吳 波

(1.鐵道部宜萬(wàn)鐵路建設(shè)指揮部,湖北恩施 445000;2.武漢鐵路局襄樊電務(wù)段,湖北襄樊 441003)

宜萬(wàn)鐵路站場(chǎng)通信信號(hào)綜合防雷技術(shù)

吳 波1,2

(1.鐵道部宜萬(wàn)鐵路建設(shè)指揮部,湖北恩施 445000;2.武漢鐵路局襄樊電務(wù)段,湖北襄樊 441003)

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,造成嚴(yán)重?fù)p失。宜萬(wàn)鐵路站場(chǎng)雷電防護(hù)主要采用了直接雷防護(hù)(避雷針防護(hù))和雷擊電磁脈沖防護(hù)方案,詳細(xì)介紹了兩種防護(hù)方案的設(shè)置要求和主要設(shè)備情況。

宜萬(wàn)鐵路;通信;信號(hào);綜合防雷

1 概況

隨著現(xiàn)代鐵路技術(shù)的發(fā)展,各種設(shè)備對(duì)防雷擊的要求不斷提高,鐵道部也對(duì)各種計(jì)算聯(lián)鎖設(shè)備、通信信號(hào)機(jī)房設(shè)備的防雷有極其嚴(yán)格的要求,因此,對(duì)防雷技術(shù)也要求幾近苛刻。宜萬(wàn)鐵路地處我國(guó)南方地區(qū),雨季時(shí)間長(zhǎng),雷害的幾率很高。因此宜萬(wàn)鐵路站場(chǎng)的通信信號(hào)設(shè)施必須實(shí)施綜合防雷防護(hù)措施。

2 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4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,宜萬(wàn)鐵路站場(chǎng)雷電防護(hù)具有以下特點(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?jī)?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)對(duì)信號(hào)樓、通信樓內(nèi)的設(shè)備產(chǎn)生很大的破壞后果。

結(jié)合鐵路通信信號(hào)設(shè)備特點(diǎn),目前站場(chǎng)防雷措施主要有直擊雷防護(hù)、雷擊電磁脈沖防護(hù)兩種。

2.1 直擊雷防護(hù)措施——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)其他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保護(hù)半徑大大提高,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(guó)等一些歐洲國(guó)家的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。宜萬(wàn)線所屬車站選用先進(jìn)的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86μs,即優(yōu)先引雷入地,保護(hù)半徑大大增加,為目前國(guó)際上搶先時(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)選用了防腐性能優(yōu)越的316L不銹鋼材料。

(5)質(zhì)量很輕,荷載小,對(duì)支撐物的荷載要求低。

2.2 雷擊電磁脈沖防護(hù)——防雷器

選用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,耐久性好。

(2)采用多電極堆保證了能量分配的可控制,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。

3 鐵路站場(chǎng)雷電防護(hù)方案

3.1 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45m微波塔,在塔頂上安裝IF3避雷針,避雷針安裝高度超出塔頂2.5m。經(jīng)計(jì)算,避雷針對(duì)地面的保護(hù)半徑可達(dá)119m。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1Ω。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10m,在信號(hào)樓頂部安裝IF3避雷針,針的安裝高度超出樓頂5m。經(jīng)計(jì)算,保護(hù)半徑可達(dá)109m。樓頂預(yù)埋350mm×350mm×10mm鋼板,便于焊接避雷針底座,從底座沿相反方向焊接引出2條引下線,引下線采用大于φ8mm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1Ω。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,防止對(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(zhǎng)度約145m,在岔群咽喉區(qū)附近各建立12m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)111m。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10Ω。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。

3.2 雷擊電磁脈沖防護(hù)方案

3.2.1 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,設(shè)計(jì)應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮。

(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15m(GA267—2000第7、第8條)。室外衛(wèi)星饋線和其他各種通信、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。

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(zhǎng)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1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1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)按照移動(dòng)通信基站防雷與接地設(shè)計(jì)規(guī)范(YD5068—98)的要求予以改造。

3.2.2 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2路架空引入,供電方式為TT制式。在總配電箱安裝2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2套V20 -C/3+NPE電源防雷器及在車站綜合柜入線端安裝1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220V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)間短,納秒級(jí)導(dǎo)通;安裝方便,直接連接于兩接地匯流排之間。

3.2.3 通信樓雷擊電磁脈沖防護(hù)

針對(duì)通信樓電源分2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2套3*MC50-B+1*MCl25 -B第一級(jí)電源防雷箱。在數(shù)字微波入線端安裝第二級(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?jī)?nèi)安裝等電位連接排4801,機(jī)房?jī)?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1組接地裝置。接地電阻為1Ω以下。防雷器前端均串接20A動(dòng)力型空氣開關(guān)。

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。

4 站場(chǎng)通信信號(hào)技術(shù)要求

從上述分析中可以得出:為了提高宜萬(wàn)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,對(duì)宜萬(wàn)鐵路各車站要求雷電防護(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,宜萬(wàn)鐵路選用了GUERET預(yù)放電型避雷針作為直擊雷防護(hù)避雷針,選用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)。

5 結(jié)語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)宜萬(wàn)鐵路安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的原則,采用宜萬(wàn)鐵路站場(chǎng)通信信號(hào)雷擊防護(hù)系統(tǒng)技術(shù),能有效地減少雷害的危害程度,有效減輕雷電災(zāi)害、提高防雷安全度。

[1] GB50057—94,建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 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[S].

[3] GB7450—87,電子設(shè)備雷擊保護(hù)導(dǎo)則[S].

[4] GB50174—93,電子計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] GB9361—88,計(jì)算站場(chǎng)地安全要求[S].

U284.93

B

1004 -2954(2010)08 -0197 -03

2010 -05 -17

吳 波(1982—),男,助理工程師,2006年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué),E-mail:wubo4400@163.com。