观光小火车轨道及系统防雷设计方案研究

曾杰，夏旭明，赵洋，曾倩（株洲中车特种装备科技有限公司，412000）



观光小火车轨道及系统防雷设计方案研究

曾杰，夏旭明，赵洋，曾倩
（株洲中车特种装备科技有限公司，412000）

摘 要：如果云层之间放电，且与大地形成回路放电，则对建筑物、电子电气设备和人、畜造成极大危害的现象称为被雷击危害甚大，其所造成危害称为被雷击。本文针对某轨道观光小火车公共游乐设施，根据不同的雷击方式研究设计了对应的防雷设施，提出了可行、可靠、安全的方案，为设备生产提供参考作用。

关键词：雷击；防雷；防雷设计

引言

雷击现象乃至遭受雷击危害生命的事件一直在发生，由直击雷造成的损害相当严重，并且电磁感应、雷电波侵入和地电位反击造成的危害也大幅度增加。目前，随着全球气候变化的多样性，防雷击工作一直被强调。随着科技技术的发展，电与人类的生活已经息息相关，人类无论是日常生活还是经济生产都离不开电，而雷击灾害对电力、电子等设备的危害是致命的，因此雷击灾害现已被国际电工委员会（IEC）称为"电子化时代的一大公害"。

作为公共游乐设施的轨道观光小火车，其防雷设施的可靠性、安全性更是不容忽视，本文对其防雷系统进行了研究。

1 雷电灾害及防护原理概述

1.1 雷电的产生及其危害

进入春季后我国大部分地区进入雷电多发期，尤其是南方省份。雷电是由于天空中的云层所带的正负电荷分离，正电荷积聚的云团和负电荷积聚的云团之间电位差积累到一定的程度时的放电现象。强烈的放电可以击穿空气，直接击落到大地上，其电压之高可达1亿伏，温度更是可达2～3万℃。雷电灾害可对电网、广播、通讯、航空等造成严重的影响，给人们的日常生活和人生安全带来严重的影响和损失。

1.2 雷电灾害的主要类型

针对不同方式的雷击，需要设置不同的防雷击装备。雷击方式主要有以下四种。

1.2.1 直接雷击

直接雷击主要是指雷电直接击到被击物体上如树木、动植物、杆塔、建筑物等。由其高电压瞬间放电所带来的电效应、热效应、机械力效应等造成人员和家禽家畜伤亡、建筑物损坏、用电设备短路以及火灾。

1.2.2 感应雷击

感应雷击主要是由雷雨云静电感应、直接雷发生或接闪器接闪时，其周围的金属导体或电气设备等电荷排布会发生变化，从而产生感应电势或感应电流。通常在以雷电通道1.5km的半径内都可能产生危险电势危机人畜生命安全。而且此时其周围往往会伴随产生一个剧烈变化的电磁场。处在电磁中的电子设备会产生一定的感应电压，当感应电压超过了元器件的极限耐压值时，电子设备就会被击穿损坏，严重时还会引起火灾。变化电磁场波及的范围距离雷击发生地可达几十千米。

1.2.3 电力线引入雷电

当直击雷发生在建筑物架空线路或者架空金属管道时，会产生较高的冲击电压或冲击电流。此时冲击电压或冲击电流会沿着架空线路或架空管道两端蔓延入侵，可能将沿线的电力电子设备绝缘击穿、或者电压电流异常变化。造成设备误动作、数据丢失、电子设备受干扰，甚至引起整个系统瘫痪。给人们的生活和生产活动带来严重的危害。

1.2.4 地电位反击

地电位反击主要是由于接闪器遭遇直接雷击将雷电流导入接地系统，由于接地系统存在一定的接地电阻值从而产生高幅值的危险过电压。此危险电压经由其他防雷系统的接闪器、设备的接地线、电力系统中心线接地端、直流接地端、屏蔽接地等给设备和人身安全造成危害。地电位反击主要有以下两种形式：一是雷电流引入接地系统中，由接地电阻抬高地电位，从而反向击穿设备。二是在一定范围内同时存在多个接地网，但彼此之间相隔的安全距离不够，某一接地网接受大量的雷电流，从而产生高电位向周围没有接受雷电流的接地网反击，从而将危险有害电流引向设备。

2 防雷设计依据与原则

本设计方案在制订过程中参考了以下国家规范、行业规范和国际相关标准［1-3］：

《建筑物防雷设计规范》

GB50057-2010

《建筑物电子信息系统防雷技术规范》

GB50343-2012

《低压配电设计规范》

GB50054-2011

结合实际经验，本技术方案设计遵循如下原则：

（1）安全可靠：进行现场调研，搜集历史雷暴记录资料、勘察工程处地形地貌，根据实际情况设计防雷方案，对工程进行综合评估、安全性分析、可行性分析、技术评审，从而确保设计方案安全可靠。

（2）技术先进：在确保安全可靠以及不超出合理的预算范围的前提下，合理利用现今国内外先进成熟的防雷技术以及防雷器件，既能对设备进行安全可靠地保护，又能保障客户的利益。充分发挥产品之间的优势互补使整个系统做到真正的最优性价比配置，留有一定的扩容接口。

（3）经济美观：以安全生产为前提，以客户利益为参考合理的利用预算，不盲目的追求昂贵的配件，一切从实际需求出发，整套防雷设备外观尽量贴近自然融入整个景区的布局，既满足安全的需要又不破坏景区原有的景观。

3 方案设计

某著名旅游景点，为雷暴多发山区。此景点预算开发一条轨道观光旅游线路，采用单轨架空的形式铺设轨道。预计轨道全长3.9km，宽0.58m；小火车宽1.5m，高1.7m；轨面距山谷最低处29m。轨道侧面架设有供电三相滑触线其电压为380V，车辆通过碳刷从滑线上取电。

图1 轨道示意图

3.1 接闪器

直接雷击是指雷电直接击到物体或设备上。根据GB50057第4.4.1条［1］，“第三类防雷建筑物外部防雷的措施宜采用装设在建筑物上的接闪网、接闪带或接闪杆，也可采用由接闪器、接闪带和接闪杆混合组成的接闪器”。由于该项目针对的是景区，综合考虑安全、美观、经济等多方面因素后沿途采用多根避雷针成列排布做接闪器。

相邻两根等高避雷针的保护范围如图2所示。

图2 两根避雷针保护范围

令D为两针间距离，2bx即在高度为hx水平面上保护范围的最小宽度，它位于两针连接线的中垂线上，即距离每针为D/2。

h0为两针保护范围上部边缘最低点的高度，计算如下：

式中p为高度影响系数

当D=7ph时，h0=0两避雷针不能构成联合保护即两避雷针之间存在保护盲区。因此两针间距离与针高之比D/h不宜大于5。

考虑到景区避雷针过多影响美观，此方案中取极限值D/h=5、被保护车辆高度hx=2m，轨道长L取3.9km ，由图2易知2bx表示在高度为hx水平面上保护范围的最小宽度，当h=10m时：

由rx=（h-1.53hx）p；

h0=h-D/7p；

bx=1.5（h0-hx）；

N=L/D；

代入数据易得rx=6.94m

h0=2.85m

bx=1.28m

D=50m

N=78根。

当h=12m时，同理算出：

h0=2.85m D=60m N=65根。

当h=14m时，同理算出：

h0=4m D=70m N=56根。

当h=16m时，同理算出：

h0=4.57m D=80m N=49根。

由以上计算结果可知，当避雷针选得越高，线路上所需安装避雷针的数量越少，且受保护车辆两边的被保护范围越宽。结合安全因素、景点的美观以及工程安装造价角度，建议采用树形接闪杆沿轨道安装56根，接闪杆顶部距轨道面高14m，每两根避雷针相距70m。

3.2 接地措施

地网是有效发挥泄流作用的保障。接地电阻阻值越小，雷电流的发散就越快，被雷击物体高电位保持时间就越短且接地电阻两端产生的电压相对较低，从而大大的降低了危险性。

根据GB50057规范要求，轨道必须接地。在轨道下面空旷地方做地网，每个铁柱都应做引下线和接地。柱子壁厚比较厚，直接用壁厚做引下线，用40×4mm热镀锌扁钢把每个柱子连接起来。轨道全长为3.9km，如果只做一个地网的话，当雷电流入侵时，影响散流效果。每隔500m做一个地网，接闪杆的地网与引下线共用一个地网。在铁轨下面开挖一个40m×40m×0.8m的基坑做地网。把连接柱子的扁钢连到地网上。每个地网的水平接地体采用的是40×4mm的镀锌扁钢，水平接地体埋深不得小于0.6米。垂直接地体采用的50mm×50mm×5mm×1500mm 和XHT型接地模块。XHT新型接地模块是一种由导电非金属材料为主内置镀锌扁钢的接地体，具有极高的降阻特性，且性能稳定不随季节发生变化。将其埋入土壤后，通过潮性作用，模块散流体随土壤结构层释放电解离子。因此，金属接地体与大地的接触电阻将大大减小，能有效的防止地电位反击。为了使地网接地电阻达到要求，更好的发挥接地模块的降阻作用，每个模块配2 包XHT型长效防腐物理降阻剂（25kg/包）接地模块采用水平埋置，埋置深度大于0.6m；接地模块间距不小于4m。以满足规范要求的接地电阻值达到10Ω。

3.3 电源和接地防护

感应雷、电力线路或管路引入雷电波、地电位反击等侵入到各类电子设备造成设备损毁的灾害现象十分普遍。 电气和电子设备的金属外壳、机柜、机架、金属管（槽）、屏蔽线缆外层、信息设备防静电接地和安全保护接地及浪涌保护器接地端等均应以最短的距离与等电位连接网络的接地端子连接。此外设备电源部分进行以下防护：

（1）在高压变压器出线至总配电柜的主断路器进线电缆前端加装电涌保护器，大通流防雷模块做一级电源避雷器。

性能：SPD类别：开关型

（2）总配电柜至各供电点分配电箱上加装电涌保护器，作第二级保护，防雷模块，做二级电源避雷器。

性能：SPD类别：限压型

（3）在控制中心电源的前端加装电涌保护器，作第三级保护。

性能：SPD类别：限压型

（4）在重要精密的仪器设备的电源进线前端加装插座式电源电源保护器，作为末级保护［3］。

性能：SPD类别：组合型/限压型

4 结论

避雷针做接闪器，配合接地系统和电源防护系统，这样就能有效的防护直击雷、电磁感应、地电位入侵等雷电危害。在实际使用过程中，需加强对接闪器、接地系统以及电源防护系统的日常维护及检测，保证上述系统在正常状态工作。

参考文献

［1］ 《建筑物防雷设计规范》 GB50057-2010.

［2］ 《建筑物电子信息系统防雷技术规范》 GB50343-2012.

［3］ 《低压配电设计规范》 GB50054-2011.

Research on Lightning Protection Design for Railway Track and System of Tourism Train

Jie Zeng， Xuming Xia， Yang Zhao， Qian Zeng
（Zhuzhou Special Equipment Technology co.， LTD， 412000， China）

Abstract：If electricity discharges between clouds， and form circuit discharge with the earth， great harm will be caused to buildings， electrical and electronic equipments， human beings and animals， the harm caused is called be struck by lightning.Based on a public amusement facility- rail tourism train， this paper discusses the lightning stroke mode， studies the design of lightning protection facilities， and puts forward a feasible， reliable and safe method for lightning protection， then provides reference for further equipment production.

Key words：Lightning； Lightning protection； Lightning protection design

中图分类号：PU427

文献标识码：A

文章编号：2095-8412 （2016） 02-297-04

DOI：工业技术创新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.046

作者简介：

曾杰本科专业电气工程及其自动化，工作单位：株洲中车特装装备科技有限公司；毕业后从事电气设计工作五年，参与了多个游览车和铁路工装电气整体方案设计。