杭州城市軌道交通防雷技術(shù)探討

李強，任勇

（杭州市氣象局，浙江 杭州 310051）

城市軌道交通是大城市公共交通的重要組成部分，為緩解交通擁堵，減少空氣污染起到越來越重要的作用。由于地鐵和軌道交通的客運量較大，且地鐵一般位于地下，一旦出現(xiàn)事故，將會帶來嚴(yán)重后果。雷電是城市軌道交通的重要威脅之一，2010 年，南京地鐵1 號線南延段雷擊接觸網(wǎng)和接觸網(wǎng)支柱導(dǎo)致接觸網(wǎng)斷裂；2018 年7 月26 日，上海地鐵1 號線因雷擊造成供電設(shè)備故障，運營受影響1 個半小時。因此，一個良好的防雷系統(tǒng)能夠為地鐵的正常平穩(wěn)運行提供有力的保障。

1 杭州地鐵情況介紹

現(xiàn)在，杭州市軌道交通1 號線、2 號線、4 號線已陸續(xù)投入使用，其中2 號線與4 號線均為地下車站，1 號線含3個高架區(qū)間站。所有站點均已完成防雷裝置竣工驗收檢測，但在檢測過程中，發(fā)現(xiàn)部分設(shè)計思想與防雷設(shè)計規(guī)范要求不太貼合，針對杭州的氣象環(huán)境和地鐵建設(shè)的地理環(huán)境，本文從接地系統(tǒng)的設(shè)計、機房設(shè)備的等電位連接、電源及信號線路的布設(shè)、浪涌保護器的選擇、高架區(qū)間段和行人出入口的防直擊雷等幾個方面進(jìn)行探討。

2 接地系統(tǒng)的設(shè)計

接地裝置時，整個地鐵運行系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)，地鐵車站內(nèi)的接地形式主要有信息系統(tǒng)接地、用電設(shè)備工作接地、保護性重復(fù)接地、防直擊雷接地等。在一般情況下，這些接地系統(tǒng)宜采用共用的接地系統(tǒng)，并作等電位連接。接地電阻大小要求，按照所接入接地系統(tǒng)的最小要求確定。當(dāng)有設(shè)備需要特別要求單獨接地時應(yīng)注意其獨立接地體與共用接地體間距離，以防反擊。為防止強電與弱電之間的串?dāng)_，從基礎(chǔ)接地引出總等電位排，一般預(yù)留10 個點（2 個備用），強、弱電系統(tǒng)的接地母排（每組不少于二根）應(yīng)從接地網(wǎng)的不同點引出，且強、弱電接地母排引出點應(yīng)間隔20m 以上的距離。車站接地系統(tǒng)如圖1 所示。

3 機房內(nèi)設(shè)備等電位連接分析

圖1 車站地網(wǎng)系統(tǒng)圖

地鐵采用的是TN-S 供電，地線和零線在進(jìn)戶處才進(jìn)行了區(qū)分，這樣就導(dǎo)致零線中可能產(chǎn)生電壓，所產(chǎn)生的電壓會對設(shè)備的接地產(chǎn)生干擾。面對這種干擾，可以將機房內(nèi)的弱電設(shè)備及其他設(shè)備金屬外殼采用M 型與S 型混合接地的方式，就近與等電位接地排連接，等電位連接排與建筑時預(yù)留的局部等電位排連接；機柜外殼接地后，內(nèi)部設(shè)備的外殼應(yīng)該就近連接至機架上。涉及電源浪涌保護器的防雷接地，應(yīng)當(dāng)在機柜內(nèi)設(shè)置單獨的地排，此地排與機柜絕緣，安裝絕緣腳子。防雷地排的接地引專線至等電位連接排。強電與弱電的等電位連接排分開設(shè)置，其連接導(dǎo)線穿管敷設(shè)，穿管接地。

4 設(shè)備電源及信號線路屏蔽設(shè)計

4.1 設(shè)備損壞形式

現(xiàn)代電子設(shè)備、用電裝置都需要多外殼和保護地線進(jìn)行重復(fù)接地，進(jìn)行接地后其自身電位與接地裝置相同，設(shè)備運行時電位隨接地裝置變化而變化。地鐵線路較長，車站較多，所有車站通過各種線路與設(shè)備連成一個整體，接地電位很容易受其他設(shè)備影響（如設(shè)備損壞、短路等），在這些正常運行設(shè)備與外接線路之間發(fā)生反擊，造成設(shè)備損壞。其主要表現(xiàn)在：（1）進(jìn)出設(shè)備機房的信號、控制、電源、橋架等線路與連接在其上的其他設(shè)備；（2）從室外進(jìn)入室內(nèi)的各種管線；（3）接地裝置所處環(huán)境周圍因遭受雷擊地電位升高等。

4.2 采取措施

各種線路應(yīng)最大范圍的不在雷電感應(yīng)范圍內(nèi)，對雷電感應(yīng)敏感的線路采取合理雙層屏蔽（外層屏蔽層接地網(wǎng)與內(nèi)層屏蔽層接地網(wǎng)互相獨立、內(nèi)層與進(jìn)戶地網(wǎng)適當(dāng)作等電位連接）。穿越防雷區(qū)的電源線應(yīng)穿鋼管或屏蔽管敷設(shè)，穿管在入戶處與局部等電位排連接，在前端與引線處機房等電位排連接。信號線路在金屬橋架內(nèi)敷設(shè)，電源線與信號線穿管間距離不宜小于20cm。信號線路屏蔽層應(yīng)接地，在線纜的出線端和入線端均應(yīng)接地。采取光纜傳輸?shù)墓饫|加強芯也應(yīng)接地。線纜走線應(yīng)盡量的平直，避免大角度彎折，應(yīng)盡量減少電纜自身形成的感應(yīng)環(huán)面積。

5 電源系統(tǒng)浪涌保護器能量配合

在變壓器低壓側(cè)裝一組采用Ⅰ級實驗的浪涌保護器。在重要的弱電機房、控制系統(tǒng)、風(fēng)機系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等用電配電箱裝設(shè)置相匹配的電源SPD。進(jìn)出LPZ0 區(qū)與LPZ1 區(qū)的各種信號與電源線路等在交接處或者前后端設(shè)備箱內(nèi)設(shè)置相匹配的電源SPD。所有安裝的電源SPD 應(yīng)自帶失效保護提醒裝置，工作人員應(yīng)定期巡查，發(fā)現(xiàn)故障及時排除。機房內(nèi)浪涌保護器安裝方式如圖2 所示。

圖2 機房浪涌保護器安裝系統(tǒng)圖

6 高架區(qū)間段觸網(wǎng)的直擊雷防護

6.1 絕緣水平

為保證接觸網(wǎng)的抗雷擊過電壓的能力，最直接的辦法是提高接觸網(wǎng)絕緣水平，但過度提高絕緣水平又會造成工程投資的無謂增加。杭州地鐵采用DC1500V 供電，根據(jù)IEC 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，DC1500V 接觸網(wǎng)絕緣子的絕緣水平一般要求其爬距不小于120mm。根據(jù)國內(nèi)相關(guān)地鐵建設(shè)經(jīng)驗，杭州地鐵1 號線工程地面及高架區(qū)段接觸網(wǎng)采用爬距不小于250mm 的防污型瓷質(zhì)絕緣子，其技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 防污型瓷質(zhì)絕緣子技術(shù)表

絕緣子雷電沖擊耐壓值達(dá)100kV 以上，其絕緣水平能夠滿足杭州地區(qū)的要求。

6.2 直擊雷防護

高架區(qū)間處于LPZ0 區(qū)，可能遭受直擊雷擊。應(yīng)設(shè)置防直擊雷保護裝置，當(dāng)材料滿足條件，絕緣能達(dá)到擊穿限度時，可以利用觸網(wǎng)的架空地線和觸網(wǎng)支撐桿作為接閃裝置。觸網(wǎng)架空接地線在材料滿足條件是可作為接閃線。架空地線每隔200m 左右通過地電壓均衡器接地。地電壓均衡器正常運行時防止雜散電流向地鐵外部擴散，在發(fā)生雷擊事故時，能瞬時將架空地線和接觸網(wǎng)接地側(cè)設(shè)備（橋墩地網(wǎng)）短接。

6.3 避雷器選擇

高架區(qū)間段避雷器主要選擇氧化鋅為主，安裝時應(yīng)增加與觸網(wǎng)桿絕緣的絕緣腳子，防止點位反擊，安裝距離視地理環(huán)境及桿間距離而定，在相對高度較高時應(yīng)減少距離，原則上每兩個避雷器之間間距不少于300m。接觸網(wǎng)在高架區(qū)間段結(jié)束，進(jìn)入隧道口設(shè)置避雷器，此處避雷器接地應(yīng)注意不能利用隧道內(nèi)強電接地，仍需就近與橋墩基礎(chǔ)進(jìn)行連接。地面及高架區(qū)段接觸網(wǎng)的避雷器、地電壓均衡器等設(shè)備均設(shè)置接地體，接地電阻不大于10Ω。

7 行人出入口及無障礙電梯的直擊雷防護

7.1 出入口防直擊雷

7.2 無障礙電梯防直擊雷

（1）處于LPZ0B 區(qū)的無障礙電梯。處于接閃器保護范圍內(nèi)的無障礙電梯可以不采取防直擊雷措施，因其直接進(jìn)入地鐵地下層，可利用地鐵接地系統(tǒng)，將電梯龍骨鋼架與接地裝置進(jìn)行等電位連接。

（2）處于LPZ0A 區(qū)的無障礙電梯。處于馬路邊或者空曠地帶，無接閃器保護的無障礙電梯可利用電梯支撐鋼架作為接閃器，宜采用獨立的接地裝置，引下線及接地裝置做法可按照地鐵出入口方式設(shè)計安裝。

8 結(jié)語

根據(jù)地鐵設(shè)備安裝的特性，本文總結(jié)了幾種關(guān)鍵的防雷技術(shù)并得出以下結(jié)論：（1）作為防雷的關(guān)鍵，應(yīng)充分考慮設(shè)備運行的性質(zhì)，及其所處的環(huán)境，不能生搬硬套規(guī)范做法；（2）地鐵系統(tǒng)防雷應(yīng)考慮側(cè)重點，從接閃、卸流、防反擊等方面綜合分析；（3）需要考慮防雷的投入成本及其影響程度之間關(guān)系，在降低風(fēng)險的同時保證經(jīng)濟合理。在不斷的防雷檢測和施工過程中，專業(yè)人員應(yīng)當(dāng)積累實踐知識，提升研究水平，為城市軌道安全運行保駕護航。