城市軌道交通系統(tǒng)雷電防護(hù)淺析

姚繼東，劉 洋，江曉玲

(吉林省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，吉林 長春 130062)

0 引言

自19世紀(jì)60年代初第一條地鐵線路出現(xiàn)，標(biāo)志著城市軌道交通時(shí)代開始。目前，軌道交通已經(jīng)成為城市交通的骨干線路。隨著對(duì)軌道交通低能耗的要求，系統(tǒng)工作電壓越來越低，受到雷擊過電壓侵襲風(fēng)險(xiǎn)也越來越大。在各系統(tǒng)運(yùn)行中，由于雷電波侵入，電力系統(tǒng)、線路和車站雷電環(huán)境要求越來越高，特別是高架線、地面線、地面車站都有著遭受直接雷擊危險(xiǎn)，而控制系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、視頻監(jiān)控、消防系統(tǒng)都可能受到雷擊脈沖干擾風(fēng)險(xiǎn)。從近些年軌道交通，特別是地鐵雷擊災(zāi)害記錄看，主要是地面線出現(xiàn)雷擊導(dǎo)致。但這絕不能證明地下部分不會(huì)遭受雷電電磁脈沖侵襲。因此防雷檢測決不能忽視地下設(shè)施防雷裝置檢測。筆者根據(jù)近幾年軌道交通防雷檢測實(shí)踐提出以下檢測方法。

1 軌道交通系統(tǒng)雷電侵襲特征

1)直擊雷侵襲對(duì)象。軌道交通中遭受直擊雷侵襲主要是地上站建筑物、地上降壓站、跟隨站和中間站及直流輸電接觸網(wǎng)。

2)雷擊高電位與雷電波侵入與防護(hù)對(duì)城市軌道交通中，由于地下線(站)處于格柵型金屬架和金屬網(wǎng)及綁扎或焊接的鋼筋水泥構(gòu)成的電氣連接、屏蔽效果非常好，遭受直擊雷可能性幾乎沒有，受雷擊電磁脈沖干擾可能性也較小，因此，唯一雷電波通道是地面線路轉(zhuǎn)入地下線路時(shí)，沿各類金屬管線侵入地鐵系統(tǒng)。但不論地下還是地上部分，雷擊電流會(huì)沿各類金屬線路或沿金屬管道侵入。地鐵內(nèi)各種電力設(shè)施和電子設(shè)備集中，雷電放電時(shí)巨大電流能引起雷電感應(yīng)，造成這些設(shè)備損壞或誤動(dòng)。因此軌道交通弱電部分還是存在雷擊電磁脈沖干擾隱患。可能遭受直接雷擊的主要有地面線(站)。地鐵隧道內(nèi)及地下站雷擊電磁脈沖防護(hù)對(duì)象包括機(jī)電、通信、自動(dòng)檢票、屏蔽門、火災(zāi)報(bào)警、視頻監(jiān)控、軌道交通指揮、旅客信息及行車管理和控制系統(tǒng)等。

2 軌道交通主要防雷裝置

2.1 直接雷擊防護(hù)裝置

直接雷擊防范與防護(hù)對(duì)象：電氣與供電系統(tǒng)主變電(110 kV/35 kV)、牽引變電站(35 kV變壓器、整流器/直流1500 V/750 V)、降壓變電站(35 kV/400 V)、跟隨變電站，高架線路、架空線路應(yīng)做好直擊雷有效攔截措施；地面站、地面線、高架站、高架線都要嚴(yán)格防范直擊雷侵襲。通過加裝接閃桿(避雷針)、避雷線、避雷網(wǎng)等，通過引下線和良好接地系統(tǒng)把雷擊電流導(dǎo)入大地。

2.2 雷電電磁脈沖防護(hù)裝置

2.2.1 軌道交通變電、配電系統(tǒng)特征

1)地鐵供電變電站一次設(shè)備或稱為一次系統(tǒng)地鐵供電變電站按能劃分主要有4種類型:主變電站、牽引變電站、降壓變電站和跟隨變電站。主變電所將110 kV電網(wǎng)電壓降為35 kV，給牽引變電站和降壓變電站供電；牽引變電站則是將35 kV交流電經(jīng)變壓器、轉(zhuǎn)換為直流1 500 V/750 V，給接觸網(wǎng)/接觸軌供電；降壓變電站則是將35 kV電網(wǎng)電壓降為400 V，提供車站動(dòng)力和照明電源，同時(shí)也是跟隨變電站進(jìn)線電源；跟隨變電站無變壓器，是降壓變電站400 V側(cè)在地理上延伸，是為離降壓變電站較遠(yuǎn)地鐵設(shè)備供電。主變電站、降壓變電站、跟隨變電站與交流電網(wǎng)上其他變電站并無本質(zhì)區(qū)別，無論是電氣接線方式還是運(yùn)行方式均與普通變電站類似，直流牽引變電站是地鐵供電系統(tǒng)所特有。

一般地鐵站A端設(shè)置降壓變電所，車站B端設(shè)置跟隨式降壓變電所，跟隨式降壓變電所進(jìn)線電源采用交流35 kV(或10 kV)，電源引自降壓變電所。車站A端(包括站內(nèi)和臨近區(qū)間)電氣設(shè)備電源引自降壓變電所低壓開關(guān)柜，車站B端(包括站內(nèi)和臨近區(qū)間)電氣設(shè)備電源引自跟隨式降壓變電所低壓開關(guān)柜。這些開關(guān)柜是電涌保護(hù)器主要安裝場所。

2)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)：系統(tǒng)支持功能(如自檢)、系統(tǒng)配置或維護(hù)功能(如測試、配置參數(shù))、運(yùn)行或控制功能(如遙控)、本地過程自動(dòng)化功能(如數(shù)據(jù)采集)、分布式自動(dòng)化支持功能(如聯(lián)鎖、同期)和分布式過程自動(dòng)化功能(如順控、電壓無功控制)等類別。

3)電氣化鐵路牽引變電所高壓電氣設(shè)備與防雷裝置。一是牽引變壓器、自用變壓器、斷路器、互感器、避雷器、隔離開關(guān)、電容器、電抗器等；二是車站低壓配電系統(tǒng)，包括0.4 kV變壓系統(tǒng)、動(dòng)力配電與控制系統(tǒng)、照明配電與控制系統(tǒng)；三是車站配電室分布，包括通風(fēng)空調(diào)集中配電室、站廳照明配電室站臺(tái)照明配電室、蓄電池室。

2.2.2 各類供電線路、設(shè)備雷電限壓分流措施防護(hù)

供電系統(tǒng)主電站110 kV/35 kV、牽引變電站35 kV變壓器、整流器/直流1 500 V/750 V、降壓變電站35 kV/400 V、跟隨變電站，高架線路、架空線路；各類供電線路、設(shè)備都應(yīng)進(jìn)行雷電限壓分流措施防護(hù)。

2.2.3 弱電系統(tǒng)防雷裝置

軌道交通雷擊電磁脈沖防護(hù)主要針對(duì)弱電系統(tǒng)設(shè)備場地應(yīng)做好等電位連接措施、合理布線和電磁屏蔽措施，防止雷擊電磁脈沖侵襲。

1)雷擊電磁脈沖防護(hù)對(duì)象包括機(jī)電、通信、自動(dòng)檢票、火災(zāi)報(bào)警、視頻監(jiān)控、軌道交通指揮、旅客信息、行車管理和控制系統(tǒng)。語音和數(shù)據(jù)通信中調(diào)度電話、程控交換機(jī)、專線電話、傳真機(jī)都應(yīng)加裝防雷模塊實(shí)施保護(hù)。

2)移動(dòng)通信光纖、微波系統(tǒng)接口、移動(dòng)交換機(jī)、基站、中繼器，漏泄同軸電纜等線路也要進(jìn)行必要過電壓、過電流保護(hù)。

3)至于依托多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心的乘客信息系統(tǒng)；包括列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)、駕駛系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)組成的列車運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)(ATC)防護(hù)重點(diǎn)則是各系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備及與之相連的機(jī)房設(shè)備端口進(jìn)行雷擊過電壓保護(hù)。同時(shí)也要完善線路電磁屏蔽。

4)站臺(tái)屏蔽門系統(tǒng)雷電保護(hù)應(yīng)主要解決人員可能接觸的金屬部件的等電位連接，與軌道間電氣隔離，控制線路、驅(qū)動(dòng)線路、伺服線路UPS、RS系列接口加裝SPD保護(hù)。

2.3 軌道交通接地系統(tǒng)

軌道交通接地系統(tǒng)一般包括主變電站接地；牽引站、降壓站、跟隨站接地系統(tǒng)；接觸網(wǎng)直流線路接地系統(tǒng)。而地鐵站弱電接地和屏蔽接地及屏蔽門接地大多是與地下站配電系統(tǒng)接地共用接地。接地電阻一般要求0.5 Ω。

3 軌道交通系統(tǒng)防雷檢測問題

1)軌道交通防雷檢測主要對(duì)象是輕軌站和地鐵站地上站各站點(diǎn)接閃裝置接地電阻測試及接閃體、引下線可靠性檢查。

2)地鐵站地面線路進(jìn)入地下處等電位檢測和檢查。地鐵站、輕軌站特別是城市邊緣站、高架站出入口金屬設(shè)施(如金屬扶手、金屬護(hù)欄等)等的等電位連接狀況亦應(yīng)檢查檢測。

3)地鐵站機(jī)電系統(tǒng)、弱電系統(tǒng)限壓分流裝置接地檢測、地鐵站屏蔽門接地檢測。

4)地鐵站機(jī)電系統(tǒng)接地與等電位連接。

5)輕軌和地鐵地面線接觸網(wǎng)接閃線與限壓分流箱接地檢測；電涌保護(hù)器狀態(tài)檢查與漏流檢測。

6)主變電站接地裝置。

4 結(jié)語

軌道交通各類地上建筑物、變電站、地面線是防雷與防雷檢測主要對(duì)象，地鐵站地下機(jī)電及弱電系統(tǒng)防雷裝置、地鐵站屏蔽門系統(tǒng)都是雷擊電磁脈沖重點(diǎn)防護(hù)對(duì)象和防雷檢測對(duì)象，軌道交通接地阻值一般不得高于0.5 Ω。