寧奉城際高架車站機(jī)電設(shè)備防雷設(shè)計(jì)要點(diǎn)探討

摘

要：以寧波至奉化城際鐵路高架車站為研究對象，針對車站機(jī)電設(shè)備防雷設(shè)計(jì)方案中的若干要點(diǎn)進(jìn)行探討。首先詳細(xì)敘述了SPD及其后備保護(hù)開關(guān)的設(shè)置原則及選型方案，然后對防雷裝置監(jiān)測系統(tǒng)、雷電臨近預(yù)警系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及功能原理進(jìn)行了闡述，最后對屋頂主要機(jī)電設(shè)備的防雷接閃方案進(jìn)行了介紹。關(guān)鍵詞：車站；機(jī)電設(shè)備；防雷；SPD；監(jiān)測；雷電預(yù)警

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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。本文針對筆者參與設(shè)計(jì)的寧波至奉化城際鐵路（簡稱寧奉城際）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。1

SPD及其后備保護(hù)開關(guān)的選擇1.1

SPD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5.4.3-3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級試驗(yàn)的SPD，自變電所0.4kV低壓柜供電的第一級配電箱內(nèi)設(shè)置Ⅱ級試驗(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級試驗(yàn)的SPD，對電磁環(huán)境條件要求較高的弱電專業(yè)（如通信、信號、綜合監(jiān)控、AFC等）機(jī)柜內(nèi)自行配置Ⅱ級試驗(yàn)的SPD。各級電涌保護(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，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，而對于第一、二級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；當(dāng)采用塑殼斷路器或熔斷器作為后備保護(hù)開關(guān)時，由于其分?jǐn)嗄芰^高，基本能夠分?jǐn)嗟谝?、二級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，由于此時電流較小，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?；谝陨显?，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沖擊電流時不斷開，在通過不大于3A的工頻電流時能夠迅速斷開回路。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)測系統(tǒng)由于SPD及SCB分散設(shè)置在各個配電箱內(nèi)，一旦出現(xiàn)故障失效等情況，無法通過通信及時告知運(yùn)營人員，只能依賴日常檢修時發(fā)現(xiàn)故障。為了實(shí)現(xiàn)在終端計(jì)算機(jī)上實(shí)時查看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站設(shè)置一套防雷裝置監(jiān)測系統(tǒng)。防雷監(jiān)測系統(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，每個防護(hù)單元包括一體式在線監(jiān)測SPD及帶遙信輸出功能的SCB。其中，SPD配置有RS485通信接口，可自動采集數(shù)據(jù)并主動上傳；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、通信總線及后臺軟件等組成。其工作原理是通過實(shí)時監(jiān)測近地面大氣電場、空間磁場、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，對可能產(chǎn)生雷擊危險的大氣電場強(qiáng)度變化加以識別和預(yù)警，將預(yù)警實(shí)時傳送到相關(guān)控制系統(tǒng)中。在雷擊發(fā)生前及時告知維護(hù)人員，以及時并準(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或主體站臺層軌行區(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。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