寧和城際軌道交通大勝關(guān)大橋段通信信號設(shè)備防雷研究

宋瑋韜 盧瀅 唐晨彬

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.01.013

收稿日期：2023-01-04

摘? 要：雷電災(zāi)害是目前中國最嚴峻的十大自然災(zāi)害之一，雷電對電子設(shè)備所產(chǎn)生的干擾已引起人們的高度重視。寧和城際地鐵大勝關(guān)長江大橋路段處于雷電的高發(fā)區(qū)域，文章對該路段的氣候、雷電環(huán)境及實際工況進行了調(diào)查研究，通過對其主橋和引橋上通信信號設(shè)備的防雷保護范圍進行計算，分析并得出了通信信號設(shè)備的接地方案。該研究成果對類似相關(guān)項目具有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：通信信號設(shè)備；防雷接地；軌道交通；大勝關(guān)大橋

中圖分類號：TM86；U28? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）01-0063-04

Research on Lightning Protection of Communication Signal Equipment in Dashengguan Yangtze River Bridge Section of Ninghe Intercity Rail Transit

SONG Weitao1， LU Ying2， TANG Chenbin2

（1.Nanjing Metro Construction Co.， Ltd.， Nanjing? 210017， China;

2.China Railway Shanghai Design Institute Group Co.， Ltd.， Shanghai? 200070， China）

Abstract： Lightning disaster is currently one of the ten most severe natural disasters in China， and the interference caused by lightning on electronic devices has attracted high attention from people. The Dashengguan Yangtze River Bridge section of the Ninghe Intercity Subway is located in a high incidence area of lightning. This paper investigates and studies the climate， lightning environment， and actual working conditions of this section. By calculating the lightning protection range of communication signal equipment on the main bridge and approach bridge， the grounding scheme of communication signal equipment is analyzed and obtained. This research result has a certain reference value for similar related projects.

Keywords： communication signal equipment; lightning protection and grounding; rail transit; Dashengguan Yangtze River Bridge

0? 引? 言

雷電災(zāi)害是目前中國最嚴重的十大自然災(zāi)害之一，世界上由于雷擊而產(chǎn)生的人員傷亡事故、財產(chǎn)損失數(shù)不勝數(shù)。同時，由于計算機（Computer）、控制技術(shù)（Control）、通信技術(shù)（Communication）、顯示技術(shù)（Cathode Ray Tube）等技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，集信息采集、傳輸為一體的新系統(tǒng)出現(xiàn)，繼而出現(xiàn)了大規(guī)模的電子設(shè)備。但這些電子設(shè)備大部分使用高集成的CMOS電路和CPU模塊，承受瞬態(tài)過電壓的能力偏弱，已成為受雷電破壞的重點設(shè)施。因此，雷電對電子設(shè)備造成的影響也越來越受到關(guān)注，特別是軌道交通信號系統(tǒng)若受雷電影響可能會導致設(shè)備停運，嚴重情況下會危及行車和生命安全。

圍繞軌道交通，特別是高速鐵路信號系統(tǒng)雷擊電磁瞬態(tài)防護理論這一科學問題，國內(nèi)外學者做了大量的研究工作，取得了豐碩成果，也顯著提升了我國高速鐵路信號系統(tǒng)的防雷水平。從鐵路系統(tǒng)的雷電防護理論角度來看，文獻[1]分析雷電入侵軌道電路的途徑并建立浪涌電壓在軌道電路上的傳播模型。文獻[2]發(fā)現(xiàn)，如果雷電直擊信號樓附近的地面通信系統(tǒng)，可能會引起雷電高溫熱效應(yīng)、電動力作用、機械沖擊力影響，以及過電壓影響。從直擊雷的保護方法上來看，文獻[3]對直擊雷浪涌電流電壓分布進行建模，并探討了五種不同雷電流通過模式下產(chǎn)生的電磁場強度分布的情形。從感應(yīng)雷的保護方法上來看，由于通信系統(tǒng)可以很容易地從線纜上感應(yīng)出浪涌電壓和電流，且功率變化較大，因此很容易造成毀壞性的電位差。隨著電子設(shè)備的發(fā)展，器件極易受到浪涌沖擊而造成損壞，如何減少線纜感應(yīng)浪涌進入終端，在系統(tǒng)中使用SPD是關(guān)鍵的解決方案。從直擊雷的保護概念和技術(shù)等方面分析，文獻[4]描述了20世紀80年代的直擊雷情況，對其原理進行了進一步闡述，對不同理論計算出的防雷保護范圍大小進行了比較，分析了高（沖擊）接地電阻帶來的影響。文獻[5]對國內(nèi)外各類屏蔽計算方法進行了進一步闡述和比較。文獻[6]采用了數(shù)理演繹的方式，對多支大小不等的避雷針防護面積的計算方法進行了研究，并采用滾球法對避雷針帶的作用進行了研究，進而提出了直擊雷保護方案。同時，中國交通系統(tǒng)也一直很重視防雷的管理工作，如2006年鐵道部頒布了《客運專線綜合接地技術(shù)實施辦法（暫行）》《鐵路信號設(shè)備雷電電磁兼容綜合防護實施指導意見》，2007年頒布了《鐵路防雷、電磁兼容及接地工程技術(shù)暫行規(guī)定》，2013年中國鐵路總公司實施了《橋梁貫通地線敷設(shè)、安全防護設(shè)計的說明》（鐵總運64號文件）等，都對鐵道專線設(shè)施的雷電保護、接地技術(shù)等保護措施做出了嚴格規(guī)范的指導性規(guī)定。2016年，中國氣象局制定了《大型橋梁防雷設(shè)計規(guī)范》，對大中型橋梁基礎(chǔ)、重要建筑物和沿線工程的雷電保護方法、共用接地線路、SPD的設(shè)計與使用等方面做出了規(guī)范。但是針對軌道交通與高速鐵路六線同橋并行這種特殊工況下的防雷方案尚沒有相關(guān)實例可參考借鑒，需要進行更深入的研究。

本文對大勝關(guān)大橋段氣象環(huán)境進行了調(diào)查，了解軌道交通通信信號設(shè)備分布狀況，重點對大勝關(guān)大橋段主橋和引橋上信號CBTC系統(tǒng)、車地無線系統(tǒng)、專用無線通信系統(tǒng)等設(shè)備的防雷保護范圍進行計算分析，并提出適合大勝關(guān)大橋段通信信號設(shè)備的防雷接地方案。

研究結(jié)論和成果將是對軌道交通特殊工況下通信信號設(shè)備接地方案的一次重大優(yōu)化和改進。其研究成果可填補國內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域研究的空白，可為軌道交通專業(yè)人員提供一定的參考、借鑒和指導。

1? 研究背景

1.1? 項目概況

寧和城際軌道交通首期工程的大勝關(guān)大橋段，與滬漢蓉鐵路（250 km/h）和京滬高鐵（350 km/h）同橋并行。軌道交通上、下行線路分別位于滬漢蓉鐵路和京滬高鐵外側(cè)。大勝關(guān)大橋段為全鋼結(jié)構(gòu)大橋，意味著橋梁上搭建出來的通信信號設(shè)施在災(zāi)害天氣時極易受到雷電的干擾，雷電對通信信號控制器的干擾將直接危及軌道交通的正常運行，嚴重的可以造成設(shè)備的破壞而導致列車停止，必須對通信信號控制器的防雷接地工作進行高度重視。

南京大勝關(guān)長江大橋在現(xiàn)有的南京長江大橋上游約20 km處，是寧和城際軌道交通線、京滬高速鐵路和滬漢蓉客運專線同橋并行的越江通道，為六線鐵路跨長江的全鋼結(jié)構(gòu)大橋。大橋中間四線為京滬高鐵和滬漢蓉客運專線，現(xiàn)場環(huán)境十分復(fù)雜，這樣的環(huán)境在國內(nèi)也比較罕見。

1.2? 設(shè)備概況

大勝關(guān)大橋段寧和城際軌道交通通信信號設(shè)備布置如下：沿上下行列車運行方向右側(cè)電纜支架上敷設(shè)有通信信號光、電纜，橋欄桿上敷設(shè)有專用、公安無線漏纜，每間隔100 m設(shè)置信號CBTC或PIS系統(tǒng)用AP箱及天線；引橋上設(shè)置有無線直放站。

1.3? 氣象環(huán)境

由于江蘇南京市所在區(qū)域的特殊地理位置和獨特地理環(huán)境，再加上兼有西風帶、副熱帶和中低緯度熱帶地區(qū)等氣候的聯(lián)合影響。所以，南京市也成為我國長江中下游天氣變化最為劇烈的區(qū)域之一，尤其是在春夏的過渡期間，災(zāi)害性天氣尤其常見。經(jīng)常影響南京的天氣活動和災(zāi)害性天氣主要有：早春寒流活動引起的減溫、陰雨和晚霜，春季的連綿陰雨，以及春季江淮的大地旋風活動以及伴隨的大雨和暴風；春夏之交的梅雨和梅雨期暴雨活動所造成的雨澇、強對流不穩(wěn)定天氣活動，如大雨冰雹、龍卷風、雷雨大風；秋季的早霜、秋旱、連陰雨、秋霧；冬季的寒潮、霜凍、冬霧，等等。

采用GARMIN GPSmap 60CS在現(xiàn)場選取大勝關(guān)大橋西北、中間段、東南共計4個點，進行精確定位。經(jīng)緯度分別為：東經(jīng)118.628 8°，北緯31.963 6°；東經(jīng)118.632 7°，北緯31.960 4°；東經(jīng)118.637 3°，北緯31.956 6°；東經(jīng)118.640 7°，北緯31.953 7°。按照中國國家氣象數(shù)據(jù)中心所公布的統(tǒng)計資料，目前南京全區(qū)域都處于“多雷區(qū)”狀態(tài)，且常年平均雷陣雨天數(shù)和常年平均最大雷陣雨天數(shù)都遠高于中國雷陣雨天數(shù)的平均水平，常年平均雷陣雨天數(shù)達29天。通過所提取的有關(guān)數(shù)據(jù)，可以得出大勝關(guān)大橋所在地近3.5 km區(qū)域內(nèi)近5年的平均地閃密度大約為2.8次/（km2·a）。

2? 研究目的

雷電是因強對流而形成的雷暴云中和云地之間的強烈放電現(xiàn)象。自然界的雷擊主要有直接雷擊和感應(yīng)雷擊兩類。直接雷聲光并發(fā)，電閃雷鳴，老少皆知。感應(yīng)雷則悄然發(fā)生，不易察覺，后果嚴重。這主要是由于雷雨云的靜電感應(yīng)或釋能后的電磁感應(yīng)作用，使建筑物上的金屬構(gòu)件，如管道、鋼筋、電源線、數(shù)據(jù)傳輸線路、天饋線等，都感應(yīng)出與雷雨云電荷方向相反的電量，并由此引起放電問題，其主要是通過電力導線、數(shù)據(jù)信號導線、天饋線，以及與地電位反擊等引起并損壞設(shè)備。

城市軌道交通的通信信號系統(tǒng)復(fù)雜，當遭遇雷擊損壞設(shè)備時，將直接影響運營安全，情況嚴重時甚至會造成列車停運，給市民出行帶來不便，社會影響巨大，經(jīng)濟損失嚴重。而安裝在大橋上的軌道交通通信信號設(shè)備在災(zāi)害天氣時更易受到雷電的危害。通信信號系統(tǒng)的雷電過電壓防護和接地方案一直缺少理論支持，相關(guān)設(shè)計規(guī)范對工程的指導性不強，防護效果也不理想，軌道交通和高鐵并行、鋼橋橫跨長江等特殊情況同時出現(xiàn)，如此苛刻的外部條件下通信信號系統(tǒng)防雷和接地技術(shù)方案的研究從未開展過。因此，研究大橋上軌道交通通信信號設(shè)備的防雷接地方案、更好地抑制雷擊過電壓及電磁干擾是一個全新的課題，同時也是迫切需要解決的問題，以保障大橋上軌道交通列車、人員人身安全、通信信號系統(tǒng)及設(shè)備穩(wěn)定運行，并確保達到技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、完善有效的防雷效果。

3? 研究方案

3.1? 防雷類別計算

大勝關(guān)大橋的雷電災(zāi)害風險評估可以將其統(tǒng)劃為一整體區(qū)域后再分區(qū)對其進行風險計算，依據(jù)大勝關(guān)大橋建筑圖紙可知，在把北引橋、主橋段、南引橋視為一個整體區(qū)域后，該區(qū)域長約1 275 m、寬約40.4 m、拱頂最高高度96.2 m，項目所在區(qū)域地閃密度為Ng = 2.8（次/年·km2）。

按照《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》2010版中關(guān)于建筑物防雷分級標準的規(guī)定，即建筑物設(shè)計必須根據(jù)建筑物的重要性、工程特點、出現(xiàn)雷電事件的概率及其影響等，并在結(jié)合對該工程構(gòu)筑物的設(shè)計雷擊時間計算的基礎(chǔ)上，確定大勝關(guān)大橋為國家二級防雷構(gòu)筑物。

3.2? 主橋段防雷保護范圍計算

大勝關(guān)主橋連拱可以近似地看作雙支等高避雷針，對于雙支等高避雷針的聯(lián)合防雷保護范圍可以采用滾球法的方法計算確定。按照第二類防雷建筑物標準，同時根據(jù)橋體數(shù)據(jù)，設(shè)定如下設(shè)計參數(shù)，即選取h = 16 m（鐵路距拱趾距離加上拱趾距拱頂距離），hr = 45 m，hx = 4.5 m（通信設(shè)備最大安裝高度）。大勝關(guān)主橋某一斷面示意如圖1所示。

根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB 50057—2010[7]的滾球法的接閃器的保護范圍計算方法，雙支等高接閃桿保護范圍為：當接閃桿高度h小于或等于hr的情況下，且接閃桿距離D小于? 時，AEBC外側(cè)的保護范圍由單支接閃桿的計算方法決定。雙支等高接閃桿的保護位置如圖2所示。

本項目中，h = 16 m＜hr = 45 m，，D = 30＜ 。

被保護物體AP桿位于AEBC外側(cè)，因此按單支接閃桿的方法進行計算：

其中，hr表示滾球半徑，取決于建筑物防雷類別，但相對于第二類防雷建筑物來說，hr = 45 m；h表示避雷針長度，hx表示被保護物體高度，Rx表示防護范圍。

取h = 16 m，hr = 45 m，hx = 4.5 m，帶入公式，經(jīng)計算得Rx = 14.8 m。

根據(jù)滾球法計算，防雷保護范圍為主橋鐵拱外側(cè)14.8 m，而AP桿和設(shè)備在離鐵拱外側(cè)4.5 m處，處于保護范圍內(nèi)，故在主橋段無須增加避雷針。

3.3? 引橋段防雷保護范圍計算

大勝關(guān)大橋引橋段兩側(cè)的接觸網(wǎng)立桿架空地線可以近似地看作雙支等高避雷針，同主橋段的計算方法，采用滾球法[8，9]確定。引橋段接觸網(wǎng)示意如圖3所示。

圖3? 引橋段接觸網(wǎng)示意圖

本項目中，h = 7.6 m＜hr = 45 m，，。

被保護物體AP桿位于AEBC外側(cè)，因此按單支接閃桿的方法進行計算：

其中，h = 7.6 m（引橋段最高處，即架空地線高度），hr = 45 m，hx = 4.5 m（通信設(shè)備最大安裝高度）。

根據(jù)滾球法計算得出Rx = 5.43 m，而AP桿和設(shè)備在線路中心線外側(cè)2.2 m處，處于防雷保護范圍內(nèi)，故在引橋段通信設(shè)備無須增加避雷針。

4? 結(jié)果分析

根據(jù)上述計算，分析如下：

1）主橋設(shè)備與鐵拱外側(cè)距離為4.5 m，而鐵拱防雷保護半徑為14.8 m，主橋設(shè)備處于鐵拱防雷保護范圍內(nèi)，所以在主橋段通信信號設(shè)備無須設(shè)置避雷針。

2）引橋設(shè)備與線路中心線外側(cè)距離為2.2 m，最高點架空地線防雷所能保護到的半徑為5.43 m，引橋的通信信號設(shè)備處于防雷保護范圍內(nèi)，所以在引橋段通信信號設(shè)備同樣無須設(shè)置避雷針。

3）主橋、引橋上的通信信號設(shè)備接地接在敷設(shè)于弱電電纜支架上的接地扁鋼上。

5? 結(jié)? 論

本文主要以南京大勝關(guān)長江大橋為研究對象，研究過程中注重研究成果的實用性，研究成果直接用于寧和城際軌道交通通信、信號工程建設(shè)中，研究內(nèi)容能夠應(yīng)用于國內(nèi)其他類似工程，對于填補城市軌道交通特殊環(huán)境下的通信信號系統(tǒng)防雷接地研究空白、增強我國防雷技術(shù)水平具有十分重要的意義。

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作者簡介：宋瑋韜（1989.01—），女，漢族，江蘇漣水人，工程師，美國密歇根大學碩士，研究方向：建筑及規(guī)劃設(shè)計；盧瀅（1971.10—），女，漢族，江蘇鎮(zhèn)江人，正高級工程師，本科，研究方向：無線通信；唐晨彬（1986.05—），男，漢族，上海人，高級工程師，本科，研究方向：軌道交通通信信號。