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铁路区间四电综合场坪防雷接地系统集约化设计实践

2014-09-26林明嘉

铁道标准设计 2014年11期
关键词:接地装置铁塔端子

林明嘉

(铁道第三勘察设计院集团有限公司, 天津 300251)

铁路区间四电综合场坪防雷接地系统集约化设计实践

林明嘉

(铁道第三勘察设计院集团有限公司, 天津 300251)

在参考以往变电站接地设计的基础上,通过对国家和行业标准以及铁路技术规章有关防雷接地要求的研究,以哈大客运专线为例,对铁路区间四电场坪各系统设备进行统一的综合接地设计进行探讨和实践,试图解决类似设计中所面临的主要难点,并在某些细节的做法和要求提出了自己的看法,希望能对以后的设计有所借鉴。

客运专线; 箱式机房; 防雷接地

1 概述

伴随着C3技术在客运专线的应用,铁路沿线区间出现了四电设备综合场坪布置这个问题。由于这些设备大多直接影响行车安全,对其接地设计必须加以重视和研究。如果按传统的设计思路,当各设备系统分别考虑各自的接地系统时,其总体性、接地和电磁兼容效果将受到削弱。因此,对四电综合场坪的防雷接地系统统筹考虑集约化设计是必要的。

以哈大客运专线工程为例,以国家标准、行业标准和铁建设[2007]39号《铁路防雷、电磁兼容及接地工程技术暂行规定》(以下简称《防雷及电磁兼容》)为主要依据,讨论四电综合场坪防雷接地设计的要点和解决的主要问题。

2 典型区间箱变布置形式

哈大客运专线沿线区间箱变系统按建筑场坪布置,主要分为直放站、线侧通信基站、桥下基站、信号中基站、通信信号中继站等5种典型的场坪。对防雷接地设计而言,影响较大的主要是通信铁塔的布置位置之别,可分为2种典型布置,详见图1和图2。其中图1为机房及铁塔位于同一场坪范围之内的情况;图2为机房位于桥下,而铁塔和机房不在同一场坪范围的情况。

有关防雷接地的综合设计,主要针对这两大类别场坪加以研究。

图1 通信基站(含箱变)场坪(单位:mm)

图2 通信基站房屋在桥下场坪(单位:mm)

3 总体设计

区间四电场坪通常包括了通信基站、信号中继站的箱式机房、电力箱变和通信铁塔,他们分别由不同的专业设计,考虑对这些设备的防雷和接地进行总体性优化,统筹布局,分别满足各专业要求。

集约设计时需重点研究几个影响因素:一是接地装置与场坪电缆沟之间的关系,二是在设备布局限制下如何解决接地网格的合理性问题,三是与综合贯通地线的关系。对总体方案有最大影响的是通信铁塔与场坪的关系,需要根据两大不同情况分别处理,原则上以降低雷电对其他设施的影响为主要出发点。

4 接闪器及引下线设计

当通信铁塔与四电机房同场坪时(图1),客观上不具备采用分离设计规避反击和高电位引入,故利用铁塔避雷针作为整个场坪设施的防雷接闪器,其下处理好后等电位设计。

对于图2所示的情形则利用机房和箱变的金属外表面作为接闪器及防雷引下线,与铁塔防雷各自独立。

5 接地网设计

四电综合场坪的接地网设计是重点和难点所在。

铁路接地系统设计可根据其具体条件采用综合接地系统、共用接地系统或分设接地系统。按照实际用途来分,电气设施的基本接地方式有工作接地、防雷接地、防静电接地以及保护接地4种。这4种接地方式的布局是否科学合理,对人身、设备乃至整个区域电网都会产生影响。

《防雷及电磁兼容》规范了铁路接地系统设计应采用的形式,其3.0.4中规定,

“客运专线应采用综合接地系统方式”,“铁路建筑物宜采用共用接地系统方式”。根据以上相关文件要求,四电场坪应立足于综合接地系统考虑相关设计[1]。

首先从场坪内的室外接地网出发,合理布局网格,为各设备系统合理设置引接条件,再考虑用合理的方式将室外接地网和铁路沿线的贯通地线相连,从而完成场坪内综合接地系统的设计。

(1) 室外地网

室外接地网由各接地体、建筑物四周的环形接地装置、建筑物基础钢筋构成的接地体相互连接构成。

根据相关规定,接地网格要同时满足以下要求。

①信号设备用房应在建筑物四周埋设环形人工接地体,并与建筑物四角及每隔5~10 m的基础接地网钢筋焊接一次,接地电阻不应大于1 Ω。

②建筑物垂直接地体应均匀布置,间距不小于其长度的2倍,接地体顶部埋深距地面不宜小于0.6 m;在冻土地区,应埋在冻土层以下。

③接地体间及接地体与外引线间必须有可靠的电气连接。应将建筑物四周的混凝土基础内的主钢筋焊接连通,构成闭合的基础接地网,其网格尺寸应不大于5 m。

常规的地网设计一般是采用均匀布置形式,但通过对场坪上各设施布局研究可以知道,均匀布置是受到限制的,只能采用非规则地网布局。要满足上述全部要求,需要反复规划和验算地网是否符合各项指标。或者在局部完全不具备条件时,最大限度地接近指标要求。

图3是一个通信铁塔在场坪内的地网典型规划设计,即在区间箱变机房四周敷设了环形水平接地体,将区间箱变场坪内各部分防雷装置、建筑物金属构件、铁塔基础及低压配电保护线(PE)、设备工作地线和保护线、屏蔽体接地、防静电接地等连接在一起组成一个共同接地系统。各部位相互间距尽最大可能满足了相关规定要求,同时满足各设备系统接入点数的要求。垂直接地体埋深为0.8 m,在机房及箱式变电站门口处埋深为1.0 mm,以防跨步电压。

图3 箱变场坪(含铁塔)接地网格(单位:mm)

根据相关规定,该地网的环形接地体采用40 mm×4 mm热镀锌扁钢且要求其镀层不宜小于60 μm。

鉴于部分场坪所在之处存在污水排放和土壤腐蚀性强的情况,根据相关规定,在石墨电极、铜包钢、铜材、热镀锌扁钢等接地材料中,在地网的四周选用设置了4处石墨接地体。按规定, 建筑物垂直接地体应均匀布置,间距不应小于其长度的2倍。本设计的垂直接地体平均间距为5 m,由于接地网采用非完全规则的形状设计,为避免局部误差造成的违规,垂直接地体没有采用2.5 m的标准长度,而是采用50 mm×50 mm×5 mm,L=2.0 m的镀锌角钢。

通过设计实践,笔者感觉,四电综合场坪的地网布置主要受制于各系统设备机房的布局和对接地端子的需求,而由于地网埋深可以在电缆沟之下,场坪电缆沟的影响则基本可以忽略。

关于通信铁塔的防雷接地,《防雷及电磁兼容》4.2.7规定“无线通信铁塔应设避雷针。避雷针的接地装置应单独设置,并距信号楼环形接地装置不宜小于15 m。当无线通信铁塔避雷针的接地装置距信号楼环形接地装置的接入点距离小于15 m时,应接入信号楼环行接地装置或贯通地线,但该接入点与其他地线在环行接地装置接入点之间的距离不应小于5 m。”

根据上述要求,对于图2所示的情形,当铁塔距离综合场坪地网的距离大于15 m时,该铁塔的防雷接地按完全独立设计;当距离在15 m之内时,则按与图3相同的原则与场坪统筹设计。如图4、图5所示。同时在专业接口设计中需要注意:当铁塔在场坪地网15 m以外,独立设置防雷接地装置时,搭载在铁塔上通过线缆连接的通信设施应注意严格与铁塔绝缘,否则会意外构成不当的电位差通路,危及设备和人身安全。

此外,根据高铁规范要求,铁路线路两侧20 m范围内的建筑物、构筑物的接地装置还应接入综合贯通地线系统,故实际设计时,15 m以外的铁塔是否独立设置接地,还需要注意考虑周边四电设施以外的其他设施的分布情况以及相互间距,避免采用的接地方式和采取的措施不当,与相邻装置或建(构)筑物间,以及与综合接地系统间发生反击。

图4 铁塔非独立接地

图5 铁塔独立接地

(2)室内地网

箱式变电站内部一般包括高压柜、变压器和低压柜等几个隔间,这些设备的工作接地、保护接地、防雷接地、防静电接地与变压器的中性点接地,通常总共提供1~2个接地引入端子即可,相对于弱电设备接地比较简单。而根据相关规定,弱电设备如信号设备,应设置安全地线、屏蔽地线和防雷地线。信号设备的机架、控制台、箱盒、信号机梯子等应设安全地线,交流电力牵引区段的电缆金属护套应设屏蔽地线,防雷保安器应设防雷地线。上述地线均需从共用接地系统的地网中引出。根据上述不同功能需求,在箱式变电站内只设置1组,基站、通信机械室及信号中继站内设置了多组接地端子排。

如图6所示,信号机房内共设置了4处接地端子排,分别为分线盘接地排、电源防雷接地排、等电位接地排、电缆铠装接地排。

图6 信号机房内接地端子排设置

由于机房内接地端子排不止一处,为尽可能减少电压反击及电磁干扰的几率,充分利用有限的空间,在选择接地端子排与地网上的连接点的时候,让彼此之间的间距均不小于5 m。

如图7所示,箱式变电站内设置了一总接地端子排,接地线与地网扁钢连接,机壳四角接地。

图7 箱式变电站内接地端子排设置

6 与综合接地系统的连接

铁路行业标准和技术规章规定高速铁路距铁路20 m范围内铁路建筑物的接地装置应与综合接地系统的贯通地线可靠连接,贯通地线在信号楼上、下行两端应分别与其环形接地体连接,每端设2根连接线,2根连接线的间隔为2~3 m,用50 mm2的裸铜线与环形接地装置连接,两端各连接2次。

本案在场坪的环形地网的两端选取适宜位置,用50 mm2的裸铜线分别与贯通地线距离最近的2个预留连接端子连接。在两端采用2根导体保持一定距离连接到同一点的连接方式,形成并联效果,其意义是进一步加强环形地网与贯通地线连接的可靠性。

这里值得商榷的是,由于贯通地线很难在精准的对应位置间隔2~3 m连续预留2个连接端子,在全线过于密集地增加连接端子,又会增加无谓的投资。所以,四电场坪环形地网每端设2根连接线的做法其实没有增加连接点数,从而2根线间保持2~3 m的距离并不能解决连接点故障问题。故笔者建议将来修订相关规定时,可取消每端设2根连接线的要求。

接地电缆敷设在电缆沟内,与贯通地线上的预留端子连接,如图8所示。在连接贯通地线处,通信信号专业要求使用阻燃外皮的电缆,铜铁连接要使用铜铁连接器。本案设计在选择材料时也考虑了这点,规定了连接做法,如图9所示。

图8 接地电缆与贯通电线的连接

图9 铜铁连接件

7 结论与展望

通过哈大客运专线工程的设计实践,笔者对相关的国家和行业标准、技术规章进行了分析研究,给出了一套区间四电场坪综合接地设计的实施方案,尽可能地解决了各系统设施布局对接地设计的不利影响。该

设计已在哈大客运专线工程实施并投运,有待运营效果的进一步检验,并在后续区间接地设计中不断改进完善。

[1] 郑瑞春.变电站的接地方式探讨[J].科技资讯,2006(17).

[2] 任元会,等.工业与民用配电设计手册.北京:中国电力出版社,2005.

[3] 田瑞环,等. 铁路电力设计手册. 北京:中国铁道出版社,1991.

[4] GB 50057—2010,建筑物防雷设计规范.

[5] 刘家美,何正友.郑西客运专线四电系统集成的安全性分析[J].铁道标准设计,2013(12).

[6] 丁峰.高寒冻土地区牵引变电所接地系统设计探讨[J].铁道标准设计,2012(11):95-97.

Design of Surge Protection & Ground Connection at Four Electricity Integration Field in Railway Section

Lin Mingjia

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin 300251, China)

On the basis of the previous substation design and the study of the national and industrial standards and railway technique specifications for surge protection and grounding design, and with reference to Ha-Da passenger dedicated line, surge protection & ground connection design of Four Electricity (Communication, Signal, Power and Electrification) Integration field in railway section is discussed and practiced to solve the problems encountered in this regard. This paper puts forward new ideas with respect to some particulars and requirements, which may be used as references in future design of surge protection & ground connection.

Passenger dedicated line; Box-type substation; Surge protection & ground connection

2014-08-26

林明嘉(1980— ),男,工程师,2006年毕业于天津大学自动化学院,工学硕士,E-mail:linmingjia@tsdig.com。

1004-2954(2014)11-0135-04

U238; U224.2+5

:A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.031

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