鐵路區間四電綜合場坪防雷接地系統集約化設計實踐

林明嘉

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津 300251)

鐵路區間四電綜合場坪防雷接地系統集約化設計實踐

林明嘉

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津 300251)

在參考以往變電站接地設計的基礎上，通過對國家和行業標準以及鐵路技術規章有關防雷接地要求的研究，以哈大客運專線為例，對鐵路區間四電場坪各系統設備進行統一的綜合接地設計進行探討和實踐，試圖解決類似設計中所面臨的主要難點，并在某些細節的做法和要求提出了自己的看法，希望能對以后的設計有所借鑒。

客運專線； 箱式機房； 防雷接地

1 概述

伴隨著C3技術在客運專線的應用，鐵路沿線區間出現了四電設備綜合場坪布置這個問題。由于這些設備大多直接影響行車安全，對其接地設計必須加以重視和研究。如果按傳統的設計思路，當各設備系統分別考慮各自的接地系統時，其總體性、接地和電磁兼容效果將受到削弱。因此，對四電綜合場坪的防雷接地系統統籌考慮集約化設計是必要的。

以哈大客運專線工程為例，以國家標準、行業標準和鐵建設[2007]39號《鐵路防雷、電磁兼容及接地工程技術暫行規定》(以下簡稱《防雷及電磁兼容》)為主要依據，討論四電綜合場坪防雷接地設計的要點和解決的主要問題。

2 典型區間箱變布置形式

哈大客運專線沿線區間箱變系統按建筑場坪布置，主要分為直放站、線側通信基站、橋下基站、信號中基站、通信信號中繼站等5種典型的場坪。對防雷接地設計而言，影響較大的主要是通信鐵塔的布置位置之別，可分為2種典型布置，詳見圖1和圖2。其中圖1為機房及鐵塔位于同一場坪范圍之內的情況；圖2為機房位于橋下，而鐵塔和機房不在同一場坪范圍的情況。

有關防雷接地的綜合設計，主要針對這兩大類別場坪加以研究。

圖1 通信基站(含箱變)場坪(單位：mm)

圖2 通信基站房屋在橋下場坪(單位：mm)

3 總體設計

區間四電場坪通常包括了通信基站、信號中繼站的箱式機房、電力箱變和通信鐵塔，他們分別由不同的專業設計，考慮對這些設備的防雷和接地進行總體性優化，統籌布局，分別滿足各專業要求。

集約設計時需重點研究幾個影響因素：一是接地裝置與場坪電纜溝之間的關系，二是在設備布局限制下如何解決接地網格的合理性問題，三是與綜合貫通地線的關系。對總體方案有最大影響的是通信鐵塔與場坪的關系，需要根據兩大不同情況分別處理，原則上以降低雷電對其他設施的影響為主要出發點。

4 接閃器及引下線設計

當通信鐵塔與四電機房同場坪時(圖1)，客觀上不具備采用分離設計規避反擊和高電位引入，故利用鐵塔避雷針作為整個場坪設施的防雷接閃器，其下處理好后等電位設計。

對于圖2所示的情形則利用機房和箱變的金屬外表面作為接閃器及防雷引下線，與鐵塔防雷各自獨立。

5 接地網設計

四電綜合場坪的接地網設計是重點和難點所在。

鐵路接地系統設計可根據其具體條件采用綜合接地系統、共用接地系統或分設接地系統。按照實際用途來分，電氣設施的基本接地方式有工作接地、防雷接地、防靜電接地以及保護接地4種。這4種接地方式的布局是否科學合理，對人身、設備乃至整個區域電網都會產生影響。

《防雷及電磁兼容》規范了鐵路接地系統設計應采用的形式，其3.0.4中規定，

“客運專線應采用綜合接地系統方式”，“鐵路建筑物宜采用共用接地系統方式”。根據以上相關文件要求，四電場坪應立足于綜合接地系統考慮相關設計[1]。

首先從場坪內的室外接地網出發，合理布局網格，為各設備系統合理設置引接條件，再考慮用合理的方式將室外接地網和鐵路沿線的貫通地線相連，從而完成場坪內綜合接地系統的設計。

(1) 室外地網

室外接地網由各接地體、建筑物四周的環形接地裝置、建筑物基礎鋼筋構成的接地體相互連接構成。

根據相關規定，接地網格要同時滿足以下要求。

①信號設備用房應在建筑物四周埋設環形人工接地體，并與建筑物四角及每隔5～10 m的基礎接地網鋼筋焊接一次，接地電阻不應大于1 Ω。

②建筑物垂直接地體應均勻布置，間距不小于其長度的2倍，接地體頂部埋深距地面不宜小于0.6 m；在凍土地區，應埋在凍土層以下。

③接地體間及接地體與外引線間必須有可靠的電氣連接。應將建筑物四周的混凝土基礎內的主鋼筋焊接連通，構成閉合的基礎接地網，其網格尺寸應不大于5 m。

常規的地網設計一般是采用均勻布置形式，但通過對場坪上各設施布局研究可以知道，均勻布置是受到限制的，只能采用非規則地網布局。要滿足上述全部要求，需要反復規劃和驗算地網是否符合各項指標?；蛘咴诰植客耆痪邆錀l件時，最大限度地接近指標要求。

圖3是一個通信鐵塔在場坪內的地網典型規劃設計，即在區間箱變機房四周敷設了環形水平接地體，將區間箱變場坪內各部分防雷裝置、建筑物金屬構件、鐵塔基礎及低壓配電保護線(PE)、設備工作地線和保護線、屏蔽體接地、防靜電接地等連接在一起組成一個共同接地系統。各部位相互間距盡最大可能滿足了相關規定要求，同時滿足各設備系統接入點數的要求。垂直接地體埋深為0.8 m，在機房及箱式變電站門口處埋深為1.0 mm，以防跨步電壓。

圖3 箱變場坪(含鐵塔)接地網格(單位：mm)

根據相關規定，該地網的環形接地體采用40 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼且要求其鍍層不宜小于60 μm。

鑒于部分場坪所在之處存在污水排放和土壤腐蝕性強的情況，根據相關規定，在石墨電極、銅包鋼、銅材、熱鍍鋅扁鋼等接地材料中，在地網的四周選用設置了4處石墨接地體。按規定， 建筑物垂直接地體應均勻布置，間距不應小于其長度的2倍。本設計的垂直接地體平均間距為5 m，由于接地網采用非完全規則的形狀設計，為避免局部誤差造成的違規，垂直接地體沒有采用2.5 m的標準長度，而是采用50 mm×50 mm×5 mm，L=2.0 m的鍍鋅角鋼。

通過設計實踐，筆者感覺，四電綜合場坪的地網布置主要受制于各系統設備機房的布局和對接地端子的需求，而由于地網埋深可以在電纜溝之下，場坪電纜溝的影響則基本可以忽略。

關于通信鐵塔的防雷接地，《防雷及電磁兼容》4.2.7規定“無線通信鐵塔應設避雷針。避雷針的接地裝置應單獨設置，并距信號樓環形接地裝置不宜小于15 m。當無線通信鐵塔避雷針的接地裝置距信號樓環形接地裝置的接入點距離小于15 m時，應接入信號樓環行接地裝置或貫通地線，但該接入點與其他地線在環行接地裝置接入點之間的距離不應小于5 m?！?/p>

根據上述要求，對于圖2所示的情形，當鐵塔距離綜合場坪地網的距離大于15 m時，該鐵塔的防雷接地按完全獨立設計；當距離在15 m之內時，則按與圖3相同的原則與場坪統籌設計。如圖4、圖5所示。同時在專業接口設計中需要注意：當鐵塔在場坪地網15 m以外，獨立設置防雷接地裝置時，搭載在鐵塔上通過線纜連接的通信設施應注意嚴格與鐵塔絕緣，否則會意外構成不當的電位差通路，危及設備和人身安全。

此外，根據高鐵規范要求，鐵路線路兩側20 m范圍內的建筑物、構筑物的接地裝置還應接入綜合貫通地線系統，故實際設計時，15 m以外的鐵塔是否獨立設置接地，還需要注意考慮周邊四電設施以外的其他設施的分布情況以及相互間距，避免采用的接地方式和采取的措施不當，與相鄰裝置或建(構)筑物間，以及與綜合接地系統間發生反擊。

圖4 鐵塔非獨立接地

圖5 鐵塔獨立接地

(2)室內地網

箱式變電站內部一般包括高壓柜、變壓器和低壓柜等幾個隔間，這些設備的工作接地、保護接地、防雷接地、防靜電接地與變壓器的中性點接地，通常總共提供1～2個接地引入端子即可，相對于弱電設備接地比較簡單。而根據相關規定，弱電設備如信號設備，應設置安全地線、屏蔽地線和防雷地線。信號設備的機架、控制臺、箱盒、信號機梯子等應設安全地線，交流電力牽引區段的電纜金屬護套應設屏蔽地線，防雷保安器應設防雷地線。上述地線均需從共用接地系統的地網中引出。根據上述不同功能需求，在箱式變電站內只設置1組，基站、通信機械室及信號中繼站內設置了多組接地端子排。

如圖6所示，信號機房內共設置了4處接地端子排，分別為分線盤接地排、電源防雷接地排、等電位接地排、電纜鎧裝接地排。

圖6 信號機房內接地端子排設置

由于機房內接地端子排不止一處，為盡可能減少電壓反擊及電磁干擾的幾率，充分利用有限的空間，在選擇接地端子排與地網上的連接點的時候，讓彼此之間的間距均不小于5 m。

如圖7所示，箱式變電站內設置了一總接地端子排，接地線與地網扁鋼連接，機殼四角接地。

圖7 箱式變電站內接地端子排設置

6 與綜合接地系統的連接

鐵路行業標準和技術規章規定高速鐵路距鐵路20 m范圍內鐵路建筑物的接地裝置應與綜合接地系統的貫通地線可靠連接，貫通地線在信號樓上、下行兩端應分別與其環形接地體連接，每端設2根連接線，2根連接線的間隔為2～3 m，用50 mm2的裸銅線與環形接地裝置連接，兩端各連接2次。

本案在場坪的環形地網的兩端選取適宜位置，用50 mm2的裸銅線分別與貫通地線距離最近的2個預留連接端子連接。在兩端采用2根導體保持一定距離連接到同一點的連接方式，形成并聯效果，其意義是進一步加強環形地網與貫通地線連接的可靠性。

這里值得商榷的是，由于貫通地線很難在精準的對應位置間隔2～3 m連續預留2個連接端子，在全線過于密集地增加連接端子，又會增加無謂的投資。所以，四電場坪環形地網每端設2根連接線的做法其實沒有增加連接點數，從而2根線間保持2～3 m的距離并不能解決連接點故障問題。故筆者建議將來修訂相關規定時，可取消每端設2根連接線的要求。

接地電纜敷設在電纜溝內，與貫通地線上的預留端子連接，如圖8所示。在連接貫通地線處，通信信號專業要求使用阻燃外皮的電纜，銅鐵連接要使用銅鐵連接器。本案設計在選擇材料時也考慮了這點，規定了連接做法，如圖9所示。

圖8 接地電纜與貫通電線的連接

圖9 銅鐵連接件

7 結論與展望

通過哈大客運專線工程的設計實踐，筆者對相關的國家和行業標準、技術規章進行了分析研究，給出了一套區間四電場坪綜合接地設計的實施方案，盡可能地解決了各系統設施布局對接地設計的不利影響。該

設計已在哈大客運專線工程實施并投運，有待運營效果的進一步檢驗，并在后續區間接地設計中不斷改進完善。

[1] 鄭瑞春.變電站的接地方式探討[J].科技資訊，2006(17)．

[2] 任元會，等.工業與民用配電設計手冊.北京：中國電力出版社，2005.

[3] 田瑞環，等. 鐵路電力設計手冊. 北京：中國鐵道出版社，1991.

[4] GB 50057—2010，建筑物防雷設計規范.

[5] 劉家美，何正友.鄭西客運專線四電系統集成的安全性分析[J].鐵道標準設計，2013(12).

[6] 丁峰.高寒凍土地區牽引變電所接地系統設計探討[J].鐵道標準設計，2012(11)：95-97.

Design of Surge Protection & Ground Connection at Four Electricity Integration Field in Railway Section

Lin Mingjia

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300251, China)

On the basis of the previous substation design and the study of the national and industrial standards and railway technique specifications for surge protection and grounding design， and with reference to Ha-Da passenger dedicated line， surge protection & ground connection design of Four Electricity (Communication， Signal， Power and Electrification) Integration field in railway section is discussed and practiced to solve the problems encountered in this regard. This paper puts forward new ideas with respect to some particulars and requirements， which may be used as references in future design of surge protection & ground connection．

Passenger dedicated line; Box-type substation; Surge protection & ground connection

2014-08-26

林明嘉(1980— )，男，工程師，2006年畢業于天津大學自動化學院，工學碩士，E-mail：linmingjia@tsdig.com。

1004-2954(2014)11-0135-04

U238； U224.2+5

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.031