新型地铁车厢防雷接地技术方案

新型地铁车厢防雷接地技术方案

黄忠棋

四川中光防雷科技股份有限公司 611731

关键词：地铁车厢 防雷防护及接地 设计标准、规范

前 言

随着轨道交通的迅猛发展，城市轨道交通（地铁、轻轨等）、城际轨道交通（高铁、一般客运列车、货运列车等）模式越来越多，同时随着电子技术的发展，机车的自动化程度也越来越高，特别是现在地铁的运行、控制、监视以及通信系统中大规模高精密的电子技术的应用带来的另外一个对于列车运行非常不利的问题——EMC电磁兼容问题。

另外，近年来国家对于节能减排的要求也不断的给予越来越多的政策和鼓励。地铁轨道交通也是一个耗能的大户，为了降低能耗，考虑了将地铁车厢换成高强度轻质的碳纤维材料，这样降低车厢的总重量达到节能的目的。但是，成型的碳纤维材料车厢的导电特性以及工艺结构特性将导致整体车厢对于EMC方面将面临更严酷的要求。

本技术方案内容主要针对地铁车厢材料由以前的金属钢板材料换成碳纤维材料后，对于雷电防护方面、车厢接地等电位联接以及车厢静电防护的技术方案。

由于极端气候越来越多,雷击灾害天气对于地铁机车的正常运行影响越来越严重。随着电子技术的不断应用发展,其抗雷电、抗电磁干扰能力要求越来越高,虽然在设计时已经考虑了相应的浪涌防护措施，但往往还是因雷击或机车系统内部原因产生的浪涌而造成机车运行事故。

地铁轨道交通的防雷保护是综合、系统性的雷电防护工程, 地铁机车的供配电系统、机车强弱电控制系统、地铁机车的内外通讯系统、地铁机车的构成特点、地理环境特点、系统设备工程界面等等。这些系统设备引入雷电的危害形式是多种多样的，主要包括——直接雷击、感应雷击、电磁脉冲辐射、雷电过电压侵入、雷击高电压反击，还有来至地铁机车内部由于牵引供电过程中可能出现的各种浪涌现象。全方位的考虑。任何一个方面考虑不到，都将引起运行事故。

根据地铁机车可能遭受的浪涌侵袭情况，我们将地铁机车的浪涌防护分为地铁车厢的直接雷防护问题、地铁的牵引供电的雷电防护问题、地铁车厢内部的强弱电信号的浪涌防护问题、地铁车厢的防雷保护接地等几个方面，同时我们也将考虑地铁机车的防静电接地问题。结合改造后地铁机车的实际情况提出具体的防雷措施。并应用这些方法，对改造后的地铁机车进行综合的防雷保护方案设计。

1. 地铁机车整体系统防雷说明

经过长期的摸索与实践，现在己形成一系列对雷电防护行之有效的方法和技术。这些成功的防雷方法和技术，归纳起来有接闪、均压等电位连接、接地、分流、屏蔽以及躲避等。将这些方法应用于地铁机车的防雷保护，可在一定程度上减小甚至杜绝外部雷电以及内部大电流负载瞬变产生的浪涌对地铁机车内系统设备的危害。下图就是现代防雷技术最基本的雷电防护系统构成。几乎所有的受到雷电影响的系统设备都可以按照下图的系统模式来设计。

雷电防护系统图

2. 雷电对地铁机车的危害

雷电是自然界中强大的脉冲放电过程，有天空中不同带电云层之间、带电云层和建筑物之间等等。雷电入侵移动通信基站造成损坏是多渠道的。一般说来，我们可以把雷电放电以及地铁机车大电流强电系统的瞬态变化产生的浪涌对地铁机车系统设备可能产生的危害形式划分为下列几类。

雷电入侵地铁机车渠道

• 雷电可以通过机车牵引供电系统引入雷击信号，损坏设备；

• 雷电信号可以通过设置在机车外部的通信天线系统进入机车通信系统损坏设备；

• 由于机车的主要接地来至牵引供电的轨道回流地，因此地铁机车在地下以及地面乃至高架桥上面运行时，都可能产生因为雷击信号就近入地以及机车大电流回流地产生非常高的过电压浪涌信号通过机车接地系统进入机车影响机车正常运行；

• 地铁机车内部强弱电信号由于雷击电磁脉冲干扰以及内部开合闸现象也会导致系统设备损坏；

• 地铁机车车厢产生的静电积累，得不到释放导致对于人身和系统设备的影响

3. 地铁机车在地面运行环境下所处的防雷分区情况

另外，按照国际电工委员会IEC标准，对雷电防护分区做了明确的区分，根据地铁机车系统设备的构成和环境界面，可以将地铁机车按下图进行防雷分区划分（我们主要考虑地铁机车地面运行模式为例）：

根据防雷分区概念,地铁机车在防雷分区里面的环境分布情况

可以看到，地铁机车在实际的运行以及静止状态时，整体处于雷电防护分区的LPZOB区范围以内；牵引接触网供电线路也处在LPZOB区范围；机车内部设备由于机车箱体的屏蔽作用而处在了雷电防护分区的LPZ1区范围甚至LPZ2区范围。

四、地铁机车雷电系统防护技术

1、直接雷击防护问题及基本解决方案

在雷暴活动区域内，雷云直接通过人体、建筑物或设备等对地放电所产生的电击现象，称之为直接雷击。此时雷电的主要破坏力在于电流特性，我们可以通过因为雷电防护措施不到位而导致的直接雷击对于地铁牵引供电的系统的危害现象可以看出。

雷击损坏接触网绝缘子以及牵引供电变压器

改造后地铁机车的直接雷防护——通过我们前面对于地铁机车的防雷分区情况以及下图实际的地铁地面运行环境照片可以看到，地铁牵引供电的接触网上端设置了直接雷接闪线，接触网固定铁塔也设置了直接雷接闪针，另外对于接触网牵引电源还配置了相应工作电压的高能间隙型防雷单元，设置有特殊的保护措施，能防止接触网接地事故的发生。

另外，地铁机车的轨道是作为牵引供电回路，并与大地相通，具备良好的接地状态。同时改进地铁机车的箱体虽然采用的是碳纤维材料，但是采用的是高导电特性的碳纤维材料，只要做到机车车厢良好合理的接地，不管是机车本身还是及车内乘客在任何情况下都不可能受到直接雷的影响。

改造的碳纤维机车箱体由于结构工艺特性，成型后的箱体可能导电性将受到影响，因此为了保证箱体可靠的接地，需要对碳纤维材料的箱体在成型阶段加装导电骨架，采用具备良好的导电特性的铜质材料来设计导电骨架，并设置特殊的连接工艺端口，与机车接地部位可靠连接。这样也保证了机车箱体的雷电感应以及静电泄放。

2、雷电电磁脉冲感应防护以及系统内部的浪涌防护

在自然界大气中从乌云密布到发生闪电放电的整个偶过程中，雷电活动区几乎同时出现三种物理现象，其中静电感应与电磁感应两种现象是可能造成感应雷击的危害形式。感应雷击虽然没有直接雷击猛烈，但其发生的几率比直接雷击要高得多。

• 静电感应以及解决方案

当雷电来临时，雷云底部分布着大量的负电荷，它们将产生静电场。高压架空线路上将感应出大量与雷云底部电荷符号相反的电荷，这种静电感应作用随着与雷云正下方高压架空线路的距离的增大而迅速减小。在雷云对地面或另一雷云放电后，雷云上所带的电荷，通过闪击与异种电荷中和。此时，高压架空线路上虽未受到雷击，但已聚积的电荷却产生了很高的电压，它必然要放电。而由于高压架空线路与大地间的电阻比较大，感应电荷不能在同样短的时间内相应消失，这样就会形成高压架空线路上的感应高压。当电荷放电时，将产生一个很大的脉冲电流，其雷击效果虽然比直接雷击小一些，但由于电力线对雷电波的传输损耗小，雷电流几乎无衰减的沿电力线进入电源设备，也会造成设备损坏。

• 地铁机车接触网通过高能放点间隙入地，当静电积累到器件击穿条件时，静电被瞬间释放入地

• 碳纤维车箱体加装导电骨架。采用铜质导体，并可靠接入接地汇流点。

• 对于改造后的碳纤维车厢设置专用多处防静电接地装置，可靠连接入地，避免车厢静电积累不能释放，而带来对人身以及系统设备的影响

• 电磁感应

闪电电流在经直接雷接闪设备入地过程中，在其周围的空间产生磁场，这种磁场将随时间而变化，其感应作用随着与落雷点的距离的增大而较快地减少。磁场在接触网牵引供电线路上激发出感应电流，导致设备损坏。

• 电磁脉冲辐射

雷电放电产生的第三种物理现象就是电磁脉冲辐射，闪电放电时，其电流是随时间而非均匀变化的。一次闪电往往由几个短脉冲放电组成，脉冲电流向外辐射电磁波，这种电磁脉冲辐射虽然也随着距离的增大而减小，但却比较缓慢，闪电的电磁脉冲辐射通过空间以电磁波的形式耦合到对瞬态电磁脉冲极其敏感的设备。随着机车电子电器系统设备的集成化、数字化程度不断提高。此类设备一般工作电压低、耐压水平低、敏感性高、抗干扰能力低，受雷电影响及损坏的几率增大，即使是几公里以外的高空雷闪或地面雷闪都可能造成设备故障或损坏。

• 接地系统问题

在雷暴活动区域中，当雷电闪击地铁系统接闪装置上时，尽管接闪装置的接地系统十分良好，其接地电阻也很小，但由于雷电流幅值大，波头陡度高，雷电流流过时也会使接地引下线和接地装置的电位聚升到上百千伏。如此高的地电位将通过与其连接的系统接地线缆入侵设备，损坏设备。

从上面地铁机车的接地回路图可以看到，机车的各种系统接地其实已经非常完善合理，但是为什么在这样完善的接地系统的支撑下，机车依然还是出现了EMC问题，引起机车运行事故，主要的原因有下面几个：

• 所有的接地来至轨道接地，而轨道作为牵引供电回流地，虽然轨道有良好的接地，但是瞬变的电流将使轨道本身电位变得异常，产生非常高的杂散电流、过电压现象，然后影响通过接地缆线与之连接的弱电信号系统。

• 直接雷通过接闪系统接闪入地后瞬间的地电位升高对机车接地系统的影响。

• 由于大电流接地线回路与弱电信号回路在布线时，不合理的布线可能导致的线缆之间的感应引起弱电信号设备故障。

• 虽然设计有完善的接地系统，但是实际的施工却没有按照标准的设计去实施，导致弱电信号设备接地受到干扰影响正常工作

• 另外，一个主要的雷击信号引入回路就是通过车厢外机车受电弓与接触网之间到机车内各种用电设备回路。

5. 改造后地铁机车的防雷保护接地方案建议

在机车内部各种强弱电信号端口设置相应的浪涌保护器——LVB（低电压箱）、HVB（高电压箱）、SIV（辅助逆变器）、VVVF（主逆变器）、雷达及通信系统、各种控制检测显示信号系统等等设计相应的电源、信号及馈线浪涌保护器SPD。

• 各种不同工作电压等级的电源SPD

主电源端口采用最大浪涌电流不低于20kA（8/20μs）的电源浪涌防护单元；

最大持续工作电压满足系统牵引电网最大的波动电压范围；

主辅逆电源端口采用最大浪涌电流不低于40kA（8/20μs）的电源浪涌防护单元；

其他设备电源供电端口采用最大浪涌电流不低于10kA（8/20μs）的电源浪涌防护单元；

所有电源防护单元必须具备非常安全可靠的自我保护功能，以及防护器件故障的信号的输出及检测功能。

• 各种不同物理接口以及工作电平的信号SPD

一般采用浪涌电流不低于5kA（8/20μs）信号浪涌防护单元；

最大持续工作电压满足系统各种信号电平最大的波动范围；

为保证设备的正常工作，防护单元对于信号的衰减不能对系统的工作带来影响，必须满足信号的正常工作频率和带宽；满足信号最小的损耗要求。

• 符合通信信号传输特性，并满足馈线物理接口的馈线SPD

对于系统的布线，考虑EMC问题，所有的弱电信号线缆采用屏蔽线缆，尽量减少电磁脉冲感应。同时强弱电信号线路尽量相隔一定距离分开布线，实在不能避开的线路，应该采用十字交叉布线，严禁平行近距离布线。

各接地系统应该共网而不共点，各自的接地排独立设置分别与自己独立的系统接地排连接后再接入总的接地汇流排。考虑减少瞬变电流产生的干扰，与相应接地汇流排连接接地线尽量采用低阻抗线缆及低阻抗布线要求。

六、设计依据标准、规范

地铁机车整体防雷工程是一项要求高、难度大的系统综合性工程，所涉及到的方面很广，需要根据系统情况做不同的防护措施，同时还必须考虑系统各设备之间的协调工作，不能相互影响，在遵守相关国家、行业标准情况下，同时参考借鉴相关国内外先进的防雷标准、防雷技术，以达到更好的防护效果。

《铁路信号设备用浪涌保护器》TB/T2311-2008

《建筑物防雷设计规范》GB 50057-2010 中国建设出版社

《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB 50343-2012 中国建筑工业出版社

《建筑物电气装置 过电压保护电器》GB 16895.22－2004

《低压配电系统的电涌保护器（SPD） 第1部分：性能要求和试验方法》GB 18802.1-2002

《低压电涌保护器 第21部分：电信和信号网络的电涌保护器（SPD）－－性能要求和试验方法》GB/T 18802.21－2004

《雷电电磁脉冲的防护》IEC61312

《建筑物电气装置 过电压保护电器》IEC 60364-5-53:2001

《建筑物电器装置 接地配置、保护导线和保护联结导体》IEC 60364-5-54:2002

《低压配电网络SPD选择和应用原则》IEC 61643-1.2

作者：四川中光防雷科技股份有限公司 黄忠棋 2022年4月6日

黄忠棋;1965年2月23;男;汉;四川 成都;大学本科;工程师;雷电防护技术 。

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