城市轨道交通系统的防雷保护

城市轨道交通系统的防雷保护摘要：针对目前城市轨道交通系统中普遍使用的自动化运行控制系统，讨论了轨道交通系统的过电压防护与接地。关键词：轨道交通；防雷；电磁脉冲；接地；等电位；屏蔽；SPD1、引言1863年第一条地铁线路的出现和1888年美国第一条有轨电车线路建成，标志着城市交通进入轨道交通时代。经过诞生和初始发展阶段(1863年-1924年)、萎缩阶段(1924-1949年)、再发展阶段(1949-1969年)、高速发展阶段(1970年-至今)，当今世界各大城市和特大城市都确立了公交优先，轨道交通是公交骨干的政策。随着现代化新不断地涌现，更多的自动化控制系统被应用到轨道交通系统中，为轨道交通运营效率、运行速度的提高提供了有力的保障。在自动化系统不停的更新换代中，运用了越来越多的高精密、高速度处理系统，在系统性能的提升和不断的能耗控制需求下，设备内部器件的功耗与工作电压越来越低，随之而来的是系统的抗干扰能力大幅度下降，系统的安全性变得越来越脆弱。在运行中，由于雷电波侵入、电力系统故障、线路和车站中的电磁环境相对复杂等原因产生的过电压，在一定程度上对系统的稳定运行产生了不利影响。特别是近些年来，由于城市土地资源的稀缺和工程造价的降低，在发展的城市轨道交通系统中，高架线和地面线占了相当大的比重。线路、车站及辅助系统设备大量安装于地面以上，同时，系统中各站点与控制中心之间相互连接的各类网络、通讯系统的大量应用使得雷电电磁脉冲对系统安全运行的影响日益突出。本文中，我们以目前在系统中普遍使用的自动化运行控制系统为重点研究对象，讨论轨道交通系统的过电压防护与接地。城市轨道交通系统是由多个分别完成不同功能的子系统所构成的，按不同的系统性质可分为：基础设施和控制系统两大部分。基础设施包括线路、车辆、车站等，控制系统由电气、通信、信号、运行组织、客运组织等几部分组成。2、按雷电电磁环境分区按线路及车站所处的位置不同，可将轨道交通分为地下线（站）和地面线（站）两大类。地下线（站）由于在建设时按城市总体规划要求，考虑地面建筑物、工程地质等因素来确定。浅埋比较经济，乘客进出方便，一般离地面10～15m；深埋投资较大，施工也较困难，但对地面正常活动无影响，一般埋深为30～50m。地下线路、车站结构采用钢筋混凝土浇筑而成，钢筋在施工中相互之间采用焊接或绑扎等工艺形成了良好的电气连接，金属网格密集，成为了电磁屏蔽效果非常好的“法拉第笼”结构，对外界空间的雷电电磁脉冲有非常理想的抵制效果，站内人员及设备处于LPZ1或更高的防雷区内。同时，除站厅外，几乎全部设施处在地面下，被雷电直接击中的可能性为零。地面线（站）根据线路所经过地区的地理、地貌、建筑情况的不同，雷击的风险情况也不尽相同。例如在北京，地面线和地面站通常是位于市区繁华地带以外或郊区，为解决与地面交通的交叉与相互影响问题，多是以高架线和车站的形式出现。这种情况无疑使线路和车站处于所经过地区相对较高的空间位置，同时由于轨道交通全线应用电力驱动、牵引的方式提供车辆动力，多种因素综合起来增加了线路、车辆及车站遭受雷电的概率，更有可能受到直击雷的袭击。除雷电因素影响人员和系统的安全外，轨道交通系统自身引起的电磁环境污染也是对系统内设备产生干扰、影响系统运行可靠性的重要原因之一。比如，一个运行在闹市周边地区的直流电气牵引系统，以其宽频谱、各种骚扰途径（传导、感应、辐射）俱全的特点恶化（或说污染）了所在区域的电磁环境；杂散电流使通信导线与附近大地形成电位差，除腐蚀地下管线外，还会在接地的通信设备机架上形成高电位，危及设备和人员的安全；受电弓（靴）产生的电猝发与浪涌成为城市杂波的重要组成部分，对附近的信息设备和精密仪器造成骚扰，接触导线还是车辆内高次谐波的发射天线，电磁辐射污染了近距离的电磁环境。3、防护重点3.1、直击雷防护对地面的站厅建筑进行保护，原则依据《建筑物防雷设计规范》GB50057-942000年修订版中对于建筑物防雷分类的计算方法对地下线路的地面站厅建筑物做防雷分类的确定，按防雷类别对应的直击雷防护措施做好相应的设计，具体方法在此不再展开讨论。对于地面站和高架站的一些特殊情况，在保证建筑自身不受雷击的同时更重要的是要保证站内人员的人身安全。地面站往往因长、宽的跨度比较大，考虑外观造型美观等因素，多采用了钢结构支撑建筑屋顶、钢结构在站内外露或与其他金属物连接的做法。而钢结构自身并不是全部直接埋入地下，有时无法确认其接地是否可靠。因此，对这些地面站和高架站除利用结构或另设接闪器做好接闪外，应设置可靠的专用引下线并与车站的综合接地系统做好连接，确保引下线与站内、外的人员有足够的绝缘强度和安全距离。3.2、接地与等电位连接在轨道交通系统中，设备最为集中的车站通常在建设中采用地下建筑的钢筋混凝土结构作为基础接地，整体地下建筑、隧道等都通过相互连接的钢筋形成自然的接地体，有效地保证了系统接地符合接地阻值的需要，同时为各机房设备、现场设备提供了方便的接地途径。地面站也会通过建筑的基础装置形成自然接地，并在地面建筑内设置等电位端子排。作为系统内安全保护和设备正常工作的重要基础组成部分，一旦接地的金属材料腐蚀或意外断开将使局部接地受到影响，使系统的接地电阻值升高甚至造成悬浮地。为保证接地系统的可靠性，应在系统建设时对接地材料采取必要的防腐蚀措施，例如针对杂散电流的影响采取阴极保护措施、在接地距离系统设备较近的位置增设耐腐蚀能力强的新型接地材料和降阻防腐材料，如近年新引入国内的镀铜钢接地产品和配套的长效防腐降阻剂（但在选用镀铜钢产品时应首先做好钢轨、系统钢结构等“阳极”材料的保护）。一般在系统的建设过程中，按设计在设备机房和现场设备处预留多个接地端子供设备接地，但往往没有设置完善的等电位连接网络，在雷击电磁脉冲侵入系统时，将会造成系统设备之间的电位差，从而击穿设备间的绝缘造成设备故障，影响系统设备的稳定运行。因此，作为现代防护重要技术核心的等电位连接是轨道交通设备保护中的重点，它同样对人员的人身安全保护起到重要作用。等电位连接网络一般分为S型和M型两种，前者适用于小范围内、设备集中、系统进出线位置集中的局部系统，而后者适用于占地面积大、工作频率高、设备分散、系统进出线分散的复杂系统。根据轨道交通的系统结构特点，大多数情况更适用于使用M型等电位连接网络，通常的做法是在设备机房内地面设置密集的网格型金属连接网（使用薄铜带，更有利于高频脉冲电流的通过），并在多处与联合接地装置连接，需要等电位连接和接地的设备以最短的途径与铜带连接。3.3、雷电电磁脉冲的防护随着轨道交通行车间隔的缩短，依靠人工控制车速的传统运行方式已经不能满足需要，轨道交通的运行、控制已经由早期的人工操作过渡到了全线自动化、计算机控制的阶段。对于线路、车站设备的保护重点是系统机电设备和通信系统，由自动售检票系统（AFC）、火灾报警系统（FAS）、环境与设备监控系统（BAS）、视频监控系统（CATV）、轨道交通线网指挥中心（TCC）、屏蔽门控制系统、供电系统（SCADA）、通信系统、旅客信息系统（PIS）、行车管理与控制系统等多个结构、相互关系错综复杂的子系统组成。考虑电磁脉冲对系统的运行可靠性影响，必须从各个子系统间的关系及各自特点入手，在做好系统接地保护和等电位连接的基础上，综合运用分流、屏蔽、端口保护等措施解决系统中可能受雷电电磁脉冲干扰的因素，达到整体解决防雷与防电磁脉冲的目的。4、机电与通信系统的保护轨道交通的机电与通信系统主要集中体现于车站及控制中心或线路中心等场所，车载系统安装于列车内部，与车站系统及控制系统之间通过各种传感设备及无线通信完成信息的传递。我们在此仅讨论车站及控制中心等车下机电与通信系统的过电压保护。4.1、供电系统轨道交通的运行依赖于供电系统，可以说供电系统是整个轨道交通系统中最为重要的部分。供电变电站按功能划分主要有4种类型：主变电站、牵引变电站、降压变电站和跟随变电站。主变电所将110kV电网电压降为35kV，给牵引变电站和降压变电站供电（电压等级仅为参考值，进口一次设备可能略有差异，以下同）；牵引变电站则是将35kV交流电经变压器、整流器转换为直流1500V/750V，给接触网/接触轨供电；降压变电站则是将35kV电网电压降为400V，提供车站的动力和照明电源，同时也是跟随变电站的进线电源；跟随变电站无变压器，是降压变电站400V侧在地理上的延伸，是为离降压变电站较远的设备供电。供电系统应用遍及轨道交通系统的各个角落，从上千伏的牵引电压到几十伏的弱电系统设备直流供电都依赖于供电系统的正常运行，包括控制中心、车站在内的机电系统设备及通信设备的工作都离不开电源。而系统中因雷击、电磁脉冲等原因引起的过电压随着供电系统的回路传导到系统中的不同位置，线路上的过电压对设备的安全运行将产生不同程度的影响。因此，无论在系统中的任何位置，供电系统的过电压保护都是必不可少的重要组成部分。按供电系统进入各用电位置的路径以及针对具体的用电设备所处的电磁脉冲防护分区的原则，通常是按不同的电压等级、雷电分区界面位置等因素来考虑相应的过电压防护措施。(1)高压部分：110kV、35kV的主变电站和牵引变电站。按城市供电系统高压配电规范在高压配电系统中及线路一次回路中设置高压氧化锌避雷器。高压部分不在此详细讨论。(2)直流牵引接触网：750V或1500V直流接触网或接触轨。地面接触网：一般按线路的架设方式在地下隧道两端、为地面接触网供电的电源隔离开关处以及地面线、高架线每隔500m设置与接触网电压等级相适应的避雷器；架空接触网：在地面线及高架线上，凡是架空的接触网每隔200m设置一组火花间隙型避雷装置；避雷装置的接地：避雷装置的工频接地电阻不大于10Ω;，并通过专用引下线直接接地。(3)低压电源系统：由每个降压变电站至供电线路区间每一个供电区域（各控制机房、车站等）的低压电源电缆均在进入供电区域建筑前采取埋地敷设的方式，并在每处电缆井内将电缆金属铠装层做好接地处理；电缆进入建筑物或车站的位置将电缆铠装层与建筑的综合接地装置做好等电位连接。并在进入建筑的第一个隔离开关处设置第一级低压电源SPD作保护。SPD的选择需要根据当地的雷暴数据以及计算得到的建筑物防雷等级（防雷类别及电子信息系统防雷级别），选用通流量足够大的产品。一般可考虑选用不小于15kA通流量10/350us短路电流测试的开关型SPD，或选用最大通流量在100kA以上的8/20us短路电流测试的限压型SPD。由总配电柜输出的电源线必须按TN-S接地保护制式的原则布线，并利用金属封闭、接地可靠的桥架敷设，金属桥架保证电气连接可靠，两端做好接地处理。如选用铠装电缆，还需要将铠装层在两端做好接地，以屏蔽雷击或站区内电磁脉冲辐射造成的干扰电磁场。在每个二级配电装置处设置电源二级SPD。一般通流量按标称40kA（8/20us）选用，地下线（站）的可考虑适当降低通流量标准至20kA（8/20us），以降低工程成本。SPD的最大持续工作电压Uc不宜低于385V，以避免因启动电压低而受动力设备的启动或停机引起的线路电压波动影响造成SPD频繁动作而影响其使用寿命；SPD的电压保护水平Up应尽量低，一般以不高于2kV为宜（按一般民用电器耐冲击电压水平2.5kV的80%考虑）。配电线路各种设备耐冲击过电压额定值如表1表1配电线路各种设备耐冲击过电压额定值如表设备位置电源处的设备配电线路和最后分支线路的设备用电设备特殊需要保护的电子信息设备耐冲击过电压分别IV类III类II类I类耐冲击过电压额定值6KV4KV2.5KV1.5KV在网络、计算机、监控、通信以及现场设备配电装置处或设备前端最靠近设备的位置设置电源第三级SPD。此处的SPD通流量不必考虑过大，一般5-10kA（8/20us）即可。最大持续工作电压可按320V选用，Up值控制在1.2kV以下（按需要特殊保护的设备耐冲击电压水平1.5KV的80%）。对冲击过电压耐受能力极差的设备应根据其可耐受极限冲击电压的80%设置特殊的末级SPD保护。由开关电源