曾杰，夏旭明，趙洋，曾倩（株洲中車特種裝備科技有限公司，412000）

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觀光小火車軌道及系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)方案研究

曾杰，夏旭明，趙洋，曾倩
（株洲中車特種裝備科技有限公司，412000）

摘 要：如果云層之間放電，且與大地形成回路放電，則對建筑物、電子電氣設(shè)備和人、畜造成極大危害的現(xiàn)象稱為被雷擊危害甚大，其所造成危害稱為被雷擊。本文針對某軌道觀光小火車公共游樂設(shè)施，根據(jù)不同的雷擊方式研究設(shè)計(jì)了對應(yīng)的防雷設(shè)施，提出了可行、可靠、安全的方案，為設(shè)備生產(chǎn)提供參考作用。

關(guān)鍵詞：雷擊；防雷；防雷設(shè)計(jì)

引言

雷擊現(xiàn)象乃至遭受雷擊危害生命的事件一直在發(fā)生，由直擊雷造成的損害相當(dāng)嚴(yán)重，并且電磁感應(yīng)、雷電波侵入和地電位反擊造成的危害也大幅度增加。目前，隨著全球氣候變化的多樣性，防雷擊工作一直被強(qiáng)調(diào)。隨著科技技術(shù)的發(fā)展，電與人類的生活已經(jīng)息息相關(guān)，人類無論是日常生活還是經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)都離不開電，而雷擊災(zāi)害對電力、電子等設(shè)備的危害是致命的，因此雷擊災(zāi)害現(xiàn)已被國際電工委員會（IEC）稱為"電子化時代的一大公害"。

作為公共游樂設(shè)施的軌道觀光小火車，其防雷設(shè)施的可靠性、安全性更是不容忽視，本文對其防雷系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

1 雷電災(zāi)害及防護(hù)原理概述

1.1 雷電的產(chǎn)生及其危害

進(jìn)入春季后我國大部分地區(qū)進(jìn)入雷電多發(fā)期，尤其是南方省份。雷電是由于天空中的云層所帶的正負(fù)電荷分離，正電荷積聚的云團(tuán)和負(fù)電荷積聚的云團(tuán)之間電位差積累到一定的程度時的放電現(xiàn)象。強(qiáng)烈的放電可以擊穿空氣，直接擊落到大地上，其電壓之高可達(dá)1億伏，溫度更是可達(dá)2～3萬℃。雷電災(zāi)害可對電網(wǎng)、廣播、通訊、航空等造成嚴(yán)重的影響，給人們的日常生活和人生安全帶來嚴(yán)重的影響和損失。

1.2 雷電災(zāi)害的主要類型

針對不同方式的雷擊，需要設(shè)置不同的防雷擊裝備。雷擊方式主要有以下四種。

1.2.1 直接雷擊

直接雷擊主要是指雷電直接擊到被擊物體上如樹木、動植物、桿塔、建筑物等。由其高電壓瞬間放電所帶來的電效應(yīng)、熱效應(yīng)、機(jī)械力效應(yīng)等造成人員和家禽家畜傷亡、建筑物損壞、用電設(shè)備短路以及火災(zāi)。

1.2.2 感應(yīng)雷擊

感應(yīng)雷擊主要是由雷雨云靜電感應(yīng)、直接雷發(fā)生或接閃器接閃時，其周圍的金屬導(dǎo)體或電氣設(shè)備等電荷排布會發(fā)生變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢或感應(yīng)電流。通常在以雷電通道1.5km的半徑內(nèi)都可能產(chǎn)生危險(xiǎn)電勢危機(jī)人畜生命安全。而且此時其周圍往往會伴隨產(chǎn)生一個劇烈變化的電磁場。處在電磁中的電子設(shè)備會產(chǎn)生一定的感應(yīng)電壓，當(dāng)感應(yīng)電壓超過了元器件的極限耐壓值時，電子設(shè)備就會被擊穿損壞，嚴(yán)重時還會引起火災(zāi)。變化電磁場波及的范圍距離雷擊發(fā)生地可達(dá)幾十千米。

1.2.3 電力線引入雷電

當(dāng)直擊雷發(fā)生在建筑物架空線路或者架空金屬管道時，會產(chǎn)生較高的沖擊電壓或沖擊電流。此時沖擊電壓或沖擊電流會沿著架空線路或架空管道兩端蔓延入侵，可能將沿線的電力電子設(shè)備絕緣擊穿、或者電壓電流異常變化。造成設(shè)備誤動作、數(shù)據(jù)丟失、電子設(shè)備受干擾，甚至引起整個系統(tǒng)癱瘓。給人們的生活和生產(chǎn)活動帶來嚴(yán)重的危害。

1.2.4 地電位反擊

地電位反擊主要是由于接閃器遭遇直接雷擊將雷電流導(dǎo)入接地系統(tǒng)，由于接地系統(tǒng)存在一定的接地電阻值從而產(chǎn)生高幅值的危險(xiǎn)過電壓。此危險(xiǎn)電壓經(jīng)由其他防雷系統(tǒng)的接閃器、設(shè)備的接地線、電力系統(tǒng)中心線接地端、直流接地端、屏蔽接地等給設(shè)備和人身安全造成危害。地電位反擊主要有以下兩種形式：一是雷電流引入接地系統(tǒng)中，由接地電阻抬高地電位，從而反向擊穿設(shè)備。二是在一定范圍內(nèi)同時存在多個接地網(wǎng)，但彼此之間相隔的安全距離不夠，某一接地網(wǎng)接受大量的雷電流，從而產(chǎn)生高電位向周圍沒有接受雷電流的接地網(wǎng)反擊，從而將危險(xiǎn)有害電流引向設(shè)備。

2 防雷設(shè)計(jì)依據(jù)與原則

本設(shè)計(jì)方案在制訂過程中參考了以下國家規(guī)范、行業(yè)規(guī)范和國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［1-3］：

《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》

GB50057-2010

《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》

GB50343-2012

《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》

GB50054-2011

結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，本技術(shù)方案設(shè)計(jì)遵循如下原則：

（1）安全可靠：進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研，搜集歷史雷暴記錄資料、勘察工程處地形地貌，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)防雷方案，對工程進(jìn)行綜合評估、安全性分析、可行性分析、技術(shù)評審，從而確保設(shè)計(jì)方案安全可靠。

（2）技術(shù)先進(jìn)：在確保安全可靠以及不超出合理的預(yù)算范圍的前提下，合理利用現(xiàn)今國內(nèi)外先進(jìn)成熟的防雷技術(shù)以及防雷器件，既能對設(shè)備進(jìn)行安全可靠地保護(hù)，又能保障客戶的利益。充分發(fā)揮產(chǎn)品之間的優(yōu)勢互補(bǔ)使整個系統(tǒng)做到真正的最優(yōu)性價比配置，留有一定的擴(kuò)容接口。

（3）經(jīng)濟(jì)美觀：以安全生產(chǎn)為前提，以客戶利益為參考合理的利用預(yù)算，不盲目的追求昂貴的配件，一切從實(shí)際需求出發(fā)，整套防雷設(shè)備外觀盡量貼近自然融入整個景區(qū)的布局，既滿足安全的需要又不破壞景區(qū)原有的景觀。

3 方案設(shè)計(jì)

某著名旅游景點(diǎn)，為雷暴多發(fā)山區(qū)。此景點(diǎn)預(yù)算開發(fā)一條軌道觀光旅游線路，采用單軌架空的形式鋪設(shè)軌道。預(yù)計(jì)軌道全長3.9km，寬0.58m；小火車寬1.5m，高1.7m；軌面距山谷最低處29m。軌道側(cè)面架設(shè)有供電三相滑觸線其電壓為380V，車輛通過碳刷從滑線上取電。

圖1 軌道示意圖

3.1 接閃器

直接雷擊是指雷電直接擊到物體或設(shè)備上。根據(jù)GB50057第4.4.1條［1］，“第三類防雷建筑物外部防雷的措施宜采用裝設(shè)在建筑物上的接閃網(wǎng)、接閃帶或接閃桿，也可采用由接閃器、接閃帶和接閃桿混合組成的接閃器”。由于該項(xiàng)目針對的是景區(qū)，綜合考慮安全、美觀、經(jīng)濟(jì)等多方面因素后沿途采用多根避雷針成列排布做接閃器。

相鄰兩根等高避雷針的保護(hù)范圍如圖2所示。

圖2 兩根避雷針保護(hù)范圍

令D為兩針間距離，2bx即在高度為hx水平面上保護(hù)范圍的最小寬度，它位于兩針連接線的中垂線上，即距離每針為D/2。

h0為兩針保護(hù)范圍上部邊緣最低點(diǎn)的高度，計(jì)算如下：

式中p為高度影響系數(shù)

當(dāng)D=7ph時，h0=0兩避雷針不能構(gòu)成聯(lián)合保護(hù)即兩避雷針之間存在保護(hù)盲區(qū)。因此兩針間距離與針高之比D/h不宜大于5。

考慮到景區(qū)避雷針過多影響美觀，此方案中取極限值D/h=5、被保護(hù)車輛高度hx=2m，軌道長L取3.9km ，由圖2易知2bx表示在高度為hx水平面上保護(hù)范圍的最小寬度，當(dāng)h=10m時：

由rx=（h-1.53hx）p；

h0=h-D/7p；

bx=1.5（h0-hx）；

N=L/D；

代入數(shù)據(jù)易得rx=6.94m

h0=2.85m

bx=1.28m

D=50m

N=78根。

當(dāng)h=12m時，同理算出：

h0=2.85m D=60m N=65根。

當(dāng)h=14m時，同理算出：

h0=4m D=70m N=56根。

當(dāng)h=16m時，同理算出：

h0=4.57m D=80m N=49根。

由以上計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)避雷針選得越高，線路上所需安裝避雷針的數(shù)量越少，且受保護(hù)車輛兩邊的被保護(hù)范圍越寬。結(jié)合安全因素、景點(diǎn)的美觀以及工程安裝造價角度，建議采用樹形接閃桿沿軌道安裝56根，接閃桿頂部距軌道面高14m，每兩根避雷針相距70m。

3.2 接地措施

地網(wǎng)是有效發(fā)揮泄流作用的保障。接地電阻阻值越小，雷電流的發(fā)散就越快，被雷擊物體高電位保持時間就越短且接地電阻兩端產(chǎn)生的電壓相對較低，從而大大的降低了危險(xiǎn)性。

根據(jù)GB50057規(guī)范要求，軌道必須接地。在軌道下面空曠地方做地網(wǎng)，每個鐵柱都應(yīng)做引下線和接地。柱子壁厚比較厚，直接用壁厚做引下線，用40×4mm熱鍍鋅扁鋼把每個柱子連接起來。軌道全長為3.9km，如果只做一個地網(wǎng)的話，當(dāng)雷電流入侵時，影響散流效果。每隔500m做一個地網(wǎng)，接閃桿的地網(wǎng)與引下線共用一個地網(wǎng)。在鐵軌下面開挖一個40m×40m×0.8m的基坑做地網(wǎng)。把連接柱子的扁鋼連到地網(wǎng)上。每個地網(wǎng)的水平接地體采用的是40×4mm的鍍鋅扁鋼，水平接地體埋深不得小于0.6米。垂直接地體采用的50mm×50mm×5mm×1500mm 和XHT型接地模塊。XHT新型接地模塊是一種由導(dǎo)電非金屬材料為主內(nèi)置鍍鋅扁鋼的接地體，具有極高的降阻特性，且性能穩(wěn)定不隨季節(jié)發(fā)生變化。將其埋入土壤后，通過潮性作用，模塊散流體隨土壤結(jié)構(gòu)層釋放電解離子。因此，金屬接地體與大地的接觸電阻將大大減小，能有效的防止地電位反擊。為了使地網(wǎng)接地電阻達(dá)到要求，更好的發(fā)揮接地模塊的降阻作用，每個模塊配2 包XHT型長效防腐物理降阻劑（25kg/包）接地模塊采用水平埋置，埋置深度大于0.6m；接地模塊間距不小于4m。以滿足規(guī)范要求的接地電阻值達(dá)到10Ω。

3.3 電源和接地防護(hù)

感應(yīng)雷、電力線路或管路引入雷電波、地電位反擊等侵入到各類電子設(shè)備造成設(shè)備損毀的災(zāi)害現(xiàn)象十分普遍。 電氣和電子設(shè)備的金屬外殼、機(jī)柜、機(jī)架、金屬管（槽）、屏蔽線纜外層、信息設(shè)備防靜電接地和安全保護(hù)接地及浪涌保護(hù)器接地端等均應(yīng)以最短的距離與等電位連接網(wǎng)絡(luò)的接地端子連接。此外設(shè)備電源部分進(jìn)行以下防護(hù)：

（1）在高壓變壓器出線至總配電柜的主斷路器進(jìn)線電纜前端加裝電涌保護(hù)器，大通流防雷模塊做一級電源避雷器。

性能：SPD類別：開關(guān)型

（2）總配電柜至各供電點(diǎn)分配電箱上加裝電涌保護(hù)器，作第二級保護(hù)，防雷模塊，做二級電源避雷器。

性能：SPD類別：限壓型

（3）在控制中心電源的前端加裝電涌保護(hù)器，作第三級保護(hù)。

性能：SPD類別：限壓型

（4）在重要精密的儀器設(shè)備的電源進(jìn)線前端加裝插座式電源電源保護(hù)器，作為末級保護(hù)［3］。

性能：SPD類別：組合型/限壓型

4 結(jié)論

避雷針做接閃器，配合接地系統(tǒng)和電源防護(hù)系統(tǒng)，這樣就能有效的防護(hù)直擊雷、電磁感應(yīng)、地電位入侵等雷電危害。在實(shí)際使用過程中，需加強(qiáng)對接閃器、接地系統(tǒng)以及電源防護(hù)系統(tǒng)的日常維護(hù)及檢測，保證上述系統(tǒng)在正常狀態(tài)工作。

參考文獻(xiàn)

［1］ 《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB50057-2010.

［2］ 《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》 GB50343-2012.

［3］ 《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB50054-2011.

Research on Lightning Protection Design for Railway Track and System of Tourism Train

Jie Zeng， Xuming Xia， Yang Zhao， Qian Zeng
（Zhuzhou Special Equipment Technology co.， LTD， 412000， China）

Abstract：If electricity discharges between clouds， and form circuit discharge with the earth， great harm will be caused to buildings， electrical and electronic equipments， human beings and animals， the harm caused is called be struck by lightning.Based on a public amusement facility- rail tourism train， this paper discusses the lightning stroke mode， studies the design of lightning protection facilities， and puts forward a feasible， reliable and safe method for lightning protection， then provides reference for further equipment production.

Key words：Lightning； Lightning protection； Lightning protection design

中圖分類號：PU427

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-8412 （2016） 02-297-04

DOI：工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.046

作者簡介：

曾杰本科專業(yè)電氣工程及其自動化，工作單位：株洲中車特裝裝備科技有限公司；畢業(yè)后從事電氣設(shè)計(jì)工作五年，參與了多個游覽車和鐵路工裝電氣整體方案設(shè)計(jì)。