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鐵路站場(chǎng)通信信號(hào)綜合防雷方案

發(fā)布時(shí)間:2011-08-01

中心議題:
  • 鐵路站場(chǎng)通信信號(hào)綜合防雷方案
解決方案:
  • 分析鐵路站場(chǎng)雷電防護(hù)
  • 設(shè)計(jì)參照標(biāo)準(zhǔn)
  • 直擊雷防護(hù)
  • 雷擊電磁脈沖防護(hù)

隨著現(xiàn)代化的進(jìn)展,鐵路站內(nèi)設(shè)備越來(lái)越先進(jìn)。雷擊發(fā)生時(shí),雷擊放電誘發(fā)雷擊電磁脈沖過電壓和過電流,經(jīng)站場(chǎng)電源系統(tǒng)、通信信號(hào)傳輸通道、接地系統(tǒng)及建筑物直擊雷防護(hù)系統(tǒng),通過傳導(dǎo)、感應(yīng)的方式損壞站內(nèi)通信信號(hào)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備,造成損失巨大,直接威脅鐵路正常的安全運(yùn)輸生產(chǎn)。

一、對(duì)鐵路站場(chǎng)雷電防護(hù)的分析

鐵路站場(chǎng)設(shè)備遭受過電壓和過電流攻擊的途徑可分為直擊雷、感應(yīng)雷、傳導(dǎo)雷、操作過電壓四種。結(jié)合站場(chǎng)設(shè)備的分布特點(diǎn)及雷電攻擊的途徑類型,鐵路站場(chǎng)雷電防護(hù)存在以下特點(diǎn)。

1.鐵路站場(chǎng)占地面積較大,站場(chǎng)主要設(shè)備(如數(shù)字微波通信、車站數(shù)字通信分系統(tǒng)、站場(chǎng)廣播機(jī)、無(wú)線列調(diào)通信、平面調(diào)車通信、信號(hào)微機(jī)聯(lián)鎖等設(shè)備)集中在信號(hào)樓、通信樓。信號(hào)樓、通信樓的避雷針應(yīng)能滿足對(duì)整個(gè)信號(hào)樓、通信樓區(qū)域的保護(hù),有效防止直擊雷的襲擊。

2.鐵路道軌是接受直擊雷和傳導(dǎo)雷感應(yīng)雷的良好導(dǎo)體。與道軌連接的相關(guān)鐵路信號(hào)設(shè)備,如信號(hào)機(jī)、軌道電路箱、道岔電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)等,將受到雷擊的嚴(yán)重威脅。

3.信號(hào)樓微機(jī)聯(lián)鎖及通信機(jī)房、通訊樓通訊機(jī)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(jī)房?jī)?nèi)部,從而引起對(duì)內(nèi)部設(shè)備的損壞。當(dāng)雷雨云之間、雷雨云對(duì)大地之間放電時(shí),雷閃電流的高頻電磁場(chǎng)對(duì)暴露在空間或室內(nèi)的電源線、信號(hào)線、數(shù)據(jù)線上產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)備抗電強(qiáng)度的感應(yīng)雷擊過電壓,使設(shè)備損壞。

4.雷電防護(hù)的原則是“等電位”。由于機(jī)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(shí),雷電流引起地電位差,造成“地電位反擊”,使人員和設(shè)備遭受損害。

5.操作過電壓引起的危害,如儲(chǔ)藏設(shè)備的開關(guān)、輸電線路的短路、周圍大容量設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的工業(yè)干擾或操作過電壓在電源線上會(huì)產(chǎn)生 5000~6000V、3KA的浪涌過電壓及浪涌電流,它們的竄入也會(huì)將信號(hào)樓、通信樓內(nèi)的設(shè)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(chǎng)建筑物安全及機(jī)房設(shè)備及計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行可靠度,整個(gè)站場(chǎng)的雷電防護(hù)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(hù)措施。同時(shí)必須在車站的供電系統(tǒng)、天饋系統(tǒng)、信號(hào)采集傳輸系統(tǒng)、程控交換系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、機(jī)房接地系統(tǒng)等進(jìn)行可靠有效的防護(hù),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(hù)。

基于以上分析,兗州礦業(yè)集團(tuán)鐵運(yùn)處選用了法國(guó)先進(jìn)的法蘭西GUERET預(yù)放電型避雷針作為直擊雷防護(hù)避雷針,選用世界一流的德國(guó) OBOBETTERMANN系列電源及數(shù)據(jù)信號(hào)防雷器件,對(duì)主要機(jī)房設(shè)備和重要終端進(jìn)行雷擊電磁脈沖防護(hù)。

二、設(shè)計(jì)參照標(biāo)準(zhǔn)

鐵路站場(chǎng)綜合防雷的設(shè)計(jì)主要執(zhí)行或參照以下標(biāo)準(zhǔn):GB50057-94《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》2000年版、GA267-2000《計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖安全防護(hù)規(guī)范》、 GB7450—87《電子設(shè)備雷擊保護(hù)導(dǎo)則》、GB50174-93《電子計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》、 GB9361—88《計(jì)算站場(chǎng)地安全要求》等。鐵路站場(chǎng)雷電防護(hù)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(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。電磁兼容防護(hù)總的原則是利用室內(nèi)的金屬物有機(jī)地構(gòu)成一個(gè)“法拉第籠”,進(jìn)行接地連接。站場(chǎng)綜合防雷設(shè)計(jì)本著安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的原則,達(dá)到防御或減輕雷電災(zāi)害、提高防雷安全度的目的。
      
三、直擊雷防護(hù)

(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(rèn)為零電位)引至針尖,利用針尖的高度(比被保護(hù)物高出許多),比被保護(hù)物優(yōu)先產(chǎn)生上行先導(dǎo),與雷云的下行先導(dǎo)相遇,從而達(dá)到引雷入地的效果,保護(hù)其它建筑物免受雷擊的侵害。

預(yù)放電型避雷針利用了雷云產(chǎn)生的空間電場(chǎng)強(qiáng)度,預(yù)先使周圍的空氣電離,空氣離子在空間電場(chǎng)的作用下加速接近雷云,從而使迎面先導(dǎo)大大提前與雷云的下行先導(dǎo)相遇,使得引雷的可靠性和半徑提高大大保護(hù),增強(qiáng)了保護(hù)性能。

預(yù)放電型避雷針為先進(jìn)的純結(jié)構(gòu)型預(yù)放電避雷針。它利用雷云在空中感應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度,使針頭的感應(yīng)電極(空中場(chǎng)強(qiáng))與針尖(地電位)之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的火花放電,使針頭周圍空氣電離,在電場(chǎng)的作用下形成一條向上的雷電先導(dǎo),從而使迎面先導(dǎo)提前與雷云的下行先導(dǎo)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(hù)半徑大大提高。由于其內(nèi)部無(wú)任何電子元件,避免了老化問題,所以更加可靠,不需維護(hù)。此類避雷針比普通避雷針提前產(chǎn)生上行先導(dǎo)的時(shí)間稱為“預(yù)放電時(shí)間”,這是考核預(yù)放電型避雷針性能的重要指標(biāo),已列入法國(guó)等一些歐洲國(guó)家的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。鐵運(yùn)處所屬車站選用先進(jìn)的法蘭西GUERETIF3 預(yù)放電型避雷針作為直擊雷防護(hù)避雷針,對(duì)站場(chǎng)可能遭受直擊雷的重點(diǎn)區(qū)域?qū)嵤┲苯永椎姆雷o(hù)。該類避雷針的特點(diǎn)如下:
1.最快的搶先預(yù)放電時(shí)間86us,即優(yōu)先引雷入地,保護(hù)半徑大大增加,為目前國(guó)際上中搶先時(shí)間最快的預(yù)放電避雷針。
2.在相同的安裝高度下,比普通避雷針的保護(hù)半徑大十幾倍,大大提高了防護(hù)效率。
3.避雷針內(nèi)部無(wú)電子部件,更加安全,減少故障隱患,無(wú)老化,不需維護(hù)。
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(duì)支撐物的荷載要求低。[page]
(二)直擊雷防護(hù)方案

鐵路站場(chǎng)直擊雷防護(hù)重點(diǎn)區(qū)域是通信樓、信號(hào)樓和戶外岔群咽喉區(qū)設(shè)備。

1.通信樓直擊雷防護(hù)。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(jì)算,避雷針對(duì)地面的保護(hù)半徑可達(dá)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(hù)通信樓、部分鐵軌和場(chǎng)區(qū)部分咽喉區(qū)的部分信號(hào)機(jī)等鐵路設(shè)備,免受直擊雷的侵害。

2.信號(hào)樓直擊雷防護(hù)。利用被保護(hù)建筑物信號(hào)樓,高度約為10米,在信號(hào)樓頂部安裝IF3避雷針,針的安裝高度超出樓頂5米。經(jīng)計(jì)算,保護(hù)半徑可達(dá)109米。樓頂預(yù)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(hù)信號(hào)樓及場(chǎng)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(hào)樓,對(duì)設(shè)備及人身安全造成危害。

3.戶外岔群咽喉區(qū)直擊雷防護(hù)。鐵路站場(chǎng)岔群咽喉區(qū)的特點(diǎn)是設(shè)備分布較為集中,岔群咽喉區(qū)段長(zhǎng)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(jì)算,保護(hù)半徑可達(dá)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(duì)咽喉區(qū)內(nèi)大部分的軌道電路箱、道叉電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)及信號(hào)機(jī)等設(shè)施進(jìn)行了直擊雷的保護(hù),免受直擊雷的侵害。
      
四、雷擊電磁脈沖防護(hù)

(一)防雷器

選用世界一流的德國(guó)OBOBETTERMANN系列電源防雷器件,對(duì)鐵路站場(chǎng)主要機(jī)房設(shè)備和重要終端進(jìn)行雷擊電磁脈沖防護(hù)。它具有以下特點(diǎn)。
1.應(yīng)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(duì)模塊達(dá)到低殘壓水平,通過這種設(shè)計(jì),具有良好的續(xù)斷遮斷,達(dá)到對(duì)續(xù)流的完全熄滅。
3.密封設(shè)計(jì),安裝方式?jīng)]有限制,無(wú)電弧外泄,無(wú)須使用大體積的隔離金屬箱。
4.無(wú)須斷電,所有模塊都可取下檢測(cè)和更換,可大量節(jié)約維護(hù)費(fèi)用。
5.安裝簡(jiǎn)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(yīng)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(shí),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(jí)保險(xiǎn)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(hù)方案

1.對(duì)纜線布放和接地系統(tǒng)的要求

鐵路站場(chǎng)主要設(shè)備集中在信號(hào)樓、通信樓。雷擊電磁脈沖防護(hù)的重點(diǎn)是信號(hào)樓和通信樓內(nèi)的敏感電子設(shè)備。在進(jìn)行電源和信號(hào)線防雷器配置時(shí),根據(jù)有關(guān)規(guī)范要求,應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮。

(1)電力電纜應(yīng)埋地引入建筑物,電纜埋地部分不應(yīng)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(hào)電纜應(yīng)采用具有雙層金屬防護(hù)層的電纜,其外層金屬防護(hù)層在頂部及進(jìn)入機(jī)房入口處的外側(cè)應(yīng)就近接地。當(dāng)采用單層屏蔽電纜或無(wú)屏蔽線纜時(shí),應(yīng)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(yīng)有效跨接(GB50057-94第6.3.1條)。

因此,出入信號(hào)樓、通信樓的電力電纜(線)、通信纜線、信號(hào)電纜應(yīng)采用金屬護(hù)套電纜或敷設(shè)在金屬管內(nèi),纜線金屬護(hù)套或金屬管應(yīng)在頂部及進(jìn)入機(jī)房入口處的外側(cè)就近分別接地;進(jìn)入信號(hào)樓、通信樓低壓電力電纜宜全程埋地引入,其電纜埋地長(zhǎng)度不應(yīng)小于 15m;微波鐵塔上架設(shè)的同軸電纜應(yīng)穿在金屬管內(nèi),金屬管應(yīng)分別在上下端接地;進(jìn)入機(jī)房的電纜橋架應(yīng)屏蔽接地。

(2)信號(hào)樓、通信樓應(yīng)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(shè)備應(yīng)共用一組接地裝置,應(yīng)按均壓、等電位的原理,將工作地、保護(hù)地和防雷地組成一個(gè)聯(lián)合接地網(wǎng)。站內(nèi)各類接地線應(yīng)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(yīng)按照YD5068— 98(移動(dòng)通信基站防雷與接地設(shè)計(jì)規(guī)范)的要求予以改造。

2.信號(hào)樓雷擊電磁脈沖防護(hù)

信號(hào)樓主要包括微機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備、無(wú)線列調(diào)及平面調(diào)車車站電臺(tái)、計(jì)算機(jī)服務(wù)器、站場(chǎng)廣播機(jī)及車站數(shù)字通信分系統(tǒng)等設(shè)備。

針對(duì)信號(hào)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(jí)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(jí)電源防雷器。需要注意的是第一級(jí)與第二級(jí)防雷器之間的線路應(yīng)保持5m以上的距離。無(wú)線列調(diào)及平面調(diào)車車站設(shè)備,在天饋線進(jìn)入調(diào)度機(jī)房入口與設(shè)備聯(lián)接處安裝DS-N饋線防雷器,注意設(shè)備機(jī)殼及防雷器地線良好接地。防雷器前端均串接20A動(dòng)力型空氣開關(guān)。

戶外信號(hào)機(jī)、道岔、軌道電路與室內(nèi)相連的信號(hào)線,是重要的引雷路徑,需根據(jù)每一根信號(hào)線上電壓的不同相應(yīng)安裝防雷器,分別選擇V20-C系列防雷器進(jìn)行防護(hù):對(duì)于交流和直流220伏信號(hào)線采用V20-C/4+NPE電源防雷器進(jìn)行防護(hù);對(duì)于交直流10~24V信號(hào)線采用V20-C /1~75V進(jìn)行防護(hù);防雷器前端均串接20A動(dòng)力型空氣開關(guān)。

由于信號(hào)設(shè)備的保護(hù)地與工作地嚴(yán)格分開,雷擊發(fā)生時(shí),兩個(gè)地線系統(tǒng)可能出現(xiàn)瞬間電壓差,造成電子設(shè)備及人身的損壞和傷害。為了達(dá)到有效的防雷保護(hù),在兩個(gè)地之間安裝OBO地極保護(hù)器480。其特點(diǎn)是:正常工作狀態(tài)下,兩地相互無(wú)干擾;雷擊狀態(tài)下, 480迅速導(dǎo)通,兩地電壓均衡,消除反擊電壓;響應(yīng)時(shí)間小,納秒級(jí)導(dǎo)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(hù)

針對(duì)通信樓電源分兩路架空引入,引雷幾率較大,低壓電纜應(yīng)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(jí)電源防雷箱。在數(shù)字微波入線端第二級(jí)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(shè)備電源入線端安裝第二級(jí)電源防雷器V20-C/I+NPE。在機(jī)房?jī)?nèi)安裝等電位連接排 4801,機(jī)房?jī)?nèi)所有設(shè)備的機(jī)殼及防雷器接地線都連接至等電位連接排上。所有設(shè)備的機(jī)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(dòng)力型空氣開關(guān)。

五、應(yīng)用效果

通過2002年對(duì)常營(yíng)車站、孟樓車站鐵路站場(chǎng)應(yīng)用該綜合防雷方案,站場(chǎng)通信、信號(hào)設(shè)備雷電防護(hù)效果可靠,確保了站場(chǎng)設(shè)備運(yùn)用安全、聯(lián)絡(luò)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(duì)鐵路站場(chǎng)設(shè)備造成任何損壞。實(shí)現(xiàn)了安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的原則,達(dá)到了防御或減輕雷電災(zāi)害、提高防雷安全度的目的,鐵路安全運(yùn)輸生產(chǎn)上了一個(gè)新臺(tái)階。
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