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(shì)愈發(fā)明顯。在遠(yuǎn)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(duì)筆者參與設(shè)計(jì)的寧波至奉化城際鐵路(簡(jiǎn)稱寧奉城際)高架車站機(jī)電系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行探討,以期能進(jìn)一步增強(qiáng)和完善軌道交通車站防雷保護(hù)功能,保證車站機(jī)電設(shè)備及人身安全,促進(jìn)軌道交通線路的安全、平穩(wěn)、有序運(yùn)營(yíng)。

1SPD及其后備保護(hù)開關(guān)的選擇

1.1SPD設(shè)置方案

寧奉城際高架站按照第二類防雷建筑物標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)合GB50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》第5.4.3一3條、GB50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.3.8條要求,在車站降壓變電所0.4kV低壓側(cè)母線設(shè)置I級(jí)試驗(yàn)的SPD,自變電所0.4kV低壓柜供電的第一級(jí)配電箱內(nèi)設(shè)置Ⅱ級(jí)試驗(yàn)的SPD。此外,為室外露天機(jī)電設(shè)備(如屋頂多聯(lián)空調(diào)室外機(jī)、排風(fēng)機(jī)等)供電的配電箱內(nèi)設(shè)置I級(jí)試驗(yàn)的SPD,對(duì)電磁環(huán)境條件要求較高的弱電專業(yè)(如通信、信號(hào)、綜合監(jiān)控、AFC等)機(jī)柜內(nèi)自行配置Ⅱ級(jí)試驗(yàn)的SPD。各級(jí)電涌保護(hù)器的參數(shù)要求如表1所示。

1.2后備保護(hù)開關(guān)設(shè)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(hù)電器作為后備保護(hù)裝置,確保在SPD著火之前及時(shí)切斷SPD支路。以往的工程項(xiàng)目中普遍使用熔斷器或斷路器作為后備保護(hù)裝置。

當(dāng)采用微斷作為后備保護(hù)開關(guān)時(shí),由于其分?jǐn)嗄芰^低,只能分?jǐn)嗯潆娤到y(tǒng)末端SPD安裝處的最大預(yù)期短路電流,而對(duì)于第一、二級(jí)SPD安裝處的預(yù)期短路電流存在無法安全分?jǐn)嗟娘L(fēng)險(xiǎn):當(dāng)采用塑殼斷路器或熔斷器作為后備保護(hù)開關(guān)時(shí),由于其分?jǐn)嗄芰^高,基本能夠分?jǐn)嗟谝?、二?jí)SPD安裝處的最大預(yù)期短路電流,但低短路分?jǐn)嘤袉栴},且尺寸過大影響安裝。此外,當(dāng)SPD支路流經(jīng)工頻續(xù)流時(shí),由于此時(shí)電流較小,遠(yuǎn)不足以使熔斷器或斷路器分?jǐn)?無法與SPD協(xié)調(diào)配合,存在火災(zāi)和設(shè)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(hù)裝置(SCB)。SCB可保證回路流經(jīng)SPD的Imax或Iimp沖擊電流時(shí)不斷開,在通過不大于3A的工頻電流時(shí)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?jǐn)嗄芰?工頻過流保護(hù)也可覆蓋更廣的范圍,SCB更適用于SPD支路的保護(hù)。

2防雷裝置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

由于SPD及SCB分散設(shè)置在各個(gè)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(shí)告知運(yùn)營(yíng)人員,只能依賴日常檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。為了實(shí)現(xiàn)在終端計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)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(gè)站設(shè)置一套防雷裝置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

防雷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)包含硬件設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)通信層、系統(tǒng)管理層三層結(jié)構(gòu)。硬件設(shè)備層由最基本的雷電防護(hù)單元組成,每個(gè)防護(hù)單元包括一體式在線監(jiān)測(cè)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(dòng)采集數(shù)據(jù)并主動(dòng)上傳:網(wǎng)絡(luò)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(luò)管理軟件、服務(wù)器、云計(jì)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(shè)計(jì)時(shí)考慮在車控室內(nèi)設(shè)置防雷系統(tǒng)機(jī)柜,機(jī)柜內(nèi)安裝有總集中控制器、光端機(jī)、服務(wù)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(shè)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(gè)配電箱內(nèi)的SPD及SCB信息采集并上傳給車控室機(jī)柜內(nèi)總控制器。

3雷電臨近預(yù)警系統(tǒng)

雷電臨近預(yù)警系統(tǒng)由雷電預(yù)警裝置、通信總線及后臺(tái)軟件等組成。其工作原理是通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)近地面大氣電場(chǎng)、空間磁場(chǎng)、聲音、風(fēng)速、風(fēng)向等要素的變化,結(jié)合數(shù)學(xué)模型分析,對(duì)可能產(chǎn)生雷擊危險(xiǎn)的大氣電場(chǎng)強(qiáng)度變化加以識(shí)別和預(yù)警,將預(yù)警實(shí)時(shí)傳送到相關(guān)控制系統(tǒng)中。在雷擊發(fā)生前及時(shí)告知維護(hù)人員,以及時(shí)并準(zhǔn)確地到達(dá)事發(fā)地點(diǎn)檢修。也可用于收集區(qū)域性雷擊數(shù)據(jù)信息,統(tǒng)計(jì)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(chǔ)。

該系統(tǒng)的最大預(yù)警范圍通常不超過10km,設(shè)計(jì)時(shí)需結(jié)合寧奉城際站間距,在全線選擇若干車站分別設(shè)置一套雷電預(yù)警系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)全線高架車站及區(qū)間的雷電預(yù)警全覆蓋。由于本工程高架車站均已設(shè)有一套雷電裝置監(jiān)測(cè)系統(tǒng),預(yù)警裝置只需通過通信總線接入車控室防雷系統(tǒng)機(jī)柜內(nèi)的服務(wù)器即可,人機(jī)界面也可通過機(jī)柜內(nèi)的監(jiān)控電腦進(jìn)行顯示及操作,新增投資較少,實(shí)現(xiàn)較為方便。

預(yù)警裝置須結(jié)合車站建筑形式及實(shí)際條件選擇安裝于附屬屋頂天臺(tái)或主體站臺(tái)層軌行區(qū)附近,配置風(fēng)速儀、風(fēng)向儀、溫度和濕度等模塊。供電方式采用太陽(yáng)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(yù)警裝置示意圖

4屋頂機(jī)電設(shè)備的防雷

寧奉城際高架站附屬屋頂集中設(shè)置有成組多聯(lián)空調(diào)室外機(jī),室外機(jī)外殼為導(dǎo)電金屬材質(zhì)。外機(jī)高度(含基礎(chǔ))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(jī)需設(shè)置附加的防雷接閃保護(hù)措施。

目前有較多的工程案例將屋頂空調(diào)室外機(jī)、風(fēng)機(jī)等電氣設(shè)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(shí)設(shè)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(dǎo)入設(shè)備上造成反擊進(jìn)而損壞設(shè)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(shè)備的損害。

本工程考慮在室外機(jī)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(tái)牢固固定,金屬圍欄顏色應(yīng)與屋頂裝修風(fēng)格協(xié)調(diào)。經(jīng)核算,金屬圍欄在各個(gè)方向與室外機(jī)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(shè)置以上金屬圍欄外,還需將室外機(jī)金屬外殼與供電電纜PE線可靠連接,從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備與建筑物總等電位聯(lián)結(jié)。

5結(jié)語(yǔ)

寧奉城際全線為高架線路,車站范圍內(nèi)機(jī)電設(shè)備種類多、數(shù)量大,一旦遭受雷擊或電涌造成設(shè)備損壞,將對(duì)車站甚至線路的正常運(yùn)營(yíng)帶來較大影響。本文通過對(duì)車站機(jī)電系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié),旨在為類似工程的設(shè)計(jì)提供一定的參考。