宁奉城际高架车站机电设备防雷设计要点探讨

引言

随着城市轨道交通的迅猛发展,线路向城市市郊甚至相邻城市延伸的趋势愈发明显。在远离城市中心的地区,高架车站往往占据较大比例。这些车站所处的位置相较城市中心地带更为空旷开阔,更容易遭受雷电电涌入侵以及直击雷等的伤害。

本文针对笔者参与设计的宁波至奉化城际铁路(简称宁奉城际)高架车站机电系统防雷设计要点进行探讨,以期能进一步增强和完善轨道交通车站防雷保护功能,保证车站机电设备及人身安全,促进轨道交通线路的安全、平稳、有序运营。

1SPD及其后备保护开关的选择

1.1SPD设置方案

宁奉城际高架站按照第二类防雷建筑物标准进行设计。结合GB50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》第5.4.3一3条、GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》第4.3.8条要求,在车站降压变电所0.4kV低压侧母线设置I级试验的SPD,自变电所0.4kV低压柜供电的第一级配电箱内设置Ⅱ级试验的SPD。此外,为室外露天机电设备(如屋顶多联空调室外机、排风机等)供电的配电箱内设置I级试验的SPD,对电磁环境条件要求较高的弱电专业(如通信、信号、综合监控、AFC等)机柜内自行配置Ⅱ级试验的SPD。各级电涌保护器的参数要求如表1所示。

1.2后备保护开关设置方案

由于SPD可能因短路失效引发起火,危及配电系统安全,因此,SPD回路前端必须串联过电流保护电器作为后备保护装置,确保在SPD着火之前及时切断SPD支路。以往的工程项目中普遍使用熔断器或断路器作为后备保护装置。

当采用微断作为后备保护开关时,由于其分断能力较低,只能分断配电系统末端SPD安装处的最大预期短路电流,而对于第一、二级SPD安装处的预期短路电流存在无法安全分断的风险:当采用塑壳断路器或熔断器作为后备保护开关时,由于其分断能力较高,基本能够分断第一、二级SPD安装处的最大预期短路电流,但低短路分断有问题,且尺寸过大影响安装。此外,当SPD支路流经工频续流时,由于此时电流较小,远不足以使熔断器或断路器分断,无法与SPD协调配合,存在火灾和设备遭雷击损坏的安全隐患。

基于以上原因,本工程选用SPD专用后备保护装置(SCB)。SCB可保证回路流经SPD的Imax或Iimp冲击电流时不断开,在通过不大于3A的工频电流时能够迅速断开回路。正是相比普通熔断器及断路器拥有更高的分断能力,工频过流保护也可覆盖更广的范围,SCB更适用于SPD支路的保护。

2防雷装置监测系统

由于SPD及SCB分散设置在各个配电箱内,一旦出现故障失效等情况,无法通过通信及时告知运营人员,只能依赖日常检修时发现故障。为了实现在终端计算机上实时查看SPD、SCB是否脱扣,SPD的漏电流值及雷电记录数据等信息,宁奉城际高架车站每个站设置一套防雷装置监测系统。

防雷监测系统的系统架构包含硬件设备层、网络通信层、系统管理层三层结构。硬件设备层由最基本的雷电防护单元组成,每个防护单元包括一体式在线监测SPD及带遥信输出功能的SCB。其中,SPD配置有Rs485通信接口,可自动采集数据并主动上传:网络通信层由防雷装置通信单元组成,它包含集中控制器、总集中控制器、通信总线等:系统管理层由网络管理软件、服务器、云计算组成。

宁奉城际高架站车站主体位于路中,附属用房通过过街天桥与主体连接。设计时考虑在车控室内设置防雷系统机柜,机柜内安装有总集中控制器、光端机、服务器、监控电脑、电源模块等。另外,在主体站厅层及附属用房区配电间内分别设置一套分集中器,通过两套分集中器及通信总线将分散在主体及附属各个配电箱内的SPD及SCB信息采集并上传给车控室机柜内总控制器。

3雷电临近预警系统

雷电临近预警系统由雷电预警装置、通信总线及后台软件等组成。其工作原理是通过实时监测近地面大气电场、空间磁场、声音、风速、风向等要素的变化,结合数学模型分析,对可能产生雷击危险的大气电场强度变化加以识别和预警,将预警实时传送到相关控制系统中。在雷击发生前及时告知维护人员,以及时并准确地到达事发地点检修。也可用于收集区域性雷击数据信息,统计区域性落雷规律,为该区域采取合理有效的防雷措施提供数据基础。

该系统的最大预警范围通常不超过10km,设计时需结合宁奉城际站间距,在全线选择若干车站分别设置一套雷电预警系统,从而实现对全线高架车站及区间的雷电预警全覆盖。由于本工程高架车站均已设有一套雷电装置监测系统,预警装置只需通过通信总线接入车控室防雷系统机柜内的服务器即可,人机界面也可通过机柜内的监控电脑进行显示及操作,新增投资较少,实现较为方便。

预警装置须结合车站建筑形式及实际条件选择安装于附属屋顶天台或主体站台层轨行区附近,配置风速仪、风向仪、温度和湿度等模块。供电方式采用太阳能板组件和蓄电池供电,无需外部电源接入。其效果图如图1所示。

图1雷电预警装置示意图

4屋顶机电设备的防雷

宁奉城际高架站附属屋顶集中设置有成组多联空调室外机,室外机外壳为导电金属材质。外机高度(含基础)约为2.0m,而屋顶四周女儿墙高度为1.4m。参照GB50057第4.5.7条规定,室外机需设置附加的防雷接闪保护措施。

目前有较多的工程案例将屋顶空调室外机、风机等电气设备金属外壳与女儿墙顶的避雷带直接相连,以期满足以上规范条款要求。此做法通常未充分核实设备金属外壳是否具备作为接闪装置的条件(GB50057第5.2节)。由此带来的隐患就是极易将屋顶避雷带遭受雷击后获得的雷电流导入设备上造成反击进而损坏设备,甚至可能连带引起与其相连的建筑物内部电气装置和电子设备的损害。

本工程考虑在室外机四周搭建防雷金属围栏作为防雷接闪装置。金属围栏整体材质采用镀锌钢管或槽钢,利用膨胀螺栓将其与屋顶天台牢固固定,金属围栏颜色应与屋顶装修风格协调。经核算,金属围栏在各个方向与室外机的间隔距离需不小于0.7m,可满足GB50057第4.3.8-1条要求。除设置以上金属围栏外,还需将室外机金属外壳与供电电缆PE线可靠连接,从而实现设备与建筑物总等电位联结。

5结语

宁奉城际全线为高架线路,车站范围内机电设备种类多、数量大,一旦遭受雷击或电涌造成设备损坏,将对车站甚至线路的正常运营带来较大影响。本文通过对车站机电系统防雷设计要点进行总结,旨在为类似工程的设计提供一定的参考。