驼峰计算机联锁防雷系统的改进.doc

驼峰计算机联锁防雷系统的改进赖坪芳 丘培云 楼墨炉（广铁集团公司惠州线路事业部）摘 要： 本文详细阐述了龙川北编组站驼峰设备雷害的成因，采取整体防雷技术分流、均压、接地、屏蔽，对原防雷系统进行改进以及铁路系统等多单位合作解决防雷问题所采取的方法，其中很多方面突破了旧观念、老框框的局限，在承担技术风险的同时，取得了一定的成功经验。 关键词： 计算机联锁 防雷 改进1 雷害的分析及防雷改造的必要性 驼峰场处于铁路运输枢纽地带，它担负着货车解体和按去向重新编组的任务，即所谓的“货车集散地”的角色，它在铁路运输的地位和重要性是不言而喻的，其设备一旦出现故障，往往造成来往列车的严重堵塞，造成铁路运输的混乱。目前驼峰计算机联锁设备的自动化程度较高，但有别于6502电气集中、车站计算机联锁等设备：停用后，不可能改为人工转换转辙设备进行如此大量的溜放作业，各列货车只有等待解编，甚至停摆在沿途各站。广梅汕铁路管内的龙川北编组场地处三角线上，是京九线上重要的编组场，它北连北京，东接汕头，南通深圳、广州，开通以来运输日益繁忙，1997年驼峰场日均解编仅1000辆左右，1999年解编增加到1900辆以上，2000年增加到2300辆左右，但自1996年开通以来，年年遭雷害，1999年7月25日的一场强雷击，造成驼峰瘫痪16h，严重影响了运输生产。 近20年铁路信号系统自动化程度越来越高，铁路信号设备的防雷也一直受到各级领导和业务部门的重视，但采用的防雷技术仍然十分落后，特别是近年计算机联锁设备的上道，先进的设备与落后的防雷技术及不规范的施工工艺的矛盾日趋显现, 造成开通后雷害频繁。据统计，位于龙北地区的驼峰、编尾和到发场，每年都要发生5起以上的雷击事故，直接经济损失在几十万元以上，仅1999年龙川驼峰因雷击损坏的设备就有如下类型和数量(详见表1)，因雷击故障造成的间接损失无法全部统计。 经我们多次深入龙川北驼峰调查雷害成因和侵入路径，并询问了有关专家，结合龙川地区的气象和地质方面的资料以及驼峰楼的防雷现状，得出以下分析结果： 1. 龙川北驼峰场地处河源市龙川县山区，是广东省乃至华南地区的传统强雷区，该地区地表层属富矿类的红页岩，具有强烈的引雷效果，这是造成龙川地区雷击多的主要原因之一。 2. 龙川北驼峰信号楼处在四面环山的小盆地中央，处在铁路和线路的密集区，由于山谷落雷效应和钢轨、线路、灯塔的引雷效应，造成机楼附近落雷频繁，而雷击造成的感应过电压极易通过轨道电路、道岔、间隔制动、目的制动减速器、雷达等线路引入机房，造成信号设备损坏。 3. 设计部门针对驼峰机械室内设备作了部分设计，但如此繁多的线路只作部分保护，不符合整体防护的指导思想，实际效果也不理想。尤其是1997年安装的电源避雷器与国际通行的规范和技术不相符，机房电源系统遭受破坏后的调查，并没有发现避雷器工作。 表1 1999年驼峰雷击损失设备一览表设备处所设备名称损坏数量电源屏JZXC-2000 继电器2 台10A 熔断器15 个组合架JARC-1000 继电器25 台JWXC-2.3 继电器12 台DRC 熔丝转换装置11 个各种熔丝管32 个T.JWFK分线控制机柜12V 开关电源1 个编码板1 块自动板4 块手动板3 块测长板7 块TZX-JLZ 进路控制机柜TDC-1 板（数据板）2 块TRC-1 板（道岔板）2 块电源控制板1 块IOBC 板（接口板）1 块5V 电源盒1 个监测上位机PC-610 工控机1 台 4. 接地系统的引入和布局不合理。逻辑地线和其它地线由同一电缆沟从室外引入，由于逻辑地线与防雷地线存在电势差，雷击瞬间，高电位将反击微机设备，这也是7月25日受雷害的根本原因。地线在与室内设备和防雷器件连接时，全是通过走线架连接，受雷击时，容易与其它线路形成交叉感应；输入输出避雷组合箱的线路（380V三相四线制）捆扎在一起，本来被初步净化的输出线又被输入线感应。 5. 龙北地区的严重雷击灾害，引起了广铁集团和广梅汕公司的高度重视，而相关单位也在做多方面的努力和投入，并取得了一定的成效，然而，由于技术规范的局限性，以前的防雷工作一直处于局部整治阶段，整体效果不理想。为了达到有效防治雷害的目的，广铁集团和广梅汕领导召集八个相关单位，与中科院广州分院的专业技术人员一起，群策群力，充分分析以往工作的成败得失，经过认真地实地考察和充分的论证，决定引入国际先进的防雷技术，突破陈规，采用进口先进的防雷器件，并从整体防雷的角度，对驼峰等重点雷击多发点进行根本上的改造。2 整体防雷技术简介 自1994年以来，国际最权威的电工标准化组织的防雷技术委员会即 IEC-TC81 制订了指导世界各国防雷及过电压保护工作的统一规范，在我国参加国际电工委员会的知名专家林维勇教授的推动下，我国在引入IEC-61024建筑物防雷设计规范基础上，制订了第一部与国际接轨的防雷规范GB50057-94，指导国内各行业的防雷工作。此外，国际电工委员会的其它防雷规范如IEC-61312等，也逐渐在我国推广并被相关行业制订规范时广泛引用。在现行的防雷规范不能够解决实际存在问题的前提下，我们采用了国际通行的规范IEC-61312中的指导思想和先进防雷理念整体防雷技术。 此前，驼峰楼的雷电防护状况可以说是“头痛医头、脚痛医脚”，各设计部门和施工部门分别对自己工作范围内的设备进行分别的防护，有部分设备没有进行防护。造成了防护器件、防护手段和指导思想上的差别，尤其是在现代防雷技术普遍要求采取各系统“共地”制的情况下，铁路系统要求“分地”的矛盾一直没有得到很好地解决，而在这次的驼峰防雷工程实施中，采用新技术解决了这一矛盾。 IEC-61312 规范的先进之处在于：划分了雷电保护区，强调了等电位连接，加强屏蔽、均压等关键的辅助措施，并强调了所有措施必须综合实施，以机房或楼宇等为整体防护对象的指导思想，避免了各系统独自操作，造成防雷系统配合协调失误。 在该规范中，首先确立了根据雷电电磁脉冲强度不同划分不同的防雷区，在防雷区界面上安装相应的避雷器，逐级降低雷电电磁脉冲的强度，这为选择安装避雷器（等电位连接器）的地点、能量级别等有了明确的依据。在对预期的雷电强度具体量化的基础上，强调了建筑物和设备屏蔽，设置均压接地装置、利用线路分流原理等综合治理措施，共同在防雷工程中贯彻实施。这样，可以看到的不同点在于：我们在这次防雷工程设计及施工中，将驼峰楼作为整个防护对象，在对接地系统改良的基础上，加强了楼房的屏蔽设施，室内设置了地线的等电位连接排，对进入楼内的金属管道直接接地，对所有的进、出线路安装避雷器并联接地，形成了以机楼为整体的等电位连接区。不管雷击从线路感应引入，还是从地网反击，都因为瞬间避雷器的动作而使区内设备处在相等的电位上，避免雷击造成设备内部或设备间的电势差，进而击坏设备。 为了从根本上解决接地这个防雷中的根本问题，我们下决心加大投入，分别对五个地网进行了改造，使每个地网的工频接地电阻在1以下，利用地电位均衡器顺序将地网两两相连，消除了分地对防雷效果的影响，达到瞬间等电位连接的目的，又不会造成不同地网之间的相互干扰。3 线路避雷器的具体选择 驼峰楼内信号设备是由控制室内的作业管理机、间隔制动减速器控制台、目的制动减速器控制台，机械室内的电源屏、继电器组合，微机房内的微机电源屏、进路控制机柜、分线控制机柜、联锁机柜、监控机等三大部分组成的综合系统。室外的信号设备（除打风外）是由道岔、轨道电路、信号机、踏板、测长、雷达、间隔制动、目的制动减速器、界限检查器等组成的系统，防雷的目的就是要保证各个系统不受雷电的干扰和破坏，所以堵塞所有的雷击入侵渠道，实行分区防雷和等电位接地，才能起到全面保护的作用。 由于铁路信号系统的多样性和复杂性，不同信号系统的工作电压相差很大，而信号系统安全的重要性，要求避雷器工作时不能影响信号设备的工作。因此在选择避雷器时，尤其在信号线路的避雷器选择上，不仅要考虑工作电压，而且要重视避雷器在工作时不能对信号设备工作造成影响，尤其不能造成信号设备的误动作。3.1 信号线路的防护 分线盘引出的信号线路直接与室外设备相连，受雷电的侵入可能性较大，但由于信号线路工作电压低，因此选择的避雷器既要有较强的放电能力，又要输出残压低，另外还要根据信号线路不同的信号电压选择不同的避雷器。 1. 信号电压为220V的设备，主要是信号机，由于其工作电压相对较高，且没有安装避雷器，而信号电路额定的工作电流较小，所以采用无漏流和对信号衰减小的信号专用避雷器HW220，其最大放电流5kA，响应时间100ns，在分线盘处对地并联在信号线上。 2道岔和界限检查器的控制电压分别是24V和28V，可以采用工作电压较低的EURO/24避雷器，其最大放电流1kA，响应时间25ns，在分线盘处对地并联在信号线上。 3信号电压在12以下的轨道电路则采用工作电压和漏电流均较低的EURO/12 避雷器，其最大放电电流1kA，响应时间1ns，在分线盘处对地并联在信号线上。 4选定相符的避雷器后，我们统计了所需的各种避雷器数量，设计了配线图，并在分线盘旁边设置一专用组合架，将以上避雷器统一安装在上面，使其配线路径最短。以上避雷器都是进口的，外型材料为阻燃塑料。由于避雷器的响应时间在100ns以内，避雷器的残压小于工作电压的1.5倍。雷电波的影响时间为微秒级别，信号电路不会造成后续电流，因此避雷器动作不会影响信号系统的工作。避雷器安装简单，利用每天的停轮时间即可完成。避雷器在配线盘处集中安装，防雷区界面明显，维护管理方便。3.2 电源系统的防雷与过电压保护 由于引入龙川北的高低压供电线路大部分是架空铺设，线路长，线径粗，经过的环境复杂，所以极易受到雷击或感应。据国际电工委员会（IEC）防雷技术分会长期的观察统计（IEC-61024），得出以下结论：98%以上的首次雷击放电流不小于200kA(10/350s)，尽管外部防雷的接闪和电磁空间的自然衰耗，仍有50%的能量可能耦合到线路上，因此作为电源首级雷电保护的避雷器，其放电电流至少达到100kA(10/350s)，如此大的能量在瞬间释放，则要求避雷器在极短时间内响应，靠单一避雷器很难做到两者兼顾，因此采取分区分级保护的方法。我们在电源防护中，全部采用目前世界上最先进的德国原产交流电源避雷器，依照国际电工委员会的规范为设计依据。 1在机房（二楼）的总进线处安装电源B类电流型避雷器（DEHNport255高能量避雷器）,一套四只，I、路电源各用一套，分别由三相及零线对地安装，地端接至接地汇集排上，如图1 所示。该种避雷器防雷击放电电流100kA，防雷综合测试波形：电压为1.2/50s,电流为 10/350s，响应时间小于 100ns。经过首级避雷器的保护，达到了IEC规定的能量上限。2经过B类保护器的保护，在减低能量上达到了要求，但其残压依然很高，仍需安装更低能量级别的C类避雷器来抑制前级残压。在机房（二楼）总开关下，I、路电源分别各安装一套C类电源避雷器（DEHNguard385过压保护器），每套7只，分别由三相对零线安装和由三相及零线对地安装，地端接至接地汇集排上如图1 所示。该种避雷器防雷击最大放电流40kA，防雷综合测试波形：电压为 1.2/50s，电流为 8/20s，响应时间小于 25ns，与前级配合（两级安装节点距离大于5m，则两级几乎同时动作）之后，其残压在 800V 以下，可以满足用电设备的安全要求。在微机室设有由电源屏引入的 380V 电源，为了确保微机室内的设备不被雷由此侵入，在此I、路电源开关下分别安装 C 类电源避雷器（DEHN guard275型）各一套，每套 4 只，安装方法是三相对零和零对地，特性与 DEHNguar385 类似，仅最大放电电流略低，约 15 至 30kA。 3在三楼控制室内，从二楼引入两路单相电源，由于引入的线路较长，其间受雷电感应的几率很大，在前级经过C类过压保护的基础上，每路分别再安装一套D类过压保护器（DEHN DK280型），每套一只，分别从两路电源的开关处，由相线和零线对地并联安装，地端接至接地汇集排上。 4电源系统的避雷器，采用目前国际电工委员会规范推荐使用的比较成熟的防雷元器件压敏电阻和火花间隙。DEHN公司的火花间隙技术一直处在世界领先地位，而目前火花间隙是唯一可以达到IEC-61312规范对最强雷击防护的器件，其特点是放电电流大，寿命长，免维护，响应快。而缺点是残压较高，形成电弧后的斩断电弧能力差，容易造成后续电流的危害。因此需要采用一定的手段保护避雷器本身免受损坏。根据IEC-61312的要求，DEHN公司优先采用德国西门子的压敏电阻制成后级避雷器与之配合使用。压敏电阻的优点是工作电压低，残压低，一致性好，响应快，缺点是放电电流相对较小，易受非雷击因素的损坏。两级避雷器结合使用可以相互弥补不足，达到完美的保护效果。两级避雷器的组合，使电源系统的整体防护放电电流达到300kA（8/20s），而残压抑制在 800V 以下。两级避雷器之间的动作时间与动作电压利用线路的距离形成的感抗协调，雷击时，一定距离的线路两端会产生压降和延时，使第一级避雷器满足与第二级避雷器的工作电压的差别，达到同时放电的效果，科学地达到了退耦目的而又节约了成本。4 接地系统4.1 接地系统的改造 避雷器首先是一种雷击放电流的泄放通道，也是一种等电位连接器，所有避雷器的保护原理是在雷击瞬间保证设备、大地、建筑物及其附属设备之间构成等电位，从而避免过电压的损害，其中最关键的就是接地系统。 1. 理想的接地装置（包括从接闪器到地面的引线）是没有电阻的，当雷击时，不论电流有多大，接地装置上的任何一点对大地的电势差为零。这样对人和设备是绝对安全的，但是这样的接地装置实际是不存在的，因此接地电阻应尽可能小，依据规范要求，机房的接地电阻应小于1欧姆。接地电阻的降低，有助于降低雷击造成的电势差。 2由于铁路系统目前的规范不允许共地（7月1日的新维规对计算机联锁的接地仍有特殊要求，广铁集团的有关文件也不允许逻辑地线、防雷地线与其它地线共地），机房内的5根地线各自独立，在雷击时，即使避雷器工作，也无法建立等电位连接，高电势差将对设备造成闪击。解决地网等电位的措施之一是改善这5根地线的地网，使它们的接地阻值均降到1以下的水平，并花功夫把逻辑地线降到最低；措施之二是在室内沿着墙壁把相邻的地线用地电位均衡器连接（用25m的导线）起来，形成一个均压环，共用了5个地电位均衡器如图1 所示。当雷电从任何一根地线放电时，地网之间电势差超过绝缘击穿值时，地电位均衡器导通使这5根地线瞬间连接在一起，不仅将整个地网的接地阻值大大降低，更重要的是使机房内部所有被保护的设备都处在与地网等电位状态，避免了因物件之间的电势差而损坏设备。雷击后，各地网恢复独立状态，这种工作原理我们称“瞬态共地”原理。地电位均衡器 DEHN KFSU 是德国原装放电间隙，最大放电流100kA，均衡器两端电势差超过900V 即会自行放电，使两端电势差接近相等。 图 1 地网等电位连接示意图 3在不同地网处，用25mm2 的多股塑料铜线，通过埋地就近（靠近所要防护的相应设备）从机房外墙垂直引人机房，在机房内分别设置5个接地汇集排，作为不同系统的接地汇集点。汇集排使用4040200mm的铜带，固定在机房墙体上。机房内各系统的接地线路（用16m的多股塑料铜线）与其他线路分开铺设，避免线路互相干扰，无法避免的则采用穿金属管等屏蔽措施，并尽可能以最短的路径接至接地汇集排。 4降低接地电阻的方法。增加地网面积和改善接地体的埋设结构。由于龙川驼峰楼周围地理环境的限制，所以把主要精力花在了改善接地体的埋设结构上，又由于驼峰楼周围是红石填土，一般的方法难以达到理想的效果，在施工中，可供开挖的面积有限，又要满足不同接地之间的合理距离，因此我们经过多方讨论，精心设计了地网结构，满足规范的同时，又满足地网的接触面积。在改善接地电阻方面，除了换土，还采用了大量的降阻剂来改变土壤的电阻率。由于地网面积小，限于地表结构无法一一深埋接地极，我们采用了目前最先进的金属长效电解离子接地极作为逻辑接地，满足地网的长效性和散流能力。 5施工中细致地解决了地网引出的接口、焊接点的防腐等问题，接地中始终采用相同的金属材料，避免金属活性的差别造成氧化腐蚀。4.2 内部布线的改造 由于驼峰楼内线路繁多，各种线路交叉分布，强电与弱电线路并排铺设，在雷击时，非常容易引起互相感应，既有的大部分线路和防雷柜配线难以改变，我们主要在以下几个方面做了改进。 1新增避雷器架就近设在分线盘旁边，使配线最短，施工也较简便。避雷器的接地端环接到架中的接地铜排上，然后用16m铜线从铜排引接到接地汇集排。 2原有的室外地线和室内接地线路全部拆除，新增5根地线从外墙垂直引入室内，并增加屏蔽措施，能够套金属管的套金属管，不能的在地沟上方用金属板或金属网遮盖；室内接地线路与其它线路至少分开50cm铺设，无法避免的套金属管屏蔽；微机室屏蔽铝墙的四个角用铜线连接，并接入接地汇集排。 3保护踏板、测长、雷达、间隔目的制动减速器的避雷器保留使用，把原来的地线与其它线路分开布置，并更换为16mm线径的多股铜线。 4安装雷电泄流监视器，它可记录雷击的次数，方便我们及时准确地分析雷电流侵入的途径，验证该防雷系统的效果。4.3 其它 1防雷系统的改造还包括水电部门和建筑部门，驼峰房顶上无任何避雷设施，方案论