城市軌道交通防雷技術(shù)與應(yīng)用

馬劍　馬繹皓

摘要：城市軌道交通系統(tǒng)使用了最為精密的設(shè)備，其極易受到雷電流的干擾，對(duì)設(shè)備造成損害，從而嚴(yán)重影響交通軌道的正常使用，甚至?xí){人民生命財(cái)產(chǎn)安全。本文基于城市軌道交通建設(shè)特點(diǎn)，詳細(xì)闡述了城市軌道交通系統(tǒng)的組成以及雷電電磁環(huán)境對(duì)各個(gè)區(qū)域的影響，從而提出具體的防雷方案，希望能進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)城市軌道交通的安全運(yùn)行，切實(shí)為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;防雷技術(shù);具體方案

中圖分類號(hào)：TM862??????????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

收稿日期：2020-04-09

作者簡(jiǎn)介：馬劍（1983-?），男，工程師，本科，研究方向：雷電防御及計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，對(duì)于建設(shè)城市軌道交通的需求越來越大。為了保證城市軌道交通的安全性、便捷性、環(huán)保性，在軌道交通系統(tǒng)之中采用了許多先進(jìn)的現(xiàn)代信息科技。但是，隨著設(shè)備的精密程度、復(fù)雜程度和系統(tǒng)的升級(jí)，導(dǎo)致其功耗越來越大，運(yùn)行電壓越來越低，對(duì)雷電流的抗干擾程度越來越弱。當(dāng)收到雷電流侵害的時(shí)候會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的正常運(yùn)行，對(duì)軌道交通控制中心和各站點(diǎn)相互連接的通訊設(shè)備造成損傷，從而帶來了無法估計(jì)的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。因此，在城市軌道交通建設(shè)過程之中建立綜合防雷技術(shù)，對(duì)軌道交通實(shí)現(xiàn)全面的防護(hù)，從而減少雷電流安全隱患，保證城市軌道交通的安全運(yùn)行，減少經(jīng)濟(jì)損失，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 城市軌道交通系統(tǒng)組成

隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，許多先進(jìn)技術(shù)被應(yīng)用到城市軌道系統(tǒng)建設(shè)之中，既增強(qiáng)了各站點(diǎn)與控制中心的聯(lián)系，保證了城市軌道交通快捷、方便的運(yùn)行，也加強(qiáng)了城市軌道交通在面對(duì)各種應(yīng)急情況下的應(yīng)變能力，從而保證了城市軌道交通安全、環(huán)保的運(yùn)行。城市軌道交通系統(tǒng)是由多種具備不同功能性質(zhì)的子系統(tǒng)構(gòu)成的，其中主要分為基礎(chǔ)設(shè)施和控制系統(tǒng)兩個(gè)大類?；A(chǔ)建設(shè)主要包括線路、電壓站和車站等的建設(shè)，這些均是易導(dǎo)電材質(zhì)構(gòu)成，在遭遇雷雨天氣的時(shí)候，極易受到雷電流侵害;控制系統(tǒng)主要是供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)組成，其是通過無線波進(jìn)行信號(hào)傳輸，在遭遇雷雨天氣的時(shí)候會(huì)受到雷電電磁脈沖的影響，從而影響了城市軌道交通的正常運(yùn)行，帶來了極大的經(jīng)濟(jì)損失。

2 雷電電磁環(huán)境對(duì)各個(gè)區(qū)域的影響

在城市軌道交通系統(tǒng)之中，主要是按照車站和線路所處位置的不同，對(duì)軌道交通分為地下、地上兩個(gè)方面。

地下站（線）是由于城市軌道交通在建設(shè)的時(shí)候，按照城市整體規(guī)劃對(duì)交通便捷性與全面性的要求，在構(gòu)建這部分軌道的時(shí)候，由于地面上存在建筑物且不能進(jìn)行拆除，而只有從地下進(jìn)行建設(shè)的軌道交通。一般建設(shè)在距地面10-15米之間，其不僅方便了乘客進(jìn)出，也能節(jié)省大量的資金。地下車站和線路的主體框架是由鋼筋水泥土澆灌而出的，采用鋼筋焊接或綁扎的施工工藝，能形成良好的金屬防磁波屏障，構(gòu)建出“法拉第籠”，在現(xiàn)實(shí)之中對(duì)外界空間的雷電電磁脈沖有非常強(qiáng)的抵御效果。在地下車站內(nèi)部的設(shè)備與建筑受到防雷保護(hù)，受到雷擊的可能性幾乎為零[1]。

地上站（線）是建設(shè)城市軌道交通路線之中，沒有任何外物阻擋而在地面進(jìn)行的城市軌道鋪設(shè)。地面站（線）受到雷擊的影響要依據(jù)地理地貌和當(dāng)?shù)亟ㄖ闆r的不同進(jìn)行判定。如在四川區(qū)域，由于屬于盆底，在雷雨天氣的時(shí)候，雷動(dòng)較小，對(duì)城市軌道交通的影響較小。但是對(duì)有某些北方城市，雷動(dòng)較大，為了解決城市內(nèi)部交通擁擠情況，常常需要鋪設(shè)高架線等作為輔助交通工具，這樣的情況無疑會(huì)增高城市軌道線路以及車站的建設(shè)位置。同時(shí)，由于軌道交通全線使用電力系統(tǒng)來對(duì)車輛進(jìn)行牽引的，在種種因素的影響下，導(dǎo)致城市軌道交通的線路和車站等受到雷擊的幾率增大，甚至有可能面臨直擊雷襲擊。

雷電對(duì)城市軌道交通的影響，不僅僅是由于車站、車輛和線路等會(huì)直接遭受雷電的襲擊，其存在的信號(hào)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等內(nèi)部精密的零件設(shè)備會(huì)由于受到雷電電磁脈沖的影響而失靈。在雷電爆發(fā)的時(shí)候，其產(chǎn)生的大量磁場(chǎng)對(duì)設(shè)備信號(hào)的干擾也是顯而易見的。同時(shí)，由于其產(chǎn)生的直流電氣牽引系統(tǒng)，會(huì)以傳導(dǎo)、感應(yīng)、輻射等多種傳播方式對(duì)所在區(qū)域的電流造成嚴(yán)重影響;散落的電流也能在通訊的時(shí)候，與其通信導(dǎo)線附近產(chǎn)生電位差，除了能腐蝕地下管線之外，還會(huì)在接地的通訊設(shè)備上形成高位電，從而威脅工作人員與設(shè)備的安全。因此，雷電造成的電磁脈沖對(duì)周邊磁場(chǎng)環(huán)境的影響也是威脅城市軌道交通安全性的重要難題。

3 具體防雷方案

3.1 直擊雷防護(hù)

在對(duì)地上站（線）進(jìn)行防雷保護(hù)的時(shí)候，可以參照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)于建筑防雷分類的計(jì)算方法，對(duì)地上站（線）建筑物進(jìn)行精密的計(jì)算，從而確定對(duì)應(yīng)直擊雷類別，再依據(jù)相關(guān)措施做好相應(yīng)的設(shè)計(jì)。這種方法在我國(guó)已趨近成熟，并取得了一定成效，本文就不展開討論了。

3.2 等電位連接

在城市軌道交通系統(tǒng)建設(shè)之中，車站是設(shè)備最為集中的區(qū)域，在采用地下站建設(shè)的時(shí)候，常常使用混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在整個(gè)地下站的建設(shè)中利用鋼筋形成“法拉第籠”，及有效保證了系統(tǒng)接地阻值的需要，也方便了個(gè)設(shè)備的接地建造。而對(duì)于地上站的建筑，則是基礎(chǔ)建筑直接落地，在建筑內(nèi)部并排電位端。其作為內(nèi)部系統(tǒng)與設(shè)備正常工作的基礎(chǔ)組成部分，在發(fā)生腐蝕或者意外斷裂的情況的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備系統(tǒng)接地阻值升高甚至是懸空。為了有效保證接地系統(tǒng)的可靠性，在建設(shè)基礎(chǔ)建設(shè)的時(shí)候就應(yīng)該采用耐腐蝕與不易鍛煉的材料，或者是做好防腐蝕工作[2]。例如，在針對(duì)雷電磁脈沖散亂電流對(duì)設(shè)備陰極保護(hù)措施的影響的時(shí)候，在接地就別設(shè)備交警的區(qū)域就要增強(qiáng)材料的耐腐蝕能力，可以采用最新型、現(xiàn)今的鍍銅鋼接地產(chǎn)品，或者是降阻防腐劑等。

在進(jìn)行城市軌道交通系統(tǒng)建設(shè)中，要充分把握設(shè)備機(jī)房與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接地端子供設(shè)備接地，由于當(dāng)前技術(shù)受限，無法完善的設(shè)置出等電位連接網(wǎng)絡(luò)，這在系統(tǒng)受到雷擊電磁脈沖得到時(shí)候，將造成設(shè)備電位差，從而無視設(shè)備的絕緣體而造成設(shè)備故障，嚴(yán)重影響了設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。所以，在城市軌道交通系統(tǒng)建設(shè)過程之中，對(duì)設(shè)備電位連接的保護(hù)是放電措施研究的重點(diǎn)，其也是對(duì)工作人員人身財(cái)產(chǎn)安全的有利保障。

在城市軌道交通系統(tǒng)建設(shè)之中一般采用S型和M型兩種等電位連接網(wǎng)絡(luò)。S型等電位連接網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)適用于設(shè)備集中、系統(tǒng)線路禮品卡在局部纏繞的情況，而M型恰恰相反。因此，依據(jù)城市軌道交通系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，一般采用的是M型等電位連接網(wǎng)絡(luò)。在這樣的情況下，設(shè)備機(jī)房?jī)?nèi)地面采用的金屬網(wǎng)格連接網(wǎng)一般使用的薄銅帶，這樣更加有利于電磁脈沖電流的通過。如果在建設(shè)之中，利用等電位連接和接地設(shè)備是以最短的途徑與銅帶連接，并多出采用接地裝置連接，將有效緩解電磁脈沖對(duì)設(shè)備等電位網(wǎng)絡(luò)的影響。

3.3 雷電電磁脈沖的防護(hù)

隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大，城市軌道交通壓力增大，城市軌道不得不進(jìn)行重復(fù)建設(shè)，即軌道與軌道之間間隔尚短。同時(shí)，由于現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，信息控制系統(tǒng)代替了人工操作，全智能控制系統(tǒng)既提高了城市軌道交通的效率，也能極大滿足當(dāng)前快節(jié)奏的生活。但是，采用的智能化設(shè)備也在增多，對(duì)系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備和通信設(shè)備系統(tǒng)的防護(hù)也變得極為重要。在面對(duì)城市軌道交通全自動(dòng)化、機(jī)械化的操作設(shè)備的時(shí)候，避免因雷電電磁脈沖對(duì)設(shè)備的影響，將變得極為重要。從等電位網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，各個(gè)子系統(tǒng)間可以在做好接地保護(hù)的基礎(chǔ)之上，全方位做好等電位連接，再綜合運(yùn)用分流、阻隔、絕緣體保護(hù)等措施，極大減小雷電電磁脈沖電流對(duì)設(shè)備的影響，從各個(gè)子系統(tǒng)的關(guān)系上，來抗拒雷電從磁場(chǎng)的影響[3]。

3.4 機(jī)電與通信系統(tǒng)的保護(hù)

城市軌道交通的機(jī)電房與通信控制系統(tǒng)主要集中在車站以及控制中心等場(chǎng)所，而車輛上則是安裝了車載系統(tǒng)，其為了方便車輛與控制中心的聯(lián)系，也能提醒車站做好準(zhǔn)備。在整個(gè)通訊過程之中，主要是依靠無線信息進(jìn)行傳遞的。而對(duì)于雷電電磁的影響下，無法準(zhǔn)確進(jìn)行信息傳遞，會(huì)嚴(yán)重影響到車輛的安全運(yùn)行。其中可以采用衛(wèi)星通信等方式。

3.5 供電系統(tǒng)

城市軌道交通線路主要采用的集中供電形式，是建立一個(gè)供電站，對(duì)城市軌道交通整體進(jìn)行供電。一般會(huì)在每條線路上建立多個(gè)變電站，以方便對(duì)車站、車聯(lián)、電子監(jiān)控等設(shè)備進(jìn)行不同電壓的供電。這些變電裝置和系統(tǒng)都是通過自動(dòng)化形成，而考慮到供電系統(tǒng)可能會(huì)遭受到雷擊的各個(gè)可能性，建議采用最新的防雷裝置進(jìn)行。在對(duì)于暴露與地面的變電所房屋可以采用避雷針等方式，來減少直擊雷的幾率。同時(shí)，可以做好設(shè)備接地保護(hù)，可以安裝一級(jí)電源浪涌保護(hù)器KSP-25KA/350/4P/M（350波形產(chǎn)品）;重要設(shè)備供電末端安裝二級(jí)電源浪涌保護(hù)器，選型為KSP-80KA/4P/M。;在各信息計(jì)方配電電源箱處安裝三級(jí)電源浪涌保護(hù)器，選型為KSP-40KA/4P/M;對(duì)于在設(shè)備前端電源處安裝末級(jí)電源防雷插排，選型為KS-CP-01A-10/M;所有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)前后端均安裝千兆網(wǎng)絡(luò)避雷器KS-RJ45-2E/1000/M ;監(jiān)控視頻端安裝網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控三合一避雷器KS-2E/24/M。利用最新的科技材料來有效規(guī)避雷電的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通防雷技術(shù)并不是一蹴而就，而是需要進(jìn)行全面考慮，對(duì)各項(xiàng)防雷措施進(jìn)行定期排查和長(zhǎng)期治理的，只有這樣才能解決雷電對(duì)城市交通軌道的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉曉娟，張雁鵬，湯自安.城市軌道交通智能控制系統(tǒng)[M].中國(guó)鐵道出版社，2008.

[2]范文毅，殷錫金.城市軌道交通車站設(shè)備[M].中國(guó)鐵道出版社，2000.

[3]何宗華.城市軌道交通車站機(jī)電設(shè)備運(yùn)行與維修[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

Abstract： The urban rail transit system uses the most sophisticated equipment， which is extremely susceptible to interference from lightning currents， causing damage to the equipment， thereby seriously affecting the normal use of traffic rails， and even threatening the safety of peoples lives and property. Based on the characteristics of urban rail transit construction， this article elaborated on the composition of urban rail transit system and the impact of lightning electromagnetic environment on various regions， so as to propose specific lightning protection plans， hoping to further promote the safe operation of urban rail transit in?China Contribute to economic development.

Key?words： Urban rail transit; Lightning protection technology; Specific plan