鐵路區(qū)間四電綜合場(chǎng)坪防雷接地系統(tǒng)集約化設(shè)計(jì)實(shí)踐

林明嘉

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300251)

鐵路區(qū)間四電綜合場(chǎng)坪防雷接地系統(tǒng)集約化設(shè)計(jì)實(shí)踐

林明嘉

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300251)

在參考以往變電站接地設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及鐵路技術(shù)規(guī)章有關(guān)防雷接地要求的研究，以哈大客運(yùn)專線為例，對(duì)鐵路區(qū)間四電場(chǎng)坪各系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的綜合接地設(shè)計(jì)進(jìn)行探討和實(shí)踐，試圖解決類似設(shè)計(jì)中所面臨的主要難點(diǎn)，并在某些細(xì)節(jié)的做法和要求提出了自己的看法，希望能對(duì)以后的設(shè)計(jì)有所借鑒。

客運(yùn)專線； 箱式機(jī)房； 防雷接地

1 概述

伴隨著C3技術(shù)在客運(yùn)專線的應(yīng)用，鐵路沿線區(qū)間出現(xiàn)了四電設(shè)備綜合場(chǎng)坪布置這個(gè)問(wèn)題。由于這些設(shè)備大多直接影響行車(chē)安全，對(duì)其接地設(shè)計(jì)必須加以重視和研究。如果按傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，當(dāng)各設(shè)備系統(tǒng)分別考慮各自的接地系統(tǒng)時(shí)，其總體性、接地和電磁兼容效果將受到削弱。因此，對(duì)四電綜合場(chǎng)坪的防雷接地系統(tǒng)統(tǒng)籌考慮集約化設(shè)計(jì)是必要的。

以哈大客運(yùn)專線工程為例，以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和鐵建設(shè)[2007]39號(hào)《鐵路防雷、電磁兼容及接地工程技術(shù)暫行規(guī)定》(以下簡(jiǎn)稱《防雷及電磁兼容》)為主要依據(jù)，討論四電綜合場(chǎng)坪防雷接地設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和解決的主要問(wèn)題。

2 典型區(qū)間箱變布置形式

哈大客運(yùn)專線沿線區(qū)間箱變系統(tǒng)按建筑場(chǎng)坪布置，主要分為直放站、線側(cè)通信基站、橋下基站、信號(hào)中基站、通信信號(hào)中繼站等5種典型的場(chǎng)坪。對(duì)防雷接地設(shè)計(jì)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(jiàn)圖1和圖2。其中圖1為機(jī)房及鐵塔位于同一場(chǎng)坪范圍之內(nèi)的情況；圖2為機(jī)房位于橋下，而鐵塔和機(jī)房不在同一場(chǎng)坪范圍的情況。

有關(guān)防雷接地的綜合設(shè)計(jì)，主要針對(duì)這兩大類別場(chǎng)坪加以研究。

圖1 通信基站(含箱變)場(chǎng)坪(單位：mm)

圖2 通信基站房屋在橋下場(chǎng)坪(單位：mm)

3 總體設(shè)計(jì)

區(qū)間四電場(chǎng)坪通常包括了通信基站、信號(hào)中繼站的箱式機(jī)房、電力箱變和通信鐵塔，他們分別由不同的專業(yè)設(shè)計(jì)，考慮對(duì)這些設(shè)備的防雷和接地進(jìn)行總體性優(yōu)化，統(tǒng)籌布局，分別滿足各專業(yè)要求。

集約設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)研究幾個(gè)影響因素：一是接地裝置與場(chǎng)坪電纜溝之間的關(guān)系，二是在設(shè)備布局限制下如何解決接地網(wǎng)格的合理性問(wèn)題，三是與綜合貫通地線的關(guān)系。對(duì)總體方案有最大影響的是通信鐵塔與場(chǎng)坪的關(guān)系，需要根據(jù)兩大不同情況分別處理，原則上以降低雷電對(duì)其他設(shè)施的影響為主要出發(fā)點(diǎn)。

4 接閃器及引下線設(shè)計(jì)

當(dāng)通信鐵塔與四電機(jī)房同場(chǎng)坪時(shí)(圖1)，客觀上不具備采用分離設(shè)計(jì)規(guī)避反擊和高電位引入，故利用鐵塔避雷針作為整個(gè)場(chǎng)坪設(shè)施的防雷接閃器，其下處理好后等電位設(shè)計(jì)。

對(duì)于圖2所示的情形則利用機(jī)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(dú)立。

5 接地網(wǎng)設(shè)計(jì)

四電綜合場(chǎng)坪的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)是重點(diǎn)和難點(diǎn)所在。

鐵路接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)可根據(jù)其具體條件采用綜合接地系統(tǒng)、共用接地系統(tǒng)或分設(shè)接地系統(tǒng)。按照實(shí)際用途來(lái)分，電氣設(shè)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(hù)接地4種。這4種接地方式的布局是否科學(xué)合理，對(duì)人身、設(shè)備乃至整個(gè)區(qū)域電網(wǎng)都會(huì)產(chǎn)生影響。

《防雷及電磁兼容》規(guī)范了鐵路接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)采用的形式，其3.0.4中規(guī)定，

“客運(yùn)專線應(yīng)采用綜合接地系統(tǒng)方式”，“鐵路建筑物宜采用共用接地系統(tǒng)方式”。根據(jù)以上相關(guān)文件要求，四電場(chǎng)坪應(yīng)立足于綜合接地系統(tǒng)考慮相關(guān)設(shè)計(jì)[1]。

首先從場(chǎng)坪內(nèi)的室外接地網(wǎng)出發(fā)，合理布局網(wǎng)格，為各設(shè)備系統(tǒng)合理設(shè)置引接條件，再考慮用合理的方式將室外接地網(wǎng)和鐵路沿線的貫通地線相連，從而完成場(chǎng)坪內(nèi)綜合接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

(1) 室外地網(wǎng)

室外接地網(wǎng)由各接地體、建筑物四周的環(huán)形接地裝置、建筑物基礎(chǔ)鋼筋構(gòu)成的接地體相互連接構(gòu)成。

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，接地網(wǎng)格要同時(shí)滿足以下要求。

①信號(hào)設(shè)備用房應(yīng)在建筑物四周埋設(shè)環(huán)形人工接地體，并與建筑物四角及每隔5～10 m的基礎(chǔ)接地網(wǎng)鋼筋焊接一次，接地電阻不應(yīng)大于1 Ω。

②建筑物垂直接地體應(yīng)均勻布置，間距不小于其長(zhǎng)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(qū)，應(yīng)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(yīng)將建筑物四周的混凝土基礎(chǔ)內(nèi)的主鋼筋焊接連通，構(gòu)成閉合的基礎(chǔ)接地網(wǎng)，其網(wǎng)格尺寸應(yīng)不大于5 m。

常規(guī)的地網(wǎng)設(shè)計(jì)一般是采用均勻布置形式，但通過(guò)對(duì)場(chǎng)坪上各設(shè)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(guī)則地網(wǎng)布局。要滿足上述全部要求，需要反復(fù)規(guī)劃和驗(yàn)算地網(wǎng)是否符合各項(xiàng)指標(biāo)?；蛘咴诰植客耆痪邆錀l件時(shí)，最大限度地接近指標(biāo)要求。

圖3是一個(gè)通信鐵塔在場(chǎng)坪內(nèi)的地網(wǎng)典型規(guī)劃設(shè)計(jì)，即在區(qū)間箱變機(jī)房四周敷設(shè)了環(huán)形水平接地體，將區(qū)間箱變場(chǎng)坪內(nèi)各部分防雷裝置、建筑物金屬構(gòu)件、鐵塔基礎(chǔ)及低壓配電保護(hù)線(PE)、設(shè)備工作地線和保護(hù)線、屏蔽體接地、防靜電接地等連接在一起組成一個(gè)共同接地系統(tǒng)。各部位相互間距盡最大可能滿足了相關(guān)規(guī)定要求，同時(shí)滿足各設(shè)備系統(tǒng)接入點(diǎn)數(shù)的要求。垂直接地體埋深為0.8 m，在機(jī)房及箱式變電站門(mén)口處埋深為1.0 mm，以防跨步電壓。

圖3 箱變場(chǎng)坪(含鐵塔)接地網(wǎng)格(單位：mm)

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，該地網(wǎng)的環(huán)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(chǎng)坪所在之處存在污水排放和土壤腐蝕性強(qiáng)的情況，根據(jù)相關(guān)規(guī)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(wǎng)的四周選用設(shè)置了4處石墨接地體。按規(guī)定， 建筑物垂直接地體應(yīng)均勻布置，間距不應(yīng)小于其長(zhǎng)度的2倍。本設(shè)計(jì)的垂直接地體平均間距為5 m，由于接地網(wǎng)采用非完全規(guī)則的形狀設(shè)計(jì)，為避免局部誤差造成的違規(guī)，垂直接地體沒(méi)有采用2.5 m的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度，而是采用50 mm×50 mm×5 mm，L=2.0 m的鍍鋅角鋼。

通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)踐，筆者感覺(jué)，四電綜合場(chǎng)坪的地網(wǎng)布置主要受制于各系統(tǒng)設(shè)備機(jī)房的布局和對(duì)接地端子的需求，而由于地網(wǎng)埋深可以在電纜溝之下，場(chǎng)坪電纜溝的影響則基本可以忽略。

關(guān)于通信鐵塔的防雷接地，《防雷及電磁兼容》4.2.7規(guī)定“無(wú)線通信鐵塔應(yīng)設(shè)避雷針。避雷針的接地裝置應(yīng)單獨(dú)設(shè)置，并距信號(hào)樓環(huán)形接地裝置不宜小于15 m。當(dāng)無(wú)線通信鐵塔避雷針的接地裝置距信號(hào)樓環(huán)形接地裝置的接入點(diǎn)距離小于15 m時(shí)，應(yīng)接入信號(hào)樓環(huán)行接地裝置或貫通地線，但該接入點(diǎn)與其他地線在環(huán)行接地裝置接入點(diǎn)之間的距離不應(yīng)小于5 m?！?/p>

根據(jù)上述要求，對(duì)于圖2所示的情形，當(dāng)鐵塔距離綜合場(chǎng)坪地網(wǎng)的距離大于15 m時(shí)，該鐵塔的防雷接地按完全獨(dú)立設(shè)計(jì)；當(dāng)距離在15 m之內(nèi)時(shí)，則按與圖3相同的原則與場(chǎng)坪統(tǒng)籌設(shè)計(jì)。如圖4、圖5所示。同時(shí)在專業(yè)接口設(shè)計(jì)中需要注意：當(dāng)鐵塔在場(chǎng)坪地網(wǎng)15 m以外，獨(dú)立設(shè)置防雷接地裝置時(shí)，搭載在鐵塔上通過(guò)線纜連接的通信設(shè)施應(yīng)注意嚴(yán)格與鐵塔絕緣，否則會(huì)意外構(gòu)成不當(dāng)?shù)碾娢徊钔?，危及設(shè)備和人身安全。

此外，根據(jù)高鐵規(guī)范要求，鐵路線路兩側(cè)20 m范圍內(nèi)的建筑物、構(gòu)筑物的接地裝置還應(yīng)接入綜合貫通地線系統(tǒng)，故實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，15 m以外的鐵塔是否獨(dú)立設(shè)置接地，還需要注意考慮周邊四電設(shè)施以外的其他設(shè)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(dāng)，與相鄰裝置或建(構(gòu))筑物間，以及與綜合接地系統(tǒng)間發(fā)生反擊。

圖4 鐵塔非獨(dú)立接地

圖5 鐵塔獨(dú)立接地

(2)室內(nèi)地網(wǎng)

箱式變電站內(nèi)部一般包括高壓柜、變壓器和低壓柜等幾個(gè)隔間，這些設(shè)備的工作接地、保護(hù)接地、防雷接地、防靜電接地與變壓器的中性點(diǎn)接地，通?？偣蔡峁?～2個(gè)接地引入端子即可，相對(duì)于弱電設(shè)備接地比較簡(jiǎn)單。而根據(jù)相關(guān)規(guī)定，弱電設(shè)備如信號(hào)設(shè)備，應(yīng)設(shè)置安全地線、屏蔽地線和防雷地線。信號(hào)設(shè)備的機(jī)架、控制臺(tái)、箱盒、信號(hào)機(jī)梯子等應(yīng)設(shè)安全地線，交流電力牽引區(qū)段的電纜金屬護(hù)套應(yīng)設(shè)屏蔽地線，防雷保安器應(yīng)設(shè)防雷地線。上述地線均需從共用接地系統(tǒng)的地網(wǎng)中引出。根據(jù)上述不同功能需求，在箱式變電站內(nèi)只設(shè)置1組，基站、通信機(jī)械室及信號(hào)中繼站內(nèi)設(shè)置了多組接地端子排。

如圖6所示，信號(hào)機(jī)房?jī)?nèi)共設(shè)置了4處接地端子排，分別為分線盤(pán)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(hào)機(jī)房?jī)?nèi)接地端子排設(shè)置

由于機(jī)房?jī)?nèi)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(wǎng)上的連接點(diǎn)的時(shí)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(nèi)設(shè)置了一總接地端子排，接地線與地網(wǎng)扁鋼連接，機(jī)殼四角接地。

圖7 箱式變電站內(nèi)接地端子排設(shè)置

6 與綜合接地系統(tǒng)的連接

鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)章規(guī)定高速鐵路距鐵路20 m范圍內(nèi)鐵路建筑物的接地裝置應(yīng)與綜合接地系統(tǒng)的貫通地線可靠連接，貫通地線在信號(hào)樓上、下行兩端應(yīng)分別與其環(huán)形接地體連接，每端設(shè)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(huán)形接地裝置連接，兩端各連接2次。

本案在場(chǎng)坪的環(huán)形地網(wǎng)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(gè)預(yù)留連接端子連接。在兩端采用2根導(dǎo)體保持一定距離連接到同一點(diǎn)的連接方式，形成并聯(lián)效果，其意義是進(jìn)一步加強(qiáng)環(huán)形地網(wǎng)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(zhǔn)的對(duì)應(yīng)位置間隔2～3 m連續(xù)預(yù)留2個(gè)連接端子，在全線過(guò)于密集地增加連接端子，又會(huì)增加無(wú)謂的投資。所以，四電場(chǎng)坪環(huán)形地網(wǎng)每端設(shè)2根連接線的做法其實(shí)沒(méi)有增加連接點(diǎn)數(shù)，從而2根線間保持2～3 m的距離并不能解決連接點(diǎn)故障問(wèn)題。故筆者建議將來(lái)修訂相關(guān)規(guī)定時(shí)，可取消每端設(shè)2根連接線的要求。

接地電纜敷設(shè)在電纜溝內(nèi)，與貫通地線上的預(yù)留端子連接，如圖8所示。在連接貫通地線處，通信信號(hào)專業(yè)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(shè)計(jì)在選擇材料時(shí)也考慮了這點(diǎn)，規(guī)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(jié)論與展望

通過(guò)哈大客運(yùn)專線工程的設(shè)計(jì)實(shí)踐，筆者對(duì)相關(guān)的國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)章進(jìn)行了分析研究，給出了一套區(qū)間四電場(chǎng)坪綜合接地設(shè)計(jì)的實(shí)施方案，盡可能地解決了各系統(tǒng)設(shè)施布局對(duì)接地設(shè)計(jì)的不利影響。該

設(shè)計(jì)已在哈大客運(yùn)專線工程實(shí)施并投運(yùn)，有待運(yùn)營(yíng)效果的進(jìn)一步檢驗(yàn)，并在后續(xù)區(qū)間接地設(shè)計(jì)中不斷改進(jìn)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(huì)，等.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[3] 田瑞環(huán)，等. 鐵路電力設(shè)計(jì)手冊(cè). 北京：中國(guó)鐵道出版社，1991.

[4] GB 50057—2010，建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范.

[5] 劉家美，何正友.鄭西客運(yùn)專線四電系統(tǒng)集成的安全性分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(12).

[6] 丁峰.高寒凍土地區(qū)牽引變電所接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，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(yè)于天津大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，工學(xué)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