城市軌道交通系統(tǒng)的防雷保護

1、城市軌道交通系統(tǒng)的防雷保護摘要：針對目前城市軌道交通系統(tǒng)中普遍使用的自動化運行控制系統(tǒng)，討論了軌道交通系統(tǒng)的過電壓防護與接地。關鍵詞：軌道交通；防雷；電磁脈沖；接地；等電位；屏蔽；SPD0引言1863年第一條地鐵線路的出現(xiàn)和1888年美國第一條有軌電車線路的建成，標志著城市交通進入軌道交通時代。經(jīng)過誕生和初始發(fā)展階段(1863年—1924年)、萎縮階段(1924—1949年)、再發(fā)展階段(1949—1969年)、高速發(fā)展階段(1970年

2、—至今)，當今世界各大城市和特大城市都確立了公交優(yōu)先，軌道交通是公交骨干的政策。隨著現(xiàn)代化新技術不斷地涌現(xiàn)，更多的自動化控制系統(tǒng)被應用到軌道交通系統(tǒng)中，為軌道交通運營效率、運行速度的提高提供了有力的技術保障。在自動化系統(tǒng)不停的更新?lián)Q代中，運用了越來越多的高精密、高速度處理系統(tǒng)，在系統(tǒng)性能的提升和不斷的能耗控制需求下，設備內(nèi)部器件的功耗與工作電壓越來越低，隨之而來的是系統(tǒng)的抗干擾能力大幅度下降，系統(tǒng)的安全性變得越來越脆弱。在運行中，由于雷

3、電波侵入、電力系統(tǒng)故障、線路和車站中的電磁環(huán)境相對復雜等原因產(chǎn)生的過電壓，在一定程度上對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行產(chǎn)生了不利影響。特別是近些年來，由于城市土地資源的稀缺和工程造價的降低，在發(fā)展的城市軌道交通系統(tǒng)中，高架線和地面線占了相當大的比重。線路、車站及輔助系統(tǒng)設備大量安裝于地面以上，同時，系統(tǒng)中各站點與控制中心之間相互連接的各類網(wǎng)絡、通訊系統(tǒng)的大量應用使得雷電電磁脈沖對系統(tǒng)安全運行的影響日益突出。本文中，我們以目前在系統(tǒng)中普遍使用的自動化運行

4、控制系統(tǒng)為重點研究對象，討論軌道交通系統(tǒng)的過電壓防護與接地。1軌道交通系統(tǒng)的組成城市軌道交通系統(tǒng)是由多個分別完成不同功能的子系統(tǒng)所構成的，按不同的系統(tǒng)性質(zhì)可分為：基礎設施和控制系統(tǒng)兩大部分。基礎設施包括線路、車輛、車站等，控制系統(tǒng)由電氣、通信、信號、運行組織、客運組織等幾部分組成。2按雷電電磁環(huán)境分區(qū)按線路及車站所處的位置不同，可將軌道交通分為地下線（站）和地面線（站）兩大類。地下線（站）由于在建設時按城市總體規(guī)劃要求，考慮地面建筑物、

5、工程地質(zhì)等因素來確定。淺埋比較經(jīng)濟，乘客進出方便，一般離地面10～15m；深埋投資較大，施工也較困難，但對地面正?；顒訜o影響，一般埋深為30～50m。地下線路、車站結構采用鋼筋混凝土澆筑而成，鋼筋在施工中相互之間采用焊接或綁扎等工藝形成了良好的電氣連接，金屬網(wǎng)格密集，成為了電磁屏蔽效果非常好的“法拉第籠”結構，對外界空間的雷電電磁脈沖有非常理想的抵制效果，站內(nèi)人員及設備處于LPZ1或更高的防雷區(qū)內(nèi)。同時，除站廳外，幾乎全部設施處在地面下

6、，被雷電直接擊中的可能性為零。地面線（站）根據(jù)線路所經(jīng)過地區(qū)的地理、地貌、建筑情況的不同，雷擊的風險情況也不盡相同。例如在北京，地面線和地面站通常是位于市區(qū)繁華地帶以外或郊區(qū)，為解決與地面交通的交叉與相互影響問題，多是以高架線和車站的形式出現(xiàn)。這種情況無疑使線路和車站處于所經(jīng)過地區(qū)相對較高的空間位置，同時由于軌道交通全線應用電力驅(qū)動、牽引的方式提供車輛動力，多種因素綜合起來增加了線路、車輛及車站遭受雷電的概率，更有可能受到直擊雷的襲擊。

7、除雷電因素影響人員和系統(tǒng)的安全外，軌道交通系統(tǒng)自身引起的電磁環(huán)境污染也是對系統(tǒng)內(nèi)設備產(chǎn)生干擾、影響系統(tǒng)運行可靠性的重要原因之一。比如，一個運行在鬧市周邊地區(qū)的直流電氣牽引系統(tǒng)，以其寬頻譜、各種騷擾途徑（傳導、感應、輻射）俱全的特點惡化（或說污染）了所在區(qū)域的電磁環(huán)境；雜散電流使通信導線與附近大地形成電位差，除腐蝕地下管線外，還會在接地的通信設備機架上形成高電位，危及設備和人員的安全；受電弓（靴）產(chǎn)生的電猝發(fā)與浪涌成為城市雜波的重要組成部

8、分，對附近的信息密集的網(wǎng)格型金屬連接網(wǎng)（使用薄銅帶，更有利于高頻脈沖電流的通過），并在多處與聯(lián)合接地裝置連接，需要等電位連接和接地的設備以最短的途徑與銅帶連接。3.3雷電電磁脈沖的防護隨著軌道交通行車間隔的縮短，依靠人工控制車速的傳統(tǒng)運行方式已經(jīng)不能滿足需要，軌道交通的運行、控制已經(jīng)由早期的人工操作過渡到了全線自動化、計算機控制的階段。對于線路、車站設備的保護重點是系統(tǒng)機電設備和通信系統(tǒng)，由自動售檢票系統(tǒng)（AFC）、火災報警系統(tǒng)（FAS

9、）、環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、視頻監(jiān)控系統(tǒng)（CATV）、軌道交通線網(wǎng)指揮中心（TCC）、屏蔽門控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)（SCADA）、通信系統(tǒng)、旅客信息系統(tǒng)（PIS）、行車管理與控制系統(tǒng)等多個結構、相互關系錯綜復雜的子系統(tǒng)組成。考慮電磁脈沖對系統(tǒng)的運行可靠性影響，必須從各個子系統(tǒng)間的關系及各自特點入手，在做好系統(tǒng)接地保護和等電位連接的基礎上，綜合運用分流、屏蔽、端口保護等措施解決系統(tǒng)中可能受雷電電磁脈沖干擾的因素，達到整體解決防雷與防電磁

10、脈沖的目的。4機電與通信系統(tǒng)的保護軌道交通的機電與通信系統(tǒng)主要集中體現(xiàn)于車站及控制中心或線路中心等場所，車載系統(tǒng)安裝于列車內(nèi)部，與車站系統(tǒng)及控制系統(tǒng)之間通過各種傳感設備及無線通信完成信息的傳遞。我們在此僅討論車站及控制中心等車下機電與通信系統(tǒng)的過電壓保護。4.1供電系統(tǒng)軌道交通的運行依賴于供電系統(tǒng)，可以說供電系統(tǒng)是整個軌道交通系統(tǒng)中最為重要的部分。供電變電站按功能劃分主要有4種類型：主變電站、牽引變電站、降壓變電站和跟隨變電站。主變電所

11、將110kV電網(wǎng)電壓降為35kV，給牽引變電站和降壓變電站供電（電壓等級僅為參考值，進口一次設備可能略有差異，以下同）；牽引變電站則是將35kV交流電經(jīng)變壓器、整流器轉(zhuǎn)換為直流1500V750V，給接觸網(wǎng)接觸軌供電；降壓變電站則是將35kV電網(wǎng)電壓降為400V，提供車站的動力和照明電源，同時也是跟隨變電站的進線電源；跟隨變電站無變壓器，是降壓變電站400V側在地理上的延伸，是為離降壓變電站較遠的設備供電。供電系統(tǒng)應用遍及軌道交通系統(tǒng)的各

12、個角落，從上千伏的牽引電壓到幾十伏的弱電系統(tǒng)設備直流供電都依賴于供電系統(tǒng)的正常運行，包括控制中心、車站在內(nèi)的機電系統(tǒng)設備及通信設備的工作都離不開電源。而系統(tǒng)中因雷擊、電磁脈沖等原因引起的過電壓隨著供電系統(tǒng)的回路傳導到系統(tǒng)中的不同位置，線路上的過電壓對設備的安全運行將產(chǎn)生不同程度的影響。因此，無論在系統(tǒng)中的任何位置，供電系統(tǒng)的過電壓保護都是必不可少的重要組成部分。按供電系統(tǒng)進入各用電位置的路徑以及針對具體的用電設備所處的電磁脈沖防護分區(qū)的

13、原則，通常是按不同的電壓等級、雷電分區(qū)界面位置等因素來考慮相應的過電壓防護措施。(1)高壓部分：110kV、35kV的主變電站和牽引變電站。按城市供電系統(tǒng)高壓配電規(guī)范在高壓配電系統(tǒng)中及線路一次回路中設置高壓氧化鋅避雷器。高壓部分不在此詳細討論。(2)直流牽引接觸網(wǎng)：750V或1500V直流接觸網(wǎng)或接觸軌。地面接觸網(wǎng)：一般按線路的架設方式在地下隧道兩端、為地面接觸網(wǎng)供電的電源隔離開關處以及地面線、高架線每隔500m設置與接觸網(wǎng)電壓等級相適

14、應的避雷器；架空接觸網(wǎng)：在地面線及高架線上，凡是架空的接觸網(wǎng)每隔200m設置一組火花間隙型避雷裝置；避雷裝置的接地：避雷裝置的工頻接地電阻不大于10Ω，并通過專用引下線直接接地。(3)低壓電源系統(tǒng)：由每個降壓變電站至供電線路區(qū)間每一個供電區(qū)域（各控制機房、車站等）的低壓電源電纜均在進入供電區(qū)域建筑前采取埋地敷設的方式，并在每處電纜井內(nèi)將電纜金屬鎧裝層做好接地處理；電纜進入建筑物或車站的位置將電纜鎧裝層與建筑的綜合接地裝置做好等電位連接。