城市軌道交通信息技術(shù)設(shè)備防雷接地系統(tǒng)研究

龍 潭

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，鐵路和軌道交通信號電子化設(shè)備的應(yīng)用大幅增加，先進的設(shè)備在雷雨季節(jié)能否安全穩(wěn)定地運行，是目前需要研究的一個新課題[1]。城市軌道交通工程有多種接地類型，按用電設(shè)備類型可分為電氣設(shè)備（強電）接地、機電設(shè)備接地、信息技術(shù)設(shè)備（弱電）接地三類。其中信息技術(shù)設(shè)備接地分為系統(tǒng)接地、保護接地、防雷接地、功能接地等。

各系統(tǒng)接地要求各不相同，且與用電設(shè)備緊密相關(guān)。此外，各系統(tǒng)接地理念、適用標(biāo)準有較大差異。城市軌道交通防雷接地設(shè)計大多根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB 50157-2013）、《城市軌道交通技術(shù)規(guī)范》（GB 50490-2009）等相關(guān)地鐵設(shè)計標(biāo)準中少許關(guān)聯(lián)內(nèi)容以及過往防雷接地設(shè)計經(jīng)驗開展設(shè)計工作[2]。因此，還需結(jié)合系統(tǒng)設(shè)備的特點和類型，依據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準或行業(yè)標(biāo)準完成防雷接地系統(tǒng)設(shè)計。城市軌道交通工程信息技術(shù)設(shè)備防雷接地的分類和采用的標(biāo)準見表1。GB 16895建筑物電氣裝置和低壓電氣裝置的系列標(biāo)準是由國際電工委員會IEC TC64標(biāo)準完全等同轉(zhuǎn)化的我國國家標(biāo)準，可作為城市軌道交通防雷接地設(shè)計的主要標(biāo)準。

1 接地網(wǎng)

IEC TC64標(biāo)準禁止某個電氣裝置單獨接地，其原因是單獨接地方式將引起各設(shè)備、構(gòu)件之間的電位差，導(dǎo)致電擊事故或設(shè)備損壞。因此，單獨接地不能保證用電安全。

城市軌道交通車站空間狹小，場地有限，如果不同的系統(tǒng)各自獨立接地，不但受場地、空間的限制難以實施，而且不同的地電位會帶來電位差，存在安全隱患，不同接地系統(tǒng)的導(dǎo)體間耦合也會引起相互騷擾。近年來，為避免雜散電流對隧道、車站內(nèi)金屬構(gòu)件的腐蝕，在建和已開通運營的北京、上海、廣州、深圳等城市軌道交通線路的接地型式通常采用強、弱電共用人工接地系統(tǒng)，即在車站結(jié)構(gòu)底板下采用銅材設(shè)置人工接地網(wǎng)，與接地引出線、接地干線、接地母排等接地裝置以及強、弱電系統(tǒng) 金屬管線等形成綜合接地系統(tǒng)。

表1 城市軌道交通信息技術(shù)設(shè)備接地分類和標(biāo)準

2 接地型式

城市軌道交通車站內(nèi)有通信、信號、自動售檢票、火災(zāi)自動報警、綜合監(jiān)控、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控、乘客信息、門禁等多種信息技術(shù)設(shè)備，且分布在站廳、站臺等不同區(qū)域內(nèi)，必須對這些系統(tǒng)的設(shè)備進行等電位聯(lián)結(jié)方式的接地。

2.1 多網(wǎng)狀聯(lián)結(jié)星形網(wǎng)絡(luò)

城市軌道交通中各系統(tǒng)用電設(shè)備眾多，一般情況下供配電系統(tǒng)、機電設(shè)備系統(tǒng)、信息技術(shù)系統(tǒng)的線路、設(shè)備間距無法滿足防止電磁騷擾的要求，可能會對信號、通信的傳輸造成影響。另外，牽引供電系統(tǒng)的雜散電流、機電設(shè)備系統(tǒng)的諧波電流等也會引起信息技術(shù)設(shè)備間參考電位不同，對車站信息技術(shù)設(shè)備運行造成騷擾。以低壓配電箱的保護線（PE線）母排作為參考電位點，并從低壓配電箱的PE母排放射式地引出PE線至信息技術(shù)設(shè)備，低壓配電箱的PE母排通過通信、信號等設(shè)備房內(nèi)的接地端子排接入車站綜合接地網(wǎng)。此時，PE線既作為保護接地線同時兼作信息技術(shù)設(shè)備的信號接地線。

多網(wǎng)狀聯(lián)結(jié)星形網(wǎng)絡(luò)等電位聯(lián)結(jié)如圖1所示。這種多網(wǎng)狀聯(lián)結(jié)星形網(wǎng)絡(luò)設(shè)計實施簡單易行，可以避免部分電磁騷擾。

圖1 多網(wǎng)狀聯(lián)結(jié)星形網(wǎng)絡(luò)等電位聯(lián)結(jié)

2.2 共用的網(wǎng)狀聯(lián)結(jié)星形網(wǎng)絡(luò)

對于新建項目，通信、信號等信息技術(shù)設(shè)備房內(nèi)均應(yīng)采用共用的網(wǎng)狀聯(lián)結(jié)星形網(wǎng)絡(luò)的接地方式，根據(jù)《低壓電氣裝置 第4-44部分：安全防護 電壓騷擾和電磁騷擾防護》（GB/T 16895.10- 2010），這種接地方式又分為水平和垂直的等電位聯(lián)結(jié)接地方式[3]。

水平等電位聯(lián)結(jié)是將信息技術(shù)設(shè)備金屬外殼用盡量短直的PE線聯(lián)結(jié)到設(shè)備房內(nèi)靜電架空地板下的銅質(zhì)網(wǎng)格上，實現(xiàn)低阻抗的信號接地。銅質(zhì)網(wǎng)格與低壓配電箱內(nèi)的PE母排聯(lián)結(jié)。銅質(zhì)網(wǎng)格尺寸一般為信息技術(shù)設(shè)備工作頻率波長的1/10，結(jié)合設(shè)備房靜電地板裝修，可取不大于600 mm×600 mm，編織銅帶寬度為60～80 mm，厚度約0.6 mm，以增大表面積，降低高頻條件下的阻抗。

垂直等電位聯(lián)結(jié)是將車站結(jié)構(gòu)柱、結(jié)構(gòu)墻體內(nèi)的主鋼筋聯(lián)結(jié)，利用土建結(jié)構(gòu)的主鋼筋形成“法拉第籠”，同時，與進出設(shè)備房內(nèi)的金屬管、金屬線槽等金屬管線聯(lián)結(jié)，并通過通信、信號等系統(tǒng)設(shè)備房內(nèi)的接地母排聯(lián)結(jié)，從而形成多個并聯(lián)通路，為信息技術(shù)設(shè)備的信號接地提供高頻條件下低阻抗通路，使站廳、站臺等各層、各區(qū)域同一系統(tǒng)的信息技術(shù)設(shè)備獲得均衡的地電位。

共用的網(wǎng)狀聯(lián)結(jié)星形網(wǎng)絡(luò)等電位聯(lián)結(jié)接地方式可以消除大部分的電磁騷擾，適用于裝有重要用途的信息技術(shù)設(shè)備房[3]。在土建結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需在通信、信號等信息技術(shù)設(shè)備房間內(nèi)就近預(yù)埋與車站結(jié)構(gòu)主鋼筋相聯(lián)結(jié)的鋼板。共用的網(wǎng)狀聯(lián)結(jié)星形網(wǎng)絡(luò)等電位聯(lián)結(jié)如圖2所示。

圖2 共用的網(wǎng)狀聯(lián)結(jié)星形網(wǎng)絡(luò)等電位聯(lián)結(jié)

2.3 構(gòu)建多層結(jié)構(gòu)的建筑物等電位聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)

對于多層車站、控制中心、車輛基地綜合樓等多層結(jié)構(gòu)，且有大量機電設(shè)備和信息技術(shù)設(shè)備的建筑，應(yīng)構(gòu)建建筑物等電位聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。多層結(jié)構(gòu)的等電位聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)可以均衡各層、各系統(tǒng)之間的電壓，有效消除電位差。

圖3 多層結(jié)構(gòu)建筑物等電位聯(lián)結(jié)

3 高架車站雷電電磁脈沖防護

高架車站為地面建筑，站內(nèi)有大量的信息技術(shù)設(shè)備，無論是直擊雷防護還是雷電電磁脈沖防護都極其重要。高架車站位于地面以上20～30 m，比地下車站更容易遭受雷電波侵入。高架車站按第二類建筑物考慮，首次正極性雷擊的雷電流幅值為150 kA，波形為10/350 μ/s，如圖4所示。

圖4 首次正極性雷擊沖擊電流源

根據(jù)安培環(huán)路定律，磁場強度沿任一閉合回路的線積分等于所包圍的電流強度的代數(shù)和，其數(shù)學(xué)式為

式中：H為磁場強度，A/m；l為環(huán)路長度，m。

式中：S為雷擊點與信息技術(shù)設(shè)備的距離，m；i0為正極性雷擊的雷電流幅值，A。

按雷擊點在高架車站站臺層外墻邊緣3 m處考慮，則站臺層內(nèi)最大電磁強度為

其中：Hmax為站臺層內(nèi)最大電磁強度，A/m；Smin為雷擊點與信息技術(shù)設(shè)備的最小距離，m。

按高架車站站臺層長度為152 m，站臺層內(nèi)最小電磁強度為

其中：Hmin為站臺層內(nèi)最小電磁強度，A/m；Smax為雷擊點與信息技術(shù)設(shè)備的最大距離，m。

計算結(jié)果顯示，高架車站站臺層內(nèi)最大磁場強度為7 961.78 A/m，最小磁場強度為157.14 A/m，距離雷擊點75 m的中部范圍磁場強度在300～400 A/m范圍內(nèi)，采用共用接地和總等電位聯(lián)結(jié)的方式形成綜合接地網(wǎng)，能有效防范雷電瞬態(tài)電磁場對信息技術(shù)設(shè)備的騷擾。因此，應(yīng)盡可能將高架車站內(nèi)較敏感的信息技術(shù)設(shè)備布置在站廳層設(shè)備房或站臺層中部區(qū)域，且距離車站結(jié)構(gòu)立柱2 m以上。同時，根據(jù)《電磁兼容試驗和測量技術(shù)脈沖磁場抗擾度試驗》（GB/T 17626.9-2011/IEC 61000-4-9:2001）的規(guī)定，信息技術(shù)設(shè)備的抗電磁騷擾度應(yīng)能達到3級以上[4]。

4 接地電阻值要求

（1）《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB 50157-2013）中，供電、通信、信號、自動售檢票、火災(zāi)自動報警、綜合監(jiān)控、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控、乘客信息、門禁、站臺門等系統(tǒng)都有各自接地的相關(guān)規(guī)定。例如，信號系統(tǒng)章節(jié)中17.7.6條提出信號設(shè)備的接地要求：“信號設(shè)備室內(nèi)應(yīng)設(shè)綜合接地箱；當(dāng)采用綜合接地時，應(yīng)接入綜合接地系統(tǒng)弱電母排，接地電阻不大于1 Ω”[5]。其他各系統(tǒng)與信號系統(tǒng)類似，均要求接地電阻值不大于1 Ω。接地電阻值須按接入設(shè)備中要求的最小值確定[6]。因此，國內(nèi)大多數(shù)城市軌道交通車站人工接地網(wǎng)的接地電阻均按不大于1 Ω設(shè)計。

（2）信息技術(shù)設(shè)備防雷接地應(yīng)采用沖擊接地電阻值。地鐵變電所要求的系統(tǒng)接地電阻是指工頻接地電阻。對于防雷電磁脈沖和電磁騷擾，即在高頻狀態(tài)下，接地體的電阻為沖擊接地電阻。接地體的工頻接地電阻隨土壤電阻率的增加呈線性增加；沖擊接地電阻隨土壤電阻率非線性增加，即土壤電阻率較低時，沖擊接地電阻隨土壤電阻率的增加而加速增加，當(dāng)土壤電阻率較大時，增加的速度減小。因此，同一接地裝置具有不同的沖擊接地電阻和工頻接地電阻，兩者比值稱為沖擊系數(shù)。

根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB 50057-2010），對于二、三類防雷建筑物，已取消沖擊接地電阻值的相關(guān)要求[7]。

（3）不做等電位聯(lián)結(jié)，只接大地的沖擊接地電阻值遠大于1 Ω。如果車站信號設(shè)備只接人工接地網(wǎng)，則以大地為參考電位點，從接地網(wǎng)至信號設(shè)備房通常采用95 mm2單芯銅芯電纜作為接地線。95 mm2單芯銅芯電纜主線芯的直徑為1.16 cm，主線芯的絕緣厚度為1.10 cm。按《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》（第四版）的計算方法，計算接地電纜在高頻條件下的阻抗[8]。

首先，計算接地電纜的幾何均距Dj為

其中：d為電纜主線芯的直徑，cm；δ為電纜主線芯的絕緣厚度，cm。

其次，計算接地電纜等效半徑Dz：

則接地電纜單位長度電感量l0為

接地電纜單位長度電抗x0為

其中：f為電磁脈沖或電磁騷擾頻率，Hz。

從接地網(wǎng)至信號設(shè)備房接地電纜長L= 100 m，在10 MHz電磁騷擾下，接地電纜的電抗X為

綜合接地網(wǎng)接地電阻值為1 Ω，在10 MHz頻率電磁脈沖條件下，接地電纜的阻抗為

其中：Z為接地電纜的阻抗，Ω；R為綜合接地網(wǎng)接地電阻值，Ω。

由此可見，在高頻電磁脈沖或電磁騷擾條件下，接地電纜的電抗遠大于電阻值。

（4）保護接地不要求接地電阻值小于1 Ω。目前，為保證用電安全，為弱電設(shè)備供電的低壓配電系統(tǒng)采用TN-S接地系統(tǒng)。當(dāng)弱電設(shè)備發(fā)生接地故障時，接地故障電流通過相線-保護線金屬回路返回到變電所配電系統(tǒng)，使低壓配電柜內(nèi)斷路器、熔斷器動作，切斷故障回路，保障了設(shè)備和人身安全，并非由于綜合接地網(wǎng)的接地電阻值小于1 Ω的原因使故障回路阻抗低從而提高了故障電流幅值，使斷路器、熔斷器動作。因此，對信息技術(shù)設(shè)備而言，無論對于保障設(shè)備和人身安全還是防電磁騷擾，追求1 Ω或更小的接地電阻值是無意義的，在困難條件下可適當(dāng)放寬對接地電阻值的要求。

5 結(jié)語

信息技術(shù)設(shè)備特點是絕緣強度低、過電流過電壓耐受能力差、對電磁騷擾敏感。弱電系統(tǒng)是維系城市軌道交通正常運營的中樞神經(jīng)，一旦遭受電磁騷擾，將危及線路的正常運營，甚至造成重大的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失。

多年以來，由于顧慮牽引供電系統(tǒng)的雜散電流對隧道、車站、橋梁等建筑物的土建結(jié)構(gòu)影響，城軌交通信息設(shè)備接地并未利用結(jié)構(gòu)主鋼筋形成共用的網(wǎng)狀聯(lián)結(jié)星形網(wǎng)絡(luò)并構(gòu)建多層等電位聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)測試證明，城市軌道交通利用結(jié)構(gòu)鋼筋作為自然接地體，完全符合強、弱電設(shè)備接地要求[9]。

與只接人工接地網(wǎng)相比，以利用結(jié)構(gòu)主鋼筋的等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)作為“地”能獲得更好的各設(shè)備系統(tǒng)之間的等電位效果，既能有效泄放故障電流、雷擊電流和靜電荷，又能獲得各系統(tǒng)的電壓均衡，提高抗電磁騷擾能力。城市軌道交通防雷接地系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準應(yīng)與國際標(biāo)準接軌，參照IEC、IEEE標(biāo)準，做到各接地系統(tǒng)兼容，避免一味追求低接地電阻值，節(jié)省工程投資，適應(yīng)我國倡導(dǎo)的“一帶一路”建設(shè)及與國際標(biāo)準接軌的需要。