- 鐵路站場通信信號綜合防雷方案
- 分析鐵路站場雷電防護
- 設計參照標準
- 直擊雷防護
- 雷擊電磁脈沖防護
隨著現(xiàn)代化的進展，鐵路站內(nèi)設備越來越先進。雷擊發(fā)生時，雷擊放電誘發(fā)雷擊電磁脈沖過電壓和過電流，經(jīng)站場電源系統(tǒng)、通信信號傳輸通道、接地系統(tǒng)及建筑物直擊雷防護系統(tǒng)，通過傳導、感應的方式損壞站內(nèi)通信信號設備及網(wǎng)絡通信設備，造成損失巨大，直接威脅鐵路正常的安全運輸生產(chǎn)。
一、對鐵路站場雷電防護的分析
鐵路站場設備遭受過電壓和過電流攻擊的途徑可分為直擊雷、感應雷、傳導雷、操作過電壓四種。結合站場設備的分布特點及雷電攻擊的途徑類型，鐵路站場雷電防護存在以下特點。
1.鐵路站場占地面積較大，站場主要設備(如數(shù)字微波通信、車站數(shù)字通信分系統(tǒng)、站場廣播機、無線列調(diào)通信、平面調(diào)車通信、信號微機聯(lián)鎖等設備)集中在信號樓、通信樓。信號樓、通信樓的避雷針應能滿足對整個信號樓、通信樓區(qū)域的保護，有效防止直擊雷的襲擊。
2.鐵路道軌是接受直擊雷和傳導雷感應雷的良好導體。與道軌連接的相關鐵路信號設備，如信號機、軌道電路箱、道岔電動轉(zhuǎn)轍機等，將受到雷擊的嚴重威脅。
3.信號樓微機聯(lián)鎖及通信機房、通訊樓通訊機房等重要區(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房內(nèi)部，從而引起對內(nèi)部設備的損壞。當雷雨云之間、雷雨云對大地之間放電時，雷閃電流的高頻電磁場對暴露在空間或室內(nèi)的電源線、信號線、數(shù)據(jù)線上產(chǎn)生遠遠超過設備抗電強度的感應雷擊過電壓，使設備損壞。
4.雷電防護的原則是“等電位”。由于機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，雷電流引起地電位差，造成“地電位反擊”，使人員和設備遭受損害。
5.操作過電壓引起的危害，如儲藏設備的開關、輸電線路的短路、周圍大容量設備運行時產(chǎn)生的工業(yè)干擾或操作過電壓在電源線上會產(chǎn)生 5000~6000V、3KA的浪涌過電壓及浪涌電流，它們的竄入也會將信號樓、通信樓內(nèi)的設備產(chǎn)生很大的破壞后果。
從以上分析中可以得出：為了提高鐵路站場建筑物安全及機房設備及計算機、通信網(wǎng)絡的運行可靠度，整個站場的雷電防護系統(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措施。同時必須在車站的供電系統(tǒng)、天饋系統(tǒng)、信號采集傳輸系統(tǒng)、程控交換系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)、機房接地系統(tǒng)等進行可靠有效的防護，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。
基于以上分析，兗州礦業(yè)集團鐵運處選用了法國先進的法蘭西GUERET預放電型避雷針作為直擊雷防護避雷針，選用世界一流的德國 OBOBETTERMANN系列電源及數(shù)據(jù)信號防雷器件，對主要機房設備和重要終端進行雷擊電磁脈沖防護。
二、設計參照標準
鐵路站場綜合防雷的設計主要執(zhí)行或參照以下標準：GB50057-94《建筑物防雷設計規(guī)范》2000年版、GA267-2000《計算機信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖安全防護規(guī)范》、 GB7450—87《電子設備雷擊保護導則》、GB50174-93《電子計算機機房設計規(guī)范》、 GB9361—88《計算站場地安全要求》等。鐵路站場雷電防護總的原則是經(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，達到保護設備的目的。電磁兼容防護總的原則是利用室內(nèi)的金屬物有機地構成一個“法拉第籠”，進行接地連接。站場綜合防雷設計本著安全可靠、技術先進、經(jīng)濟合理的原則，達到防御或減輕雷電災害、提高防雷安全度的目的。
三、直擊雷防護
(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(通常認為零電位)引至針尖，利用針尖的高度(比被保護物高出許多)，比被保護物優(yōu)先產(chǎn)生上行先導，與雷云的下行先導相遇，從而達到引雷入地的效果，保護其它建筑物免受雷擊的侵害。
預放電型避雷針利用了雷云產(chǎn)生的空間電場強度，預先使周圍的空氣電離，空氣離子在空間電場的作用下加速接近雷云，從而使迎面先導大大提前與雷云的下行先導相遇，使得引雷的可靠性和半徑提高大大保護，增強了保護性能。
預放電型避雷針為先進的純結構型預放電避雷針。它利用雷云在空中感應的電場強度，使針頭的感應電極(空中場強)與針尖(地電位)之間產(chǎn)生強烈的火花放電，使針頭周圍空氣電離，在電場的作用下形成一條向上的雷電先導，從而使迎面先導提前與雷云的下行先導相遇，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。此類避雷針比普通避雷針提前產(chǎn)生上行先導的時間稱為“預放電時間”，這是考核預放電型避雷針性能的重要指標，已列入法國等一些歐洲國家的國家標準。鐵運處所屬車站選用先進的法蘭西GUERETIF3 預放電型避雷針作為直擊雷防護避雷針，對站場可能遭受直擊雷的重點區(qū)域?qū)嵤┲苯永椎姆雷o。該類避雷針的特點如下：
1.最快的搶先預放電時間86us，即優(yōu)先引雷入地，保護半徑大大增加，為目前國際上中搶先時間最快的預放電避雷針。
2.在相同的安裝高度下，比普通避雷針的保護半徑大十幾倍，大大提高了防護效率。
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。
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，對支撐物的荷載要求低。[page]
(二)直擊雷防護方案
鐵路站場直擊雷防護重點區(qū)域是通信樓、信號樓和戶外岔群咽喉區(qū)設備。
1.通信樓直擊雷防護。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)計算，避雷針對地面的保護半徑可達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。該避雷針可保護通信樓、部分鐵軌和場區(qū)部分咽喉區(qū)的部分信號機等鐵路設備，免受直擊雷的侵害。
2.信號樓直擊雷防護。利用被保護建筑物信號樓，高度約為10米，在信號樓頂部安裝IF3避雷針，針的安裝高度超出樓頂5米。經(jīng)計算，保護半徑可達109米。樓頂預埋 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。保護信號樓及場區(qū)附近的鐵軌避免由于直擊雷擊中鐵軌雷電流竄入信號樓，對設備及人身安全造成危害。
3.戶外岔群咽喉區(qū)直擊雷防護。鐵路站場岔群咽喉區(qū)的特點是設備分布較為集中，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)計算，保護半徑可達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。對咽喉區(qū)內(nèi)大部分的軌道電路箱、道叉電動轉(zhuǎn)轍機及信號機等設施進行了直擊雷的保護，免受直擊雷的侵害。
四、雷擊電磁脈沖防護
(一)防雷器
選用世界一流的德國OBOBETTERMANN系列電源防雷器件，對鐵路站場主要機房設備和重要終端進行雷擊電磁脈沖防護。它具有以下特點。
1.應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)電容控制對模塊達到低殘壓水平，通過這種設計，具有良好的續(xù)斷遮斷，達到對續(xù)流的完全熄滅。
3.密封設計，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和更換，可大量節(jié)約維護費用。
5.安裝簡單，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，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保險絲脫逃，防雷器與電網(wǎng)隔離，防止防雷器損壞。
(二)雷擊電磁脈沖防護方案
1.對纜線布放和接地系統(tǒng)的要求
鐵路站場主要設備集中在信號樓、通信樓。雷擊電磁脈沖防護的重點是信號樓和通信樓內(nèi)的敏感電子設備。在進行電源和信號線防雷器配置時，根據(jù)有關規(guī)范要求，應從以下幾個方面進行設計考慮。
(1)電力電纜應埋地引入建筑物，電纜埋地部分不應小于15米(GA267-2000第 7、第8條)。室外衛(wèi)星饋線和其它各種通信、信號電纜應采用具有雙層金屬防護層的電纜，其外層金屬防護層在頂部及進入機房入口處的外側應就近接地。當采用單層屏蔽電纜或無屏蔽線纜時，應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)的連接處應有效跨接(GB50057-94第6.3.1條)。
因此，出入信號樓、通信樓的電力電纜(線)、通信纜線、信號電纜應采用金屬護套電纜或敷設在金屬管內(nèi)，纜線金屬護套或金屬管應在頂部及進入機房入口處的外側就近分別接地；進入信號樓、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小于 15m；微波鐵塔上架設的同軸電纜應穿在金屬管內(nèi)，金屬管應分別在上下端接地；進入機房的電纜橋架應屏蔽接地。
(2)信號樓、通信樓應采用共用接地系統(tǒng)(GB5005794第6.3.3條)。因此，一棟樓內(nèi)的電子設備應共用一組接地裝置，應按均壓、等電位的原理，將工作地、保護地和防雷地組成一個聯(lián)合接地網(wǎng)。站內(nèi)各類接地線應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按照YD5068— 98(移動通信基站防雷與接地設計規(guī)范)的要求予以改造。
2.信號樓雷擊電磁脈沖防護
信號樓主要包括微機聯(lián)鎖設備、無線列調(diào)及平面調(diào)車車站電臺、計算機服務器、站場廣播機及車站數(shù)字通信分系統(tǒng)等設備。
針對信號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電源防雷器。需要注意的是第一級與第二級防雷器之間的線路應保持5m以上的距離。無線列調(diào)及平面調(diào)車車站設備，在天饋線進入調(diào)度機房入口與設備聯(lián)接處安裝DS-N饋線防雷器，注意設備機殼及防雷器地線良好接地。防雷器前端均串接20A動力型空氣開關。
戶外信號機、道岔、軌道電路與室內(nèi)相連的信號線，是重要的引雷路徑，需根據(jù)每一根信號線上電壓的不同相應安裝防雷器，分別選擇V20-C系列防雷器進行防護：對于交流和直流220伏信號線采用V20-C/4+NPE電源防雷器進行防護；對于交直流10~24V信號線采用V20-C /1~75V進行防護；防雷器前端均串接20A動力型空氣開關。
由于信號設備的保護地與工作地嚴格分開，雷擊發(fā)生時，兩個地線系統(tǒng)可能出現(xiàn)瞬間電壓差，造成電子設備及人身的損壞和傷害。為了達到有效的防雷保護，在兩個地之間安裝OBO地極保護器480。其特點是：正常工作狀態(tài)下，兩地相互無干擾；雷擊狀態(tài)下， 480迅速導通，兩地電壓均衡，消除反擊電壓；響應時間小，納秒級導通；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
針對通信樓電源分兩路架空引入，引雷幾率較大，低壓電纜應地埋15m以上引入通信樓，在主配電箱安裝兩套3*MC50- B+1*MCl25-B第一級電源防雷箱。在數(shù)字微波入線端第二級電源防雷器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。在電纜充氣設備電源入線端安裝第二級電源防雷器V20-C/I+NPE。在機房內(nèi)安裝等電位連接排 4801，機房內(nèi)所有設備的機殼及防雷器接地線都連接至等電位連接排上。所有設備的機殼均可靠接地，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動力型空氣開關。
五、應用效果
通過2002年對常營車站、孟樓車站鐵路站場應用該綜合防雷方案，站場通信、信號設備雷電防護效果可靠，確保了站場設備運用安全、聯(lián)絡控制不中斷。特別是2003年華東地區(qū)雷雨多發(fā)，暴雨聯(lián)連，未對鐵路站場設備造成任何損壞。實現(xiàn)了安全可靠、技術先進、經(jīng)濟合理的原則，達到了防御或減輕雷電災害、提高防雷安全度的目的，鐵路安全運輸生產(chǎn)上了一個新臺階。
