引言

隨著城市軌道交通的迅猛發(fā)展,線路向城市市郊甚至相鄰城市延伸的趨勢愈發(fā)明顯。在遠離城市中心的地區(qū),高架車站往往占據(jù)較大比例。這些車站所處的位置相較城市中心地帶更為空曠開闊,更容易遭受雷電電涌入侵以及直擊雷等的傷害。

本文針對筆者參與設計的寧波至奉化城際鐵路(簡稱寧奉城際)高架車站機電系統(tǒng)防雷設計要點進行探討,以期能進一步增強和完善軌道交通車站防雷保護功能,保證車站機電設備及人身安全,促進軌道交通線路的安全、平穩(wěn)、有序運營。

1SPD及其后備保護開關的選擇

1.1SPD設置方案

寧奉城際高架站按照第二類防雷建筑物標準進行設計。結合GB50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》第5.4.3一3條、GB50057—2010《建筑物防雷設計規(guī)范》第4.3.8條要求,在車站降壓變電所0.4kV低壓側母線設置I級試驗的SPD,自變電所0.4kV低壓柜供電的第一級配電箱內(nèi)設置Ⅱ級試驗的SPD。此外,為室外露天機電設備(如屋頂多聯(lián)空調(diào)室外機、排風機等)供電的配電箱內(nèi)設置I級試驗的SPD,對電磁環(huán)境條件要求較高的弱電專業(yè)(如通信、信號、綜合監(jiān)控、AFC等)機柜內(nèi)自行配置Ⅱ級試驗的SPD。各級電涌保護器的參數(shù)要求如表1所示。

1.2后備保護開關設置方案

由于SPD可能因短路失效引發(fā)起火,危及配電系統(tǒng)安全,因此,SPD回路前端必須串聯(lián)過電流保護電器作為后備保護裝置,確保在SPD著火之前及時切斷SPD支路。以往的工程項目中普遍使用熔斷器或斷路器作為后備保護裝置。

當采用微斷作為后備保護開關時,由于其分斷能力較低,只能分斷配電系統(tǒng)末端SPD安裝處的最大預期短路電流,而對于第一、二級SPD安裝處的預期短路電流存在無法安全分斷的風險:當采用塑殼斷路器或熔斷器作為后備保護開關時,由于其分斷能力較高,基本能夠分斷第一、二級SPD安裝處的最大預期短路電流,但低短路分斷有問題,且尺寸過大影響安裝。此外,當SPD支路流經(jīng)工頻續(xù)流時,由于此時電流較小,遠不足以使熔斷器或斷路器分斷,無法與SPD協(xié)調(diào)配合,存在火災和設備遭雷擊損壞的安全隱患。

基于以上原因,本工程選用SPD專用后備保護裝置(SCB)。SCB可保證回路流經(jīng)SPD的Imax或Iimp沖擊電流時不斷開,在通過不大于3A的工頻電流時能夠迅速斷開回路。正是相比普通熔斷器及斷路器擁有更高的分斷能力,工頻過流保護也可覆蓋更廣的范圍,SCB更適用于SPD支路的保護。

2防雷裝置監(jiān)測系統(tǒng)

由于SPD及SCB分散設置在各個配電箱內(nèi),一旦出現(xiàn)故障失效等情況,無法通過通信及時告知運營人員,只能依賴日常檢修時發(fā)現(xiàn)故障。為了實現(xiàn)在終端計算機上實時查看SPD、SCB是否脫扣,SPD的漏電流值及雷電記錄數(shù)據(jù)等信息,寧奉城際高架車站每個站設置一套防雷裝置監(jiān)測系統(tǒng)。

防雷監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)架構包含硬件設備層、網(wǎng)絡通信層、系統(tǒng)管理層三層結構。硬件設備層由最基本的雷電防護單元組成,每個防護單元包括一體式在線監(jiān)測SPD及帶遙信輸出功能的SCB。其中,SPD配置有Rs485通信接口,可自動采集數(shù)據(jù)并主動上傳:網(wǎng)絡通信層由防雷裝置通信單元組成,它包含集中控制器、總集中控制器、通信總線等:系統(tǒng)管理層由網(wǎng)絡管理軟件、服務器、云計算組成。

寧奉城際高架站車站主體位于路中,附屬用房通過過街天橋與主體連接。設計時考慮在車控室內(nèi)設置防雷系統(tǒng)機柜,機柜內(nèi)安裝有總集中控制器、光端機、服務器、監(jiān)控電腦、電源模塊等。另外,在主體站廳層及附屬用房區(qū)配電間內(nèi)分別設置一套分集中器,通過兩套分集中器及通信總線將分散在主體及附屬各個配電箱內(nèi)的SPD及SCB信息采集并上傳給車控室機柜內(nèi)總控制器。

3雷電臨近預警系統(tǒng)

雷電臨近預警系統(tǒng)由雷電預警裝置、通信總線及后臺軟件等組成。其工作原理是通過實時監(jiān)測近地面大氣電場、空間磁場、聲音、風速、風向等要素的變化,結合數(shù)學模型分析,對可能產(chǎn)生雷擊危險的大氣電場強度變化加以識別和預警,將預警實時傳送到相關控制系統(tǒng)中。在雷擊發(fā)生前及時告知維護人員,以及時并準確地到達事發(fā)地點檢修。也可用于收集區(qū)域性雷擊數(shù)據(jù)信息,統(tǒng)計區(qū)域性落雷規(guī)律,為該區(qū)域采取合理有效的防雷措施提供數(shù)據(jù)基礎。

該系統(tǒng)的最大預警范圍通常不超過10km,設計時需結合寧奉城際站間距,在全線選擇若干車站分別設置一套雷電預警系統(tǒng),從而實現(xiàn)對全線高架車站及區(qū)間的雷電預警全覆蓋。由于本工程高架車站均已設有一套雷電裝置監(jiān)測系統(tǒng),預警裝置只需通過通信總線接入車控室防雷系統(tǒng)機柜內(nèi)的服務器即可,人機界面也可通過機柜內(nèi)的監(jiān)控電腦進行顯示及操作,新增投資較少,實現(xiàn)較為方便。

預警裝置須結合車站建筑形式及實際條件選擇安裝于附屬屋頂天臺或主體站臺層軌行區(qū)附近,配置風速儀、風向儀、溫度和濕度等模塊。供電方式采用太陽能板組件和蓄電池供電,無需外部電源接入。其效果圖如圖1所示。

圖1雷電預警裝置示意圖

4屋頂機電設備的防雷

寧奉城際高架站附屬屋頂集中設置有成組多聯(lián)空調(diào)室外機,室外機外殼為導電金屬材質(zhì)。外機高度(含基礎)約為2.0m,而屋頂四周女兒墻高度為1.4m。參照GB50057第4.5.7條規(guī)定,室外機需設置附加的防雷接閃保護措施。

目前有較多的工程案例將屋頂空調(diào)室外機、風機等電氣設備金屬外殼與女兒墻頂?shù)谋芾讕е苯酉噙B,以期滿足以上規(guī)范條款要求。此做法通常未充分核實設備金屬外殼是否具備作為接閃裝置的條件(GB50057第5.2節(jié))。由此帶來的隱患就是極易將屋頂避雷帶遭受雷擊后獲得的雷電流導入設備上造成反擊進而損壞設備,甚至可能連帶引起與其相連的建筑物內(nèi)部電氣裝置和電子設備的損害。

本工程考慮在室外機四周搭建防雷金屬圍欄作為防雷接閃裝置。金屬圍欄整體材質(zhì)采用鍍鋅鋼管或槽鋼,利用膨脹螺栓將其與屋頂天臺牢固固定,金屬圍欄顏色應與屋頂裝修風格協(xié)調(diào)。經(jīng)核算,金屬圍欄在各個方向與室外機的間隔距離需不小于0.7m,可滿足GB50057第4.3.8-1條要求。除設置以上金屬圍欄外,還需將室外機金屬外殼與供電電纜PE線可靠連接,從而實現(xiàn)設備與建筑物總等電位聯(lián)結。

5結語

寧奉城際全線為高架線路,車站范圍內(nèi)機電設備種類多、數(shù)量大,一旦遭受雷擊或電涌造成設備損壞,將對車站甚至線路的正常運營帶來較大影響。本文通過對車站機電系統(tǒng)防雷設計要點進行總結,旨在為類似工程的設計提供一定的參考。