摘 要
針對目前新疆鐵路沿線(xiàn)開(kāi)展雷電防護措施中存在的問(wèn)題，結合雷電對鐵路信號設備和接觸網(wǎng)的危害，對有問(wèn)題的線(xiàn)路區域提出切實(shí)可行的改造方案；同時(shí)切實(shí)做好防雷工程質(zhì)量的監督和管理工作。
01
雷電監測預警系統建設的必要性
雷電監測預警系統是采用定向雷電定位技術(shù)和時(shí)差雷電定位技術(shù)結合對鐵路沿線(xiàn)落雷情況進(jìn)行監視、定位，能大范圍的實(shí)時(shí)遙測地閃發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、雷電流幅值、極性與回擊次數，呈現出雷電活動(dòng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖。通過(guò)該系統不僅能顯示某區域的雷電活動(dòng)情況，而且可進(jìn)行數據定位處理，指導相關(guān)部門(mén)查詢(xún)雷擊故障點(diǎn)，并對雷電活動(dòng)的發(fā)展趨勢進(jìn)行預測，為鐵路運輸安全的生產(chǎn)、運行提供服務(wù)，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(dòng)特點(diǎn)是：強度大、時(shí)間和空間分布集中。根據這些特點(diǎn)再結合新疆鐵路線(xiàn)的分布情況開(kāi)展雷電監測預警系統建設十分必要，主要體現在以下幾個(gè)方面：
① 指導查找接觸網(wǎng)線(xiàn)路雷擊故障點(diǎn)
雷電監測預警系統最為重要之處在于能夠準確地測定雷擊的位置, 這也是該系統在電氣化鐵路運行中最為重要的應用?，F在的情況是每當接觸網(wǎng)發(fā)生雷擊跳閘，根據調度命令，線(xiàn)路責任區的單位必須出動(dòng)大批巡線(xiàn)人員, 僅能根據不算精確的保護故障測距結果, 沿線(xiàn)逐桿查找故障點(diǎn),效率較低。特別是新疆鐵路線(xiàn)地區荒漠戈壁、高山中，巡線(xiàn)人員查找故障點(diǎn)費時(shí)費力，可能造成嚴重后果。通過(guò)利用雷電監測預警系統，發(fā)生雷擊跳閘后，調度運行值班人員只需提供跳閘精確時(shí)間，線(xiàn)路工區人員根據定位系統找該時(shí)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(diǎn)，又大大減輕了線(xiàn)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(diǎn)的線(xiàn)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。應用雷擊定位系統可以確定線(xiàn)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(xiàn)路跳閘的可能性很大, 可以根據實(shí)際情況繼續尋找故障閃絡(luò )點(diǎn)并分析事故的真正原因, 消除事故隱患。
③ 增強列車(chē)運行調度的靈活性和事故預警
通過(guò)該系統接收到的雷電信息, 列車(chē)調度值班主任可以判斷雷電發(fā)生的準確地點(diǎn)、雷電強度及走向趨勢等信息。同時(shí)發(fā)布信息給值班調度員，可以及時(shí)修正和改變列車(chē)的運行線(xiàn)路, 避免運行中的列車(chē)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(chē)運行的情況下，調度值班人員可及時(shí)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(chē)雷雨季節的安全運行
通過(guò)大量雷電監測數據的積累和分析, 可以大致了解新疆境內雷電多發(fā)區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(chē)在雷雨季節的運行, 指導線(xiàn)路運行單位加強雷電密集區段和線(xiàn)路的易雷擊段的運行維護, 還可以為鐵路設計部門(mén)進(jìn)行線(xiàn)路、廠(chǎng)站等設計時(shí)提供必要的防雷依據。
02
雷電監測預警系統實(shí)施方案
2.1 雷電監測預警系統的原理
雷電是由雷雨云中的電荷達到一定的數量時(shí)，在云內不同部位之間或云與地面之間就形成了很強的電場(chǎng)，當電荷積聚到一定程度時(shí)，就會(huì )在云與云之間或云與地之間發(fā)生放電現象。也就是說(shuō)雷電的發(fā)生來(lái)源于雷云內部的電荷累積；這意味著(zhù)只要能夠準確檢測空間靜電場(chǎng)的變化，就可以間接了解雷云電荷累積的情況。
根據歷年累積的相關(guān)氣象資料表明，雷電的發(fā)生需要一定條件，并且具有規律性：當雷雨云靠近或形成的時(shí)候,地面靜電場(chǎng)按照一定的方式變化。在標準測量狀態(tài)下(平原,平地,無(wú)尖端效應)靜電場(chǎng)在天氣晴好時(shí)的場(chǎng)強平均值約為150V/m。當雷雨云出現時(shí),靜電場(chǎng)的電場(chǎng)強度可增大到+ 2KV/m或- 14KV/m。單個(gè)的雷雨云層或與前方雷雨云組合時(shí),電場(chǎng)強度增長(cháng)的時(shí)間為15-20分鐘。電場(chǎng)強度超過(guò)3KV/m時(shí),雷雨云正在形成或正在靠近。雷雨云的形成過(guò)程如下圖：
圖4 雷云形成過(guò)程圖
圖5 某一時(shí)間段內方法后的雷雨云活動(dòng)電場(chǎng)強度線(xiàn)
雷電監測預警系統運用了測量環(huán)境靜電場(chǎng)的原理來(lái)對雷云進(jìn)行監測，并結合氣象衛星云圖、雷達、閃電定位等氣象資料做出短時(shí)臨近雷電預警。在出現天氣變化時(shí)，系統都可以根據對環(huán)境靜電場(chǎng)的變化，引入云圖、雷達、閃電定位資料監測8－10公里以外靠近的雷電做出臨近預警。系統能夠及時(shí)地在雷電產(chǎn)生之前大約15-20分鐘發(fā)出雷電警報，及時(shí)避免列車(chē)遭受雷擊傷害和減少雷擊造成的損失。
2.2 結合新疆鐵路區域分布針對性開(kāi)展雷電預警系統實(shí)驗
新疆地域面積的特殊性使得鐵路線(xiàn)綿延數千公里，鐵路線(xiàn)途徑的區域在地理特征、氣候特征都存在比較大的差異，如蘭-新線(xiàn)、南-疆線(xiàn)、精-伊-霍線(xiàn)、奎-北線(xiàn)、喀-和線(xiàn)以及正在建設的蘭新第二雙線(xiàn)，途徑的區域從荒漠戈壁到濕地平原再到高山林立，局地的短時(shí)劇烈天氣現象時(shí)?？梢?jiàn)，雷電便是其中之一。通過(guò)與氣象云圖、歷年全疆閃電定位資料、氣象資料（溫濕度、氣壓）的結合，引入該區域內的鐵路線(xiàn)進(jìn)行全面的分析，擬定在雷電多發(fā)區域建設實(shí)驗性站點(diǎn)。在這些雷電多發(fā)區建立實(shí)驗性的雷電監測預警系統，可以監測和統計特定區域內的雷電資料，為后期雷電監測預警系統的全面實(shí)施提供數據支撐。雷電預警系統可以向在監測區域內的調度及相關(guān)人員發(fā)送警報。系統通過(guò)向相關(guān)人員發(fā)送雷云可能經(jīng)過(guò)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(lái)的雷電采取相應措施。
2.3 擬建設雷電監測預警實(shí)驗站方案
（1）雷電監測預警實(shí)驗站結構
圖6 雷電監測預警試驗站結構圖
（2）選定實(shí)驗站原則
a、結合閃電定位儀統計資料、氣象資料、歷史雷災事故統計資料，選擇雷電出現頻率高、造成損害大的區域。
b、監測傳感器安裝位置附近，避免出現遮擋物及干擾源，最好能選擇地勢制高點(diǎn)。
c、合理規劃建設站址，監測站能夠最大效率滿(mǎn)足使用，避免重復建設。
d、選擇站址時(shí)，充分考慮交通和通信條件，便于監測傳感器的傳輸通信和日常維護工作。
（3）數據處理系統
通過(guò)建立大氣電場(chǎng)監測網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)數據庫、雷電定位實(shí)時(shí)數據庫以及預警過(guò)程所需的其他文件庫（如云圖、雷達等）。
通過(guò)實(shí)時(shí)大氣電場(chǎng)監測和報警系統，提供基于GIS平臺的電場(chǎng)數據信息、雷電定位信息和預警信息，同時(shí)本系統可疊加雷達等相關(guān)資料，實(shí)現準確的預警過(guò)程。
通過(guò)預警發(fā)布系統，提供多種預警信息的實(shí)時(shí)發(fā)布，如特定用戶(hù)群的短信預警服務(wù)、預警文件傳遞服務(wù)、WEB信息發(fā)布服務(wù)系統，提供基于B/S應用服務(wù)。
03
小結
擬采用雷電監測預警系統是一種能在雷電電磁釋放前提供有效實(shí)時(shí)的安全決策的信息系統，能夠對雷暴進(jìn)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。
本系統能夠及時(shí)地在雷電產(chǎn)生之前發(fā)出雷電警報，使列車(chē)、接觸網(wǎng)及列車(chē)運行時(shí)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(lái)說(shuō)雷電監測預警是一個(gè)比較新的課題，重要性毋庸置疑。該系統的建成將為合理安排列車(chē)安全運行生產(chǎn), 判斷線(xiàn)路故障性質(zhì), 縮短雷擊故障處理時(shí)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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