城市軌道交通信息技術設備防雷接地系統研究

龍 潭

0 引言

隨著現代科學技術的飛速發展，鐵路和軌道交通信號電子化設備的應用大幅增加，先進的設備在雷雨季節能否安全穩定地運行，是目前需要研究的一個新課題[1]。城市軌道交通工程有多種接地類型，按用電設備類型可分為電氣設備（強電）接地、機電設備接地、信息技術設備（弱電）接地三類。其中信息技術設備接地分為系統接地、保護接地、防雷接地、功能接地等。

各系統接地要求各不相同，且與用電設備緊密相關。此外，各系統接地理念、適用標準有較大差異。城市軌道交通防雷接地設計大多根據《地鐵設計規范》（GB 50157-2013）、《城市軌道交通技術規范》（GB 50490-2009）等相關地鐵設計標準中少許關聯內容以及過往防雷接地設計經驗開展設計工作[2]。因此，還需結合系統設備的特點和類型，依據相關國家標準或行業標準完成防雷接地系統設計。城市軌道交通工程信息技術設備防雷接地的分類和采用的標準見表1。GB 16895建筑物電氣裝置和低壓電氣裝置的系列標準是由國際電工委員會IEC TC64標準完全等同轉化的我國國家標準，可作為城市軌道交通防雷接地設計的主要標準。

1 接地網

IEC TC64標準禁止某個電氣裝置單獨接地，其原因是單獨接地方式將引起各設備、構件之間的電位差，導致電擊事故或設備損壞。因此，單獨接地不能保證用電安全。

城市軌道交通車站空間狹小，場地有限，如果不同的系統各自獨立接地，不但受場地、空間的限制難以實施，而且不同的地電位會帶來電位差，存在安全隱患，不同接地系統的導體間耦合也會引起相互騷擾。近年來，為避免雜散電流對隧道、車站內金屬構件的腐蝕，在建和已開通運營的北京、上海、廣州、深圳等城市軌道交通線路的接地型式通常采用強、弱電共用人工接地系統，即在車站結構底板下采用銅材設置人工接地網，與接地引出線、接地干線、接地母排等接地裝置以及強、弱電系統 金屬管線等形成綜合接地系統。

表1 城市軌道交通信息技術設備接地分類和標準

2 接地型式

城市軌道交通車站內有通信、信號、自動售檢票、火災自動報警、綜合監控、環境與設備監控、乘客信息、門禁等多種信息技術設備，且分布在站廳、站臺等不同區域內，必須對這些系統的設備進行等電位聯結方式的接地。

2.1 多網狀聯結星形網絡

城市軌道交通中各系統用電設備眾多，一般情況下供配電系統、機電設備系統、信息技術系統的線路、設備間距無法滿足防止電磁騷擾的要求，可能會對信號、通信的傳輸造成影響。另外，牽引供電系統的雜散電流、機電設備系統的諧波電流等也會引起信息技術設備間參考電位不同，對車站信息技術設備運行造成騷擾。以低壓配電箱的保護線（PE線）母排作為參考電位點，并從低壓配電箱的PE母排放射式地引出PE線至信息技術設備，低壓配電箱的PE母排通過通信、信號等設備房內的接地端子排接入車站綜合接地網。此時，PE線既作為保護接地線同時兼作信息技術設備的信號接地線。

多網狀聯結星形網絡等電位聯結如圖1所示。這種多網狀聯結星形網絡設計實施簡單易行，可以避免部分電磁騷擾。

圖1 多網狀聯結星形網絡等電位聯結

2.2 共用的網狀聯結星形網絡

對于新建項目，通信、信號等信息技術設備房內均應采用共用的網狀聯結星形網絡的接地方式，根據《低壓電氣裝置 第4-44部分：安全防護 電壓騷擾和電磁騷擾防護》（GB/T 16895.10- 2010），這種接地方式又分為水平和垂直的等電位聯結接地方式[3]。

水平等電位聯結是將信息技術設備金屬外殼用盡量短直的PE線聯結到設備房內靜電架空地板下的銅質網格上，實現低阻抗的信號接地。銅質網格與低壓配電箱內的PE母排聯結。銅質網格尺寸一般為信息技術設備工作頻率波長的1/10，結合設備房靜電地板裝修，可取不大于600 mm×600 mm，編織銅帶寬度為60～80 mm，厚度約0.6 mm，以增大表面積，降低高頻條件下的阻抗。

垂直等電位聯結是將車站結構柱、結構墻體內的主鋼筋聯結，利用土建結構的主鋼筋形成“法拉第籠”，同時，與進出設備房內的金屬管、金屬線槽等金屬管線聯結，并通過通信、信號等系統設備房內的接地母排聯結，從而形成多個并聯通路，為信息技術設備的信號接地提供高頻條件下低阻抗通路，使站廳、站臺等各層、各區域同一系統的信息技術設備獲得均衡的地電位。

共用的網狀聯結星形網絡等電位聯結接地方式可以消除大部分的電磁騷擾，適用于裝有重要用途的信息技術設備房[3]。在土建結構設計時，需在通信、信號等信息技術設備房間內就近預埋與車站結構主鋼筋相聯結的鋼板。共用的網狀聯結星形網絡等電位聯結如圖2所示。

圖2 共用的網狀聯結星形網絡等電位聯結

2.3 構建多層結構的建筑物等電位聯結網絡

對于多層車站、控制中心、車輛基地綜合樓等多層結構，且有大量機電設備和信息技術設備的建筑，應構建建筑物等電位聯結網絡，如圖3所示。多層結構的等電位聯結網絡可以均衡各層、各系統之間的電壓，有效消除電位差。

圖3 多層結構建筑物等電位聯結

3 高架車站雷電電磁脈沖防護

高架車站為地面建筑，站內有大量的信息技術設備，無論是直擊雷防護還是雷電電磁脈沖防護都極其重要。高架車站位于地面以上20～30 m，比地下車站更容易遭受雷電波侵入。高架車站按第二類建筑物考慮，首次正極性雷擊的雷電流幅值為150 kA，波形為10/350 μ/s，如圖4所示。

圖4 首次正極性雷擊沖擊電流源

根據安培環路定律，磁場強度沿任一閉合回路的線積分等于所包圍的電流強度的代數和，其數學式為

式中：H為磁場強度，A/m；l為環路長度，m。

式中：S為雷擊點與信息技術設備的距離，m；i0為正極性雷擊的雷電流幅值，A。

按雷擊點在高架車站站臺層外墻邊緣3 m處考慮，則站臺層內最大電磁強度為

其中：Hmax為站臺層內最大電磁強度，A/m；Smin為雷擊點與信息技術設備的最小距離，m。

按高架車站站臺層長度為152 m，站臺層內最小電磁強度為

其中：Hmin為站臺層內最小電磁強度，A/m；Smax為雷擊點與信息技術設備的最大距離，m。

計算結果顯示，高架車站站臺層內最大磁場強度為7 961.78 A/m，最小磁場強度為157.14 A/m，距離雷擊點75 m的中部范圍磁場強度在300～400 A/m范圍內，采用共用接地和總等電位聯結的方式形成綜合接地網，能有效防范雷電瞬態電磁場對信息技術設備的騷擾。因此，應盡可能將高架車站內較敏感的信息技術設備布置在站廳層設備房或站臺層中部區域，且距離車站結構立柱2 m以上。同時，根據《電磁兼容試驗和測量技術脈沖磁場抗擾度試驗》（GB/T 17626.9-2011/IEC 61000-4-9:2001）的規定，信息技術設備的抗電磁騷擾度應能達到3級以上[4]。

4 接地電阻值要求

（1）《地鐵設計規范》（GB 50157-2013）中，供電、通信、信號、自動售檢票、火災自動報警、綜合監控、環境與設備監控、乘客信息、門禁、站臺門等系統都有各自接地的相關規定。例如，信號系統章節中17.7.6條提出信號設備的接地要求：“信號設備室內應設綜合接地箱；當采用綜合接地時，應接入綜合接地系統弱電母排，接地電阻不大于1 Ω”[5]。其他各系統與信號系統類似，均要求接地電阻值不大于1 Ω。接地電阻值須按接入設備中要求的最小值確定[6]。因此，國內大多數城市軌道交通車站人工接地網的接地電阻均按不大于1 Ω設計。

（2）信息技術設備防雷接地應采用沖擊接地電阻值。地鐵變電所要求的系統接地電阻是指工頻接地電阻。對于防雷電磁脈沖和電磁騷擾，即在高頻狀態下，接地體的電阻為沖擊接地電阻。接地體的工頻接地電阻隨土壤電阻率的增加呈線性增加；沖擊接地電阻隨土壤電阻率非線性增加，即土壤電阻率較低時，沖擊接地電阻隨土壤電阻率的增加而加速增加，當土壤電阻率較大時，增加的速度減小。因此，同一接地裝置具有不同的沖擊接地電阻和工頻接地電阻，兩者比值稱為沖擊系數。

根據《建筑物防雷設計規范》（GB 50057-2010），對于二、三類防雷建筑物，已取消沖擊接地電阻值的相關要求[7]。

（3）不做等電位聯結，只接大地的沖擊接地電阻值遠大于1 Ω。如果車站信號設備只接人工接地網，則以大地為參考電位點，從接地網至信號設備房通常采用95 mm2單芯銅芯電纜作為接地線。95 mm2單芯銅芯電纜主線芯的直徑為1.16 cm，主線芯的絕緣厚度為1.10 cm。按《工業與民用配電設計手冊》（第四版）的計算方法，計算接地電纜在高頻條件下的阻抗[8]。

首先，計算接地電纜的幾何均距Dj為

其中：d為電纜主線芯的直徑，cm；δ為電纜主線芯的絕緣厚度，cm。

其次，計算接地電纜等效半徑Dz：

則接地電纜單位長度電感量l0為

接地電纜單位長度電抗x0為

其中：f為電磁脈沖或電磁騷擾頻率，Hz。

從接地網至信號設備房接地電纜長L= 100 m，在10 MHz電磁騷擾下，接地電纜的電抗X為

綜合接地網接地電阻值為1 Ω，在10 MHz頻率電磁脈沖條件下，接地電纜的阻抗為

其中：Z為接地電纜的阻抗，Ω；R為綜合接地網接地電阻值，Ω。

由此可見，在高頻電磁脈沖或電磁騷擾條件下，接地電纜的電抗遠大于電阻值。

（4）保護接地不要求接地電阻值小于1 Ω。目前，為保證用電安全，為弱電設備供電的低壓配電系統采用TN-S接地系統。當弱電設備發生接地故障時，接地故障電流通過相線-保護線金屬回路返回到變電所配電系統，使低壓配電柜內斷路器、熔斷器動作，切斷故障回路，保障了設備和人身安全，并非由于綜合接地網的接地電阻值小于1 Ω的原因使故障回路阻抗低從而提高了故障電流幅值，使斷路器、熔斷器動作。因此，對信息技術設備而言，無論對于保障設備和人身安全還是防電磁騷擾，追求1 Ω或更小的接地電阻值是無意義的，在困難條件下可適當放寬對接地電阻值的要求。

5 結語

信息技術設備特點是絕緣強度低、過電流過電壓耐受能力差、對電磁騷擾敏感。弱電系統是維系城市軌道交通正常運營的中樞神經，一旦遭受電磁騷擾，將危及線路的正常運營，甚至造成重大的人員傷亡和巨大的經濟損失。

多年以來，由于顧慮牽引供電系統的雜散電流對隧道、車站、橋梁等建筑物的土建結構影響，城軌交通信息設備接地并未利用結構主鋼筋形成共用的網狀聯結星形網絡并構建多層等電位聯結網絡。經測試證明，城市軌道交通利用結構鋼筋作為自然接地體，完全符合強、弱電設備接地要求[9]。

與只接人工接地網相比，以利用結構主鋼筋的等電位聯結系統作為“地”能獲得更好的各設備系統之間的等電位效果，既能有效泄放故障電流、雷擊電流和靜電荷，又能獲得各系統的電壓均衡，提高抗電磁騷擾能力。城市軌道交通防雷接地系統的設計規范和標準應與國際標準接軌，參照IEC、IEEE標準，做到各接地系統兼容，避免一味追求低接地電阻值，節省工程投資，適應我國倡導的“一帶一路”建設及與國際標準接軌的需要。