- 鐵路站場(chǎng)通信信號(hào)綜合防雷方案
- 分析鐵路站場(chǎng)雷電防護(hù)
- 設(shè)計(jì)參照標(biāo)準(zhǔn)
- 直擊雷防護(hù)
- 雷擊電磁脈沖防護(hù)
隨著現(xiàn)代化的進(jìn)展，鐵路站內(nèi)設(shè)備越來越先進(jìn)。雷擊發(fā)生時(shí)，雷擊放電誘發(fā)雷擊電磁脈沖過電壓和過電流，經(jīng)站場(chǎng)電源系統(tǒng)、通信信號(hào)傳輸通道、接地系統(tǒng)及建筑物直擊雷防護(hù)系統(tǒng)，通過傳導(dǎo)、感應(yīng)的方式損壞站內(nèi)通信信號(hào)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，造成損失巨大，直接威脅鐵路正常的安全運(yùn)輸生產(chǎn)。
一、對(duì)鐵路站場(chǎng)雷電防護(hù)的分析
鐵路站場(chǎng)設(shè)備遭受過電壓和過電流攻擊的途徑可分為直擊雷、感應(yīng)雷、傳導(dǎo)雷、操作過電壓四種。結(jié)合站場(chǎng)設(shè)備的分布特點(diǎn)及雷電攻擊的途徑類型，鐵路站場(chǎng)雷電防護(hù)存在以下特點(diǎn)。
1.鐵路站場(chǎng)占地面積較大，站場(chǎng)主要設(shè)備(如數(shù)字微波通信、車站數(shù)字通信分系統(tǒng)、站場(chǎng)廣播機(jī)、無線列調(diào)通信、平面調(diào)車通信、信號(hào)微機(jī)聯(lián)鎖等設(shè)備)集中在信號(hào)樓、通信樓。信號(hào)樓、通信樓的避雷針應(yīng)能滿足對(duì)整個(gè)信號(hào)樓、通信樓區(qū)域的保護(hù)，有效防止直擊雷的襲擊。
2.鐵路道軌是接受直擊雷和傳導(dǎo)雷感應(yīng)雷的良好導(dǎo)體。與道軌連接的相關(guān)鐵路信號(hào)設(shè)備，如信號(hào)機(jī)、軌道電路箱、道岔電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)等，將受到雷擊的嚴(yán)重威脅。
3.信號(hào)樓微機(jī)聯(lián)鎖及通信機(jī)房、通訊樓通訊機(jī)房等重要區(qū)域的戶外線路可能遭受到直擊雷后，線路中的大電流串入各機(jī)房內(nèi)部，從而引起對(duì)內(nèi)部設(shè)備的損壞。當(dāng)雷雨云之間、雷雨云對(duì)大地之間放電時(shí)，雷閃電流的高頻電磁場(chǎng)對(duì)暴露在空間或室內(nèi)的電源線、信號(hào)線、數(shù)據(jù)線上產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)備抗電強(qiáng)度的感應(yīng)雷擊過電壓，使設(shè)備損壞。
4.雷電防護(hù)的原則是“等電位”。由于機(jī)房存在多類接地系統(tǒng)，其沖擊接地電阻不均衡，在雷擊發(fā)生時(shí)，雷電流引起地電位差，造成“地電位反擊”，使人員和設(shè)備遭受損害。
5.操作過電壓引起的危害，如儲(chǔ)藏設(shè)備的開關(guān)、輸電線路的短路、周圍大容量設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的工業(yè)干擾或操作過電壓在電源線上會(huì)產(chǎn)生 5000~6000V、3KA的浪涌過電壓及浪涌電流，它們的竄入也會(huì)將信號(hào)樓、通信樓內(nèi)的設(shè)備產(chǎn)生很大的破壞后果。
從以上分析中可以得出：為了提高鐵路站場(chǎng)建筑物安全及機(jī)房設(shè)備及計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行可靠度，整個(gè)站場(chǎng)的雷電防護(hù)系統(tǒng)一定要有良好的避雷針、下引線和統(tǒng)一的接地網(wǎng)，采取完善的直擊雷防護(hù)措施。同時(shí)必須在車站的供電系統(tǒng)、天饋系統(tǒng)、信號(hào)采集傳輸系統(tǒng)、程控交換系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、機(jī)房接地系統(tǒng)等進(jìn)行可靠有效的防護(hù)，在攔截、分流、均衡、接地、布線、布局等方面作完整的，多層次的綜合防護(hù)。
基于以上分析，兗州礦業(yè)集團(tuán)鐵運(yùn)處選用了法國先進(jìn)的法蘭西GUERET預(yù)放電型避雷針作為直擊雷防護(hù)避雷針，選用世界一流的德國 OBOBETTERMANN系列電源及數(shù)據(jù)信號(hào)防雷器件，對(duì)主要機(jī)房設(shè)備和重要終端進(jìn)行雷擊電磁脈沖防護(hù)。
二、設(shè)計(jì)參照標(biāo)準(zhǔn)
鐵路站場(chǎng)綜合防雷的設(shè)計(jì)主要執(zhí)行或參照以下標(biāo)準(zhǔn)：GB50057-94《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》2000年版、GA267-2000《計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖安全防護(hù)規(guī)范》、 GB7450—87《電子設(shè)備雷擊保護(hù)導(dǎo)則》、GB50174-93《電子計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》、 GB9361—88《計(jì)算站場(chǎng)地安全要求》等。鐵路站場(chǎng)雷電防護(hù)總的原則是經(jīng)等電位連接，使過電壓(或電流)以最直接的路徑盡快泄漏到大地，達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。電磁兼容防護(hù)總的原則是利用室內(nèi)的金屬物有機(jī)地構(gòu)成一個(gè)“法拉第籠”，進(jìn)行接地連接。站場(chǎng)綜合防雷設(shè)計(jì)本著安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的原則，達(dá)到防御或減輕雷電災(zāi)害、提高防雷安全度的目的。
三、直擊雷防護(hù)
(一)避雷針
普通避雷針，通常即為一根鐵棒，將端部磨尖，通過接地引下線將地電位(通常認(rèn)為零電位)引至針尖，利用針尖的高度(比被保護(hù)物高出許多)，比被保護(hù)物優(yōu)先產(chǎn)生上行先導(dǎo)，與雷云的下行先導(dǎo)相遇，從而達(dá)到引雷入地的效果，保護(hù)其它建筑物免受雷擊的侵害。
預(yù)放電型避雷針利用了雷云產(chǎn)生的空間電場(chǎng)強(qiáng)度，預(yù)先使周圍的空氣電離，空氣離子在空間電場(chǎng)的作用下加速接近雷云，從而使迎面先導(dǎo)大大提前與雷云的下行先導(dǎo)相遇，使得引雷的可靠性和半徑提高大大保護(hù)，增強(qiáng)了保護(hù)性能。
預(yù)放電型避雷針為先進(jìn)的純結(jié)構(gòu)型預(yù)放電避雷針。它利用雷云在空中感應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度，使針頭的感應(yīng)電極(空中場(chǎng)強(qiáng))與針尖(地電位)之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的火花放電，使針頭周圍空氣電離，在電場(chǎng)的作用下形成一條向上的雷電先導(dǎo)，從而使迎面先導(dǎo)提前與雷云的下行先導(dǎo)相遇，形成主放電通道，從而大大提高了避雷針的效率，使保護(hù)半徑大大提高。由于其內(nèi)部無任何電子元件，避免了老化問題，所以更加可靠，不需維護(hù)。此類避雷針比普通避雷針提前產(chǎn)生上行先導(dǎo)的時(shí)間稱為“預(yù)放電時(shí)間”，這是考核預(yù)放電型避雷針性能的重要指標(biāo)，已列入法國等一些歐洲國家的國家標(biāo)準(zhǔn)。鐵運(yùn)處所屬車站選用先進(jìn)的法蘭西GUERETIF3 預(yù)放電型避雷針作為直擊雷防護(hù)避雷針，對(duì)站場(chǎng)可能遭受直擊雷的重點(diǎn)區(qū)域?qū)嵤┲苯永椎姆雷o(hù)。該類避雷針的特點(diǎn)如下：
1.最快的搶先預(yù)放電時(shí)間86us，即優(yōu)先引雷入地，保護(hù)半徑大大增加，為目前國際上中搶先時(shí)間最快的預(yù)放電避雷針。
2.在相同的安裝高度下，比普通避雷針的保護(hù)半徑大十幾倍，大大提高了防護(hù)效率。
3.避雷針內(nèi)部無電子部件，更加安全，減少故障隱患，無老化，不需維護(hù)。
4.選用了世界最好的防腐316L不銹鋼材料，永不生銹。
5.重量很輕，何載小，對(duì)支撐物的荷載要求低。[page]
(二)直擊雷防護(hù)方案
鐵路站場(chǎng)直擊雷防護(hù)重點(diǎn)區(qū)域是通信樓、信號(hào)樓和戶外岔群咽喉區(qū)設(shè)備。
1.通信樓直擊雷防護(hù)。利用通信樓附近的高約45米微波塔，在塔頂上安裝IF3 避雷針，避雷針安裝高度超出塔頂2.5米。經(jīng)計(jì)算，避雷針對(duì)地面的保護(hù)半徑可達(dá)119米。引下線采用截面大于12mm×4mm的鍍鋅扁鋼。防雷接地裝置接地電阻小于1歐。該避雷針可保護(hù)通信樓、部分鐵軌和場(chǎng)區(qū)部分咽喉區(qū)的部分信號(hào)機(jī)等鐵路設(shè)備，免受直擊雷的侵害。
2.信號(hào)樓直擊雷防護(hù)。利用被保護(hù)建筑物信號(hào)樓，高度約為10米，在信號(hào)樓頂部安裝IF3避雷針，針的安裝高度超出樓頂5米。經(jīng)計(jì)算，保護(hù)半徑可達(dá)109米。樓頂預(yù)埋 350mm×350mm×10mm厚鋼板，便于焊接避雷針底座，從底座延相反方向焊接引出兩條引下線，引下線采用大于8mm的圓鋼沿樓外墻引下入地，與樓的接地環(huán)相連。防雷接地裝置接地電阻小于1歐。將避雷針與接地裝置貫通。保護(hù)信號(hào)樓及場(chǎng)區(qū)附近的鐵軌避免由于直擊雷擊中鐵軌雷電流竄入信號(hào)樓，對(duì)設(shè)備及人身安全造成危害。
3.戶外岔群咽喉區(qū)直擊雷防護(hù)。鐵路站場(chǎng)岔群咽喉區(qū)的特點(diǎn)是設(shè)備分布較為集中，岔群咽喉區(qū)段長度約145米，在岔群咽喉區(qū)附近各建立12米高的鐵塔，塔頂安裝IF3避雷針。經(jīng)計(jì)算，保護(hù)半徑可達(dá)111米。引下線采用截面大于12mm×4mm的鍍鋅扁鋼。防雷接地裝置接地電阻小于10歐。對(duì)咽喉區(qū)內(nèi)大部分的軌道電路箱、道叉電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)及信號(hào)機(jī)等設(shè)施進(jìn)行了直擊雷的保護(hù)，免受直擊雷的侵害。
四、雷擊電磁脈沖防護(hù)
(一)防雷器
選用世界一流的德國OBOBETTERMANN系列電源防雷器件，對(duì)鐵路站場(chǎng)主要機(jī)房設(shè)備和重要終端進(jìn)行雷擊電磁脈沖防護(hù)。它具有以下特點(diǎn)。
1.應(yīng)用新型高能量密度的石墨電極材料，特性耐久不變。
2.采用多電極堆保證了可控制的能量分配，并聯(lián)電容控制對(duì)模塊達(dá)到低殘壓水平，通過這種設(shè)計(jì)，具有良好的續(xù)斷遮斷，達(dá)到對(duì)續(xù)流的完全熄滅。
3.密封設(shè)計(jì)，安裝方式?jīng)]有限制，無電弧外泄，無須使用大體積的隔離金屬箱。
4.無須斷電，所有模塊都可取下檢測(cè)和更換，可大量節(jié)約維護(hù)費(fèi)用。
5.安裝簡(jiǎn)單，支持凱文接線，N/PE端的隧道式連接，免除調(diào)線的繁瑣。
6.容通電流大，反應(yīng)速度快，插入損耗小。
7.采用NPE模塊的防雷器可在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，即使地阻值高或地線不良的情況下，流經(jīng)防雷器的電流可使前級(jí)保險(xiǎn)絲脫逃，防雷器與電網(wǎng)隔離，防止防雷器損壞。
(二)雷擊電磁脈沖防護(hù)方案
1.對(duì)纜線布放和接地系統(tǒng)的要求
鐵路站場(chǎng)主要設(shè)備集中在信號(hào)樓、通信樓。雷擊電磁脈沖防護(hù)的重點(diǎn)是信號(hào)樓和通信樓內(nèi)的敏感電子設(shè)備。在進(jìn)行電源和信號(hào)線防雷器配置時(shí)，根據(jù)有關(guān)規(guī)范要求，應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮。
(1)電力電纜應(yīng)埋地引入建筑物，電纜埋地部分不應(yīng)小于15米(GA267-2000第 7、第8條)。室外衛(wèi)星饋線和其它各種通信、信號(hào)電纜應(yīng)采用具有雙層金屬防護(hù)層的電纜，其外層金屬防護(hù)層在頂部及進(jìn)入機(jī)房入口處的外側(cè)應(yīng)就近接地。當(dāng)采用單層屏蔽電纜或無屏蔽線纜時(shí)，應(yīng)穿金屬管或金屬線槽引入建筑物內(nèi)，金屬管(或線槽)的兩端就近接地，金屬管 (或線槽)的連接處應(yīng)有效跨接(GB50057-94第6.3.1條)。
因此，出入信號(hào)樓、通信樓的電力電纜(線)、通信纜線、信號(hào)電纜應(yīng)采用金屬護(hù)套電纜或敷設(shè)在金屬管內(nèi)，纜線金屬護(hù)套或金屬管應(yīng)在頂部及進(jìn)入機(jī)房入口處的外側(cè)就近分別接地；進(jìn)入信號(hào)樓、通信樓低壓電力電纜宜全程埋地引入，其電纜埋地長度不應(yīng)小于 15m；微波鐵塔上架設(shè)的同軸電纜應(yīng)穿在金屬管內(nèi)，金屬管應(yīng)分別在上下端接地；進(jìn)入機(jī)房的電纜橋架應(yīng)屏蔽接地。
(2)信號(hào)樓、通信樓應(yīng)采用共用接地系統(tǒng)(GB5005794第6.3.3條)。因此，一棟樓內(nèi)的電子設(shè)備應(yīng)共用一組接地裝置，應(yīng)按均壓、等電位的原理，將工作地、保護(hù)地和防雷地組成一個(gè)聯(lián)合接地網(wǎng)。站內(nèi)各類接地線應(yīng)從接地匯集線或接地網(wǎng)上分別引入。通信樓的接地裝置應(yīng)按照YD5068— 98(移動(dòng)通信基站防雷與接地設(shè)計(jì)規(guī)范)的要求予以改造。
2.信號(hào)樓雷擊電磁脈沖防護(hù)
信號(hào)樓主要包括微機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備、無線列調(diào)及平面調(diào)車車站電臺(tái)、計(jì)算機(jī)服務(wù)器、站場(chǎng)廣播機(jī)及車站數(shù)字通信分系統(tǒng)等設(shè)備。
針對(duì)信號(hào)樓電源線分兩路架空引入，供電方式為TT制式。在總配電箱安裝兩套OBO3*MC50-B+l*MCl25B第一級(jí)電源防雷箱，在交直流配電屏電源入線端加兩套V20-C/3+NPE電源防雷器及在車站綜合柜入線端安裝一套V20-C/I+NPE電源防雷器為第二級(jí)電源防雷器。需要注意的是第一級(jí)與第二級(jí)防雷器之間的線路應(yīng)保持5m以上的距離。無線列調(diào)及平面調(diào)車車站設(shè)備，在天饋線進(jìn)入調(diào)度機(jī)房入口與設(shè)備聯(lián)接處安裝DS-N饋線防雷器，注意設(shè)備機(jī)殼及防雷器地線良好接地。防雷器前端均串接20A動(dòng)力型空氣開關(guān)。
戶外信號(hào)機(jī)、道岔、軌道電路與室內(nèi)相連的信號(hào)線，是重要的引雷路徑，需根據(jù)每一根信號(hào)線上電壓的不同相應(yīng)安裝防雷器，分別選擇V20-C系列防雷器進(jìn)行防護(hù)：對(duì)于交流和直流220伏信號(hào)線采用V20-C/4+NPE電源防雷器進(jìn)行防護(hù)；對(duì)于交直流10~24V信號(hào)線采用V20-C /1~75V進(jìn)行防護(hù)；防雷器前端均串接20A動(dòng)力型空氣開關(guān)。
由于信號(hào)設(shè)備的保護(hù)地與工作地嚴(yán)格分開，雷擊發(fā)生時(shí)，兩個(gè)地線系統(tǒng)可能出現(xiàn)瞬間電壓差，造成電子設(shè)備及人身的損壞和傷害。為了達(dá)到有效的防雷保護(hù)，在兩個(gè)地之間安裝OBO地極保護(hù)器480。其特點(diǎn)是：正常工作狀態(tài)下，兩地相互無干擾；雷擊狀態(tài)下， 480迅速導(dǎo)通，兩地電壓均衡，消除反擊電壓；響應(yīng)時(shí)間小，納秒級(jí)導(dǎo)通；安裝方便，直接連接于兩接地匯流排之間。
3.通信樓雷擊電磁脈沖防護(hù)
針對(duì)通信樓電源分兩路架空引入，引雷幾率較大，低壓電纜應(yīng)地埋15m以上引入通信樓，在主配電箱安裝兩套3*MC50- B+1*MCl25-B第一級(jí)電源防雷箱。在數(shù)字微波入線端第二級(jí)電源防雷器V20-C/I+NPE。由室外引入的微波收發(fā)饋線均安裝DS-N饋線防雷器。在電纜充氣設(shè)備電源入線端安裝第二級(jí)電源防雷器V20-C/I+NPE。在機(jī)房內(nèi)安裝等電位連接排 4801，機(jī)房內(nèi)所有設(shè)備的機(jī)殼及防雷器接地線都連接至等電位連接排上。所有設(shè)備的機(jī)殼均可靠接地，所有接地線共用一組接地裝置。接地電阻為1歐姆以下。防雷器前端均串接20A動(dòng)力型空氣開關(guān)。
五、應(yīng)用效果
通過2002年對(duì)常營車站、孟樓車站鐵路站場(chǎng)應(yīng)用該綜合防雷方案，站場(chǎng)通信、信號(hào)設(shè)備雷電防護(hù)效果可靠，確保了站場(chǎng)設(shè)備運(yùn)用安全、聯(lián)絡(luò)控制不中斷。特別是2003年華東地區(qū)雷雨多發(fā)，暴雨聯(lián)連，未對(duì)鐵路站場(chǎng)設(shè)備造成任何損壞。實(shí)現(xiàn)了安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的原則，達(dá)到了防御或減輕雷電災(zāi)害、提高防雷安全度的目的，鐵路安全運(yùn)輸生產(chǎn)上了一個(gè)新臺(tái)階。
