吳 波

(1.鐵道部宜萬鐵路建設指揮部,湖北恩施 445000;2.武漢鐵路局襄樊電務段,湖北襄樊 441003)

宜萬鐵路站場通信信號綜合防雷技術(shù)

吳 波1,2

(1.鐵道部宜萬鐵路建設指揮部,湖北恩施 445000;2.武漢鐵路局襄樊電務段,湖北襄樊 441003)

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,造成嚴重損失。宜萬鐵路站場雷電防護主要采用了直接雷防護(避雷針防護)和雷擊電磁脈沖防護方案,詳細介紹了兩種防護方案的設置要求和主要設備情況。

宜萬鐵路;通信;信號;綜合防雷

1 概況

隨著現(xiàn)代鐵路技術(shù)的發(fā)展,各種設備對防雷擊的要求不斷提高,鐵道部也對各種計算聯(lián)鎖設備、通信信號機房設備的防雷有極其嚴格的要求,因此,對防雷技術(shù)也要求幾近苛刻。宜萬鐵路地處我國南方地區(qū),雨季時間長,雷害的幾率很高。因此宜萬鐵路站場的通信信號設施必須實施綜合防雷防護措施。

2 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4種。結(jié)合站場設備的分布特點及雷電攻擊的途徑類型,宜萬鐵路站場雷電防護具有以下特點。

(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(guān)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(guān)、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,它們的竄入也會對信號樓、通信樓內(nèi)的設備產(chǎn)生很大的破壞后果。

結(jié)合鐵路通信信號設備特點,目前站場防雷措施主要有直擊雷防護、雷擊電磁脈沖防護兩種。

2.1 直擊雷防護措施——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,保護其他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保護半徑大大提高,增強了保護性能。

預放電型避雷針為先進的純結(jié)構(gòu)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。宜萬線所屬車站選用先進的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86μs,即優(yōu)先引雷入地,保護半徑大大增加,為目前國際上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)選用了防腐性能優(yōu)越的316L不銹鋼材料。

(5)質(zhì)量很輕,荷載小,對支撐物的荷載要求低。

2.2 雷擊電磁脈沖防護——防雷器

選用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,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。

3 鐵路站場雷電防護方案

3.1 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)計算,避雷針對地面的保護半徑可達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10m,在信號樓頂部安裝IF3避雷針,針的安裝高度超出樓頂5m。經(jīng)計算,保護半徑可達109m。樓頂預埋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,防止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)計算,保護半徑可達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。

3.2 雷擊電磁脈沖防護方案

3.2.1 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(guān)規(guī)范要求,設計應從以下幾個方面考慮。

(1)電力電纜應埋地引入建筑物,電纜埋地部分不應小于15m(GA267—2000第7、第8條)。室外衛(wèi)星饋線和其他各種通信、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(cè)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。

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(cè)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1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1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移動通信基站防雷與接地設計規(guī)范(YD5068—98)的要求予以改造。

3.2.2 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(guān)。

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220V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(guān)。

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;響應時間短,納秒級導通;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

針對通信樓電源分2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2套3*MC50-B+1*MCl25 -B第一級電源防雷箱。在數(shù)字微波入線端安裝第二級電源防雷器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1組接地裝置。接地電阻為1Ω以下。防雷器前端均串接20A動力型空氣開關(guān)。

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(gòu)成一個“法拉第籠”,進行接地連接。

4 站場通信信號技術(shù)要求

從上述分析中可以得出:為了提高宜萬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,對宜萬鐵路各車站要求雷電防護系統(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,宜萬鐵路選用了GUERET預放電型避雷針作為直擊雷防護避雷針,選用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。

5 結(jié)語

為了實現(xiàn)宜萬鐵路安全可靠、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理的原則,采用宜萬鐵路站場通信信號雷擊防護系統(tǒng)技術(shù),能有效地減少雷害的危害程度,有效減輕雷電災害、提高防雷安全度。

[1] GB50057—94,建筑物防雷設計規(guī)范[S].

[2] GA267—2000,計算機信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖安全防護規(guī)范[S].

[3] GB7450—87,電子設備雷擊保護導則[S].

[4] GB50174—93,電子計算機機房設計規(guī)范[S].

[5] GB9361—88,計算站場地安全要求[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,E-mail:wubo4400@163.com。