宜万铁路站场通信信号综合防雷技术

吴 波

(1.铁道部宜万铁路建设指挥部,湖北恩施 445000;2.武汉铁路局襄樊电务段,湖北襄樊 441003)

宜万铁路站场通信信号综合防雷技术

吴 波1,2

(1.铁道部宜万铁路建设指挥部,湖北恩施 445000;2.武汉铁路局襄樊电务段,湖北襄樊 441003)

雷击发生时,雷击放电诱发雷击电磁脉冲过电压和过电流,经站场电源系统、通信信号传输通道、接地系统及建筑物直击雷防护系统,通过传导、感应的方式损坏站内通信信号设备及网络通信设备,造成严重损失。宜万铁路站场雷电防护主要采用了直接雷防护(避雷针防护)和雷击电磁脉冲防护方案,详细介绍了两种防护方案的设置要求和主要设备情况。

宜万铁路;通信;信号;综合防雷

1 概况

随着现代铁路技术的发展,各种设备对防雷击的要求不断提高,铁道部也对各种计算联锁设备、通信信号机房设备的防雷有极其严格的要求,因此,对防雷技术也要求几近苛刻。宜万铁路地处我国南方地区,雨季时间长,雷害的几率很高。因此宜万铁路站场的通信信号设施必须实施综合防雷防护措施。

2 铁路站场雷电防护的分析

铁路站场设备遭受过电压和过电流攻击的途径可分为直击雷、感应雷、传导雷、操作过电压4种。结合站场设备的分布特点及雷电攻击的途径类型,宜万铁路站场雷电防护具有以下特点。

(1)铁路站场占地面积较大,站场主要设备(如数字微波通信、车站数字通信分系统、站场广播机、无线列调通信、平面调车通信、信号微机联锁等设备)集中在信号楼、通信楼。信号楼、通信楼的避雷针应能满足对整个信号楼、通信楼区域的保护,有效防止直击雷的袭击。

(2)铁路道轨是接受直击雷和传导雷感应雷的良好导体。与道轨连接的相关铁路信号设备,如信号机、轨道电路箱、道岔电动转辙机等,将受到雷击的严重威胁。

(3)信号楼微机联锁及通信机房、通讯楼通讯机房等重要区域的户外线路可能遭受到直击雷后,线路中的大电流串入各机房内部,从而引起对内部设备的损坏。当雷雨云之间、雷雨云对大地之间放电时,雷闪电流的高频电磁场对暴露在空间或室内的电源线、信号线、数据线上产生远远超过设备抗电强度的感应雷击过电压,使设备损坏。

(4)雷电防护的原则是“等电位”。由于机房存在多类接地系统,其冲击接地电阻不均衡,在雷击发生时,雷电流引起地电位差,造成“地电位反击”,使人员和设备遭受损害。

(5)操作过电压引起的危害,如储藏设备的开关、输电线路的短路、周围大容量设备运行时产生的工业干扰或操作过电压在电源线上会产生5000～6000V、3kA的浪涌过电压及浪涌电流,它们的窜入也会对信号楼、通信楼内的设备产生很大的破坏后果。

结合铁路通信信号设备特点,目前站场防雷措施主要有直击雷防护、雷击电磁脉冲防护两种。

2.1 直击雷防护措施——避雷针

普通避雷针,通常即为一根铁棒,将端部磨尖,通过接地引下线将地电位(通常认为零电位)引至针尖,利用针尖的高度(比被保护物高出许多),比被保护物优先产生上行先导,与雷云的下行先导相遇,从而达到引雷入地的效果,保护其他建筑物免受雷击的侵害。

预放电型避雷针利用了雷云产生的空间电场强度,预先使周围的空气电离,空气离子在空间电场的作用下加速接近雷云,从而使迎面先导大大提前与雷云的下行先导相遇,使得引雷的可靠性和保护半径大大提高,增强了保护性能。

预放电型避雷针为先进的纯结构型预放电避雷针。它利用雷云在空中感应的电场强度,使针头的感应电极(空中场强)与针尖(地电位)之间产生强烈的火花放电,使针头周围空气电离,在电场的作用下形成一条向上的雷电先导,从而使迎面先导提前与雷云的下行先导相遇,形成主放电通道,从而大大提高了避雷针的效率,使保护半径大大提高。由于其内部无任何电子元件,避免了老化问题,所以更加可靠,不需维护。此类避雷针比普通避雷针提前产生上行先导的时间称为“预放电时间”,这是考核预放电型避雷针性能的重要指标,已列入法国等一些欧洲国家的国家标准。宜万线所属车站选用先进的GUERETIF3预放电型避雷针作为直击雷防护避雷针,对站场可能遭受直击雷的重点区域实施直接雷的防护。该类避雷针的特点如下。

(1)最快的抢先预放电时间86μs,即优先引雷入地,保护半径大大增加,为目前国际上抢先时间最快的预放电避雷针。

(2)在相同的安装高度下,比普通避雷针的保护半径大十几倍,大大提高了防护效率。

(3)避雷针内部无电子部件,更加安全,减少故障隐患,无老化,不需维护。

(4)选用了防腐性能优越的316L不锈钢材料。

(5)质量很轻,荷载小,对支撑物的荷载要求低。

2.2 雷击电磁脉冲防护——防雷器

选用OBOBETTERMANN系列电源防雷器件,对铁路站场主要机房设备和重要终端进行雷击电磁脉冲防护。它具有以下特点。

(1)应用新型高能量密度的石墨电极材料,耐久性好。

(2)采用多电极堆保证了能量分配的可控制,并联电容控制对模块达到低残压水平,通过这种设计,具有良好的续断遮断,达到对续流的完全熄灭。

(3)密封设计,安装方式没有限制,无电弧外泄,无须使用大体积的隔离金属箱。

(4)无须断电,所有模块都可取下检测和更换,可大量节约维护费用。

(5)安装简单,支持凯文接线,N/PE端的隧道式连接,免除调线的繁琐。

(6)容通电流大,反应速度快,插入损耗小。

(7)采用NPE模块的防雷器可在电网出现故障时,即使地阻值高或地线不良的情况下,流经防雷器的电流可使前级保险丝脱逃,防雷器与电网隔离,防止防雷器损坏。

3 铁路站场雷电防护方案

3.1 直击雷防护方案

铁路站场直击雷防护重点区域是通信楼、信号楼和户外岔群咽喉区设备。

(1)通信楼直击雷防护:利用通信楼附近的高约45m微波塔,在塔顶上安装IF3避雷针,避雷针安装高度超出塔顶2.5m。经计算,避雷针对地面的保护半径可达119m。引下线采用截面大于12mm×4mm的镀锌扁钢。防雷接地装置接地电阻小于1Ω。该避雷针可保护通信楼、部分铁轨和场区部分咽喉区的部分信号机等铁路设备,免受直击雷的侵害。

(2)信号楼直击雷防护:利用被保护建筑物信号楼,高度约为10m,在信号楼顶部安装IF3避雷针,针的安装高度超出楼顶5m。经计算,保护半径可达109m。楼顶预埋350mm×350mm×10mm钢板,便于焊接避雷针底座,从底座沿相反方向焊接引出2条引下线,引下线采用大于φ8mm的圆钢沿楼外墙引下入地,与楼的接地环相连。防雷接地装置接地电阻小于1Ω。将避雷针与接地装置贯通。保护信号楼及场区附近的铁轨避免由于直击雷击中铁轨雷电流窜入信号楼,防止对设备及人身安全造成危害。

(3)户外岔群咽喉区直击雷防护:铁路站场岔群咽喉区的特点是设备分布较为集中,岔群咽喉区段长度约145m,在岔群咽喉区附近各建立12m高的铁塔,塔顶安装IF3避雷针。经计算,保护半径可达111m。引下线采用截面大于12mm×4mm的镀锌扁钢。防雷接地装置接地电阻小于10Ω。对咽喉区内大部分的轨道电路箱、道叉电动转辙机及信号机等设施进行了直击雷的保护,免受直击雷的侵害。

3.2 雷击电磁脉冲防护方案

3.2.1 对缆线布放和接地系统的要求

铁路站场主要设备集中在信号楼、通信楼。雷击电磁脉冲防护的重点是信号楼和通信楼内的敏感电子设备。在进行电源和信号线防雷器配置时,根据有关规范要求,设计应从以下几个方面考虑。

(1)电力电缆应埋地引入建筑物,电缆埋地部分不应小于15m(GA267—2000第7、第8条)。室外卫星馈线和其他各种通信、信号电缆应采用具有双层金属防护层的电缆,其外层金属防护层在顶部及进入机房入口处的外侧应就近接地。当采用单层屏蔽电缆或无屏蔽线缆时,应穿金属管或金属线槽引入建筑物内,金属管(或线槽)的两端就近接地,金属管(或线槽)的连接处应有效跨接。

因此,出入信号楼、通信楼的电力电缆(线)、通信缆线、信号电缆应采用金属护套电缆或敷设在金属管内,缆线金属护套或金属管应在顶部及进入机房入口处的外侧就近分别接地;进入信号楼、通信楼低压电力电缆宜全程埋地引入,其电缆埋地长度不应小于15m;微波铁塔上架设的同轴电缆应穿在金属管内,金属管应分别在上下端接地;进入机房的电缆桥架应屏蔽接地。

(2)信号楼、通信楼应采用共用接地系统(GB5005794第6.3.3条)。因此,一栋楼内的电子设备应共用1组接地装置,应按均压、等电位的原理,将工作地、保护地和防雷地组成1个联合接地网。站内各类接地线应从接地汇集线或接地网上分别引入。通信楼的接地装置应按照移动通信基站防雷与接地设计规范(YD5068—98)的要求予以改造。

3.2.2 信号楼雷击电磁脉冲防护

信号楼主要包括微机联锁设备、无线列调及平面调车车站电台、计算机服务器、站场广播机及车站数字通信分系统等设备。

针对信号楼电源线分2路架空引入,供电方式为TT制式。在总配电箱安装2套OBO3*MC50-B+l* MCl25B第一级电源防雷箱,在交直流配电屏电源入线端加2套V20 -C/3+NPE电源防雷器及在车站综合柜入线端安装1套V20 -C/I+NPE电源防雷器为第二级电源防雷器。需要注意的是第一级与第二级防雷器之间的线路应保持5m以上的距离。无线列调及平面调车车站设备,在天馈线进入调度机房入口与设备联接处安装DS -N馈线防雷器,注意设备机壳及防雷器地线良好接地。防雷器前端均串接20A动力型空气开关。

户外信号机、道岔、轨道电路与室内相连的信号线,是重要的引雷路径,需根据每根信号线上电压的不同相应安装防雷器,分别选择V20 -C系列防雷器进行防护:对于交流和直流220V信号线采用V20-C/4+ NPE电源防雷器进行防护;对于交直流10～24V信号线采用V20 -C/1～75V进行防护;防雷器前端均串接20A动力型空气开关。

由于信号设备的保护地与工作地严格分开,雷击发生时,两个地线系统可能出现瞬间电压差,造成电子设备及人身的损坏和伤害。为了达到有效的防雷保护,在两个地之间安装OBO地极保护器480。其特点是:正常工作状态下,两地相互无干扰;雷击状态下, 480迅速导通,两地电压均衡,消除反击电压;响应时间短,纳秒级导通;安装方便,直接连接于两接地汇流排之间。

3.2.3 通信楼雷击电磁脉冲防护

针对通信楼电源分2路架空引入,引雷几率较大,低压电缆应地埋15m以上引入通信楼,在主配电箱安装2套3*MC50-B+1*MCl25 -B第一级电源防雷箱。在数字微波入线端安装第二级电源防雷器V20 -C/I+ NPE。由室外引入的微波收发馈线均安装DS -N馈线防雷器。在电缆充气设备电源入线端安装第二级电源防雷器V20 -C/I+NPE。在机房内安装等电位连接排4801,机房内所有设备的机壳及防雷器接地线都连接至等电位连接排上。所有设备的机壳均可靠接地,所有接地线共用1组接地装置。接地电阻为1Ω以下。防雷器前端均串接20A动力型空气开关。

铁路站场雷电防护总的原则是经等电位连接,使过电压(或电流)以最直接的路径尽快泄漏到大地,达到保护设备的目的。电磁兼容防护总的原则是利用室内的金属物有机地构成一个“法拉第笼”,进行接地连接。

4 站场通信信号技术要求

从上述分析中可以得出:为了提高宜万铁路站场建筑物安全及机房设备及计算机、通信网络的运行可靠度,对宜万铁路各车站要求雷电防护系统一定要有良好的避雷针、下引线和统一的接地网,采取完善的直击雷防护措施。

同时必须在车站的供电系统、天馈系统、信号采集传输系统、程控交换系统、计算机网络系统、机房接地系统等进行可靠有效的防护,在拦截、分流、均衡、接地、布线、布局等方面作完整的,多层次的综合防护。

基于以上分析,宜万铁路选用了GUERET预放电型避雷针作为直击雷防护避雷针,选用OBOBETTERMANN系列电源及数据信号防雷器件,对主要机房设备和重要终端进行雷击电磁脉冲防护。

5 结语

为了实现宜万铁路安全可靠、技术先进、经济合理的原则,采用宜万铁路站场通信信号雷击防护系统技术,能有效地减少雷害的危害程度,有效减轻雷电灾害、提高防雷安全度。

[1] GB50057—94,建筑物防雷设计规范[S].

[2] GA267—2000,计算机信息系统雷击电磁脉冲安全防护规范[S].

[3] GB7450—87,电子设备雷击保护导则[S].

[4] GB50174—93,电子计算机机房设计规范[S].

[5] GB9361—88,计算站场地安全要求[S].

U284.93

B

1004 -2954(2010)08 -0197 -03

2010 -05 -17

吴 波(1982—),男,助理工程师,2006年毕业于兰州交通大学,E-mail:wubo4400@163.com。