系統(tǒng)找該時刻左右最有可能發(fā)生雷擊的桿塔位置，有的放矢，能夠盡快查找故障點，又大大減輕了線路工作人員的工作強度。
② 指導判斷接觸網(wǎng)跳閘的雷擊相關(guān)性
鐵路系統(tǒng)以往的運行經(jīng)驗中, 往往將發(fā)生在雷雨天氣而又未能查找到明確故障點的線路跳閘原因一般都認定為雷擊故障, 這就影響了運行單位對真正事故原因的查找, 且留下了再次事故的隱患。應用雷擊定位系統(tǒng)可以確定線路跳閘由雷擊造成的可能性大小, 如果確定不是由雷擊造成線路跳閘的可能性很大, 可以根據(jù)實際情況繼續(xù)尋找故障閃絡點并分析事故的真正原因, 消除事故隱患。
③ 增強列車運行調(diào)度的靈活性和事故預警
通過該系統(tǒng)接收到的雷電信息, 列車調(diào)度值班主任可以判斷雷電發(fā)生的準確地點、雷電強度及走向趨勢等信息。同時發(fā)布信息給值班調(diào)度員，可以及時修正和改變列車的運行線路, 避免運行中的列車遭受雷擊所導致的不必要經(jīng)濟損失和安全事故。如果在不能改變列車運行的情況下，調(diào)度值班人員可及時做好相關(guān)防雷擊措施及事故預案, 力爭將雷擊損失減少到最低程度。
④ 保障列車雷雨季節(jié)的安全運行
通過大量雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累和分析, 可以大致了解新疆境內(nèi)雷電多發(fā)區(qū)域的雷電分布及強度信息, 從而合理制定雷電分布圖, 不僅可以指導安排列車在雷雨季節(jié)的運行, 指導線路運行單位加強雷電密集區(qū)段和線路的易雷擊段的運行維護, 還可以為鐵路設計部門進行線路、廠站等設計時提供必要的防雷依據(jù)。
02
雷電監(jiān)測預警系統(tǒng)實施方案
2.1 雷電監(jiān)測預警系統(tǒng)的原理
雷電是由雷雨云中的電荷達到一定的數(shù)量時，在云內(nèi)不同部位之間或云與地面之間就形成了很強的電場，當電荷積聚到一定程度時，就會在云與云之間或云與地之間發(fā)生放電現(xiàn)象。也就是說雷電的發(fā)生來源于雷云內(nèi)部的電荷累積；這意味著只要能夠準確檢測空間靜電場的變化，就可以間接了解雷云電荷累積的情況。
根據(jù)歷年累積的相關(guān)氣象資料表明，雷電的發(fā)生需要一定條件，并且具有規(guī)律性：當雷雨云靠近或形成的時候,地面靜電場按照一定的方式變化。在標準測量狀態(tài)下(平原,平地,無尖端效應)靜電場在天氣晴好時的場強平均值約為150V/m。當雷雨云出現(xiàn)時,靜電場的電場強度可增大到+ 2KV/m或- 14KV/m。單個的雷雨云層或與前方雷雨云組合時,電場強度增長的時間為15-20分鐘。電場強度超過3KV/m時,雷雨云正在形成或正在靠近。雷雨云的形成過程如下圖：
圖4 雷云形成過程圖
圖5 某一時間段內(nèi)方法后的雷雨云活動電場強度線
雷電監(jiān)測預警系統(tǒng)運用了測量環(huán)境靜電場的原理來對雷云進行監(jiān)測，并結(jié)合氣象衛(wèi)星云圖、雷達、閃電定位等氣象資料做出短時臨近雷電預警。在出現(xiàn)天氣變化時，系統(tǒng)都可以根據(jù)對環(huán)境靜電場的變化，引入云圖、雷達、閃電定位資料監(jiān)測8－10公里以外靠近的雷電做出臨近預警。系統(tǒng)能夠及時地在雷電產(chǎn)生之前大約15-20分鐘發(fā)出雷電警報，及時避免列車遭受雷擊傷害和減少雷擊造成的損失。
2.2 結(jié)合新疆鐵路區(qū)域分布針對性開展雷電預警系統(tǒng)實驗
新疆地域面積的特殊性使得鐵路線綿延數(shù)千公里，鐵路線途徑的區(qū)域在地理特征、氣候特征都存在比較大的差異，如蘭-新線、南-疆線、精-伊-霍線、奎-北線、喀-和線以及正在建設的蘭新第二雙線，途徑的區(qū)域從荒漠戈壁到濕地平原再到高山林立，局地的短時劇烈天氣現(xiàn)象時?？梢姡纂姳闶瞧渲兄?。通過與氣象云圖、歷年全疆閃電定位資料、氣象資料（溫濕度、氣壓）的結(jié)合，引入該區(qū)域內(nèi)的鐵路線進行全面的分析，擬定在雷電多發(fā)區(qū)域建設實驗性站點。在這些雷電多發(fā)區(qū)建立實驗性的雷電監(jiān)測預警系統(tǒng)，可以監(jiān)測和統(tǒng)計特定區(qū)域內(nèi)的雷電資料，為后期雷電監(jiān)測預警系統(tǒng)的全面實施提供數(shù)據(jù)支撐。雷電預警系統(tǒng)可以向在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的調(diào)度及相關(guān)人員發(fā)送警報。系統(tǒng)通過向相關(guān)人員發(fā)送雷云可能經(jīng)過的地理位置和雷電發(fā)生的警報等級，收到警報后可以迅速的對即將到來的雷電采取相應措施。
2.3 擬建設雷電監(jiān)測預警實驗站方案
（1）雷電監(jiān)測預警實驗站結(jié)構(gòu)
圖6 雷電監(jiān)測預警試驗站結(jié)構(gòu)圖
（2）選定實驗站原則
a、結(jié)合閃電定位儀統(tǒng)計資料、氣象資料、歷史雷災事故統(tǒng)計資料，選擇雷電出現(xiàn)頻率高、造成損害大的區(qū)域。
b、監(jiān)測傳感器安裝位置附近，避免出現(xiàn)遮擋物及干擾源，最好能選擇地勢制高點。
c、合理規(guī)劃建設站址，監(jiān)測站能夠最大效率滿足使用，避免重復建設。
d、選擇站址時，充分考慮交通和通信條件，便于監(jiān)測傳感器的傳輸通信和日常維護工作。
（3）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
通過建立大氣電場監(jiān)測網(wǎng)絡實時數(shù)據(jù)庫、雷電定位實時數(shù)據(jù)庫以及預警過程所需的其他文件庫（如云圖、雷達等）。
通過實時大氣電場監(jiān)測和報警系統(tǒng)，提供基于GIS平臺的電場數(shù)據(jù)信息、雷電定位信息和預警信息，同時本系統(tǒng)可疊加雷達等相關(guān)資料，實現(xiàn)準確的預警過程。
通過預警發(fā)布系統(tǒng)，提供多種預警信息的實時發(fā)布，如特定用戶群的短信預警服務、預警文件傳遞服務、WEB信息發(fā)布服務系統(tǒng)，提供基于B/S應用服務。
03
小結(jié)
擬采用雷電監(jiān)測預警系統(tǒng)是一種能在雷電電磁釋放前提供有效實時的安全決策的信息系統(tǒng)，能夠?qū)妆┻M行預防性偵測，并在第一次雷擊前探測到雷擊的發(fā)生并傳輸信息提示危險。
本系統(tǒng)能夠及時地在雷電產(chǎn)生之前發(fā)出雷電警報，使列車、接觸網(wǎng)及列車運行時電子儀器和設備避免雷擊傷害和減少雷擊造成的損失，而且對新疆鐵路運輸來說雷電監(jiān)測預警是一個比較新的課題，重要性毋庸置疑。該系統(tǒng)的建成將為合理安排列車安全運行生產(chǎn), 判斷線路故障性質(zhì), 縮短雷擊故障處理時間, 減少雷擊損失等方面提供了新的技術(shù)支持。
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2022/6/08
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