城市轨道交通信息技术设备防雷接地系统研究

龙 潭

0 引言

随着现代科学技术的飞速发展，铁路和轨道交通信号电子化设备的应用大幅增加，先进的设备在雷雨季节能否安全稳定地运行，是目前需要研究的一个新课题[1]。城市轨道交通工程有多种接地类型，按用电设备类型可分为电气设备（强电）接地、机电设备接地、信息技术设备（弱电）接地三类。其中信息技术设备接地分为系统接地、保护接地、防雷接地、功能接地等。

各系统接地要求各不相同，且与用电设备紧密相关。此外，各系统接地理念、适用标准有较大差异。城市轨道交通防雷接地设计大多根据《地铁设计规范》（GB 50157-2013）、《城市轨道交通技术规范》（GB 50490-2009）等相关地铁设计标准中少许关联内容以及过往防雷接地设计经验开展设计工作[2]。因此，还需结合系统设备的特点和类型，依据相关国家标准或行业标准完成防雷接地系统设计。城市轨道交通工程信息技术设备防雷接地的分类和采用的标准见表1。GB 16895建筑物电气装置和低压电气装置的系列标准是由国际电工委员会IEC TC64标准完全等同转化的我国国家标准，可作为城市轨道交通防雷接地设计的主要标准。

1 接地网

IEC TC64标准禁止某个电气装置单独接地，其原因是单独接地方式将引起各设备、构件之间的电位差，导致电击事故或设备损坏。因此，单独接地不能保证用电安全。

城市轨道交通车站空间狭小，场地有限，如果不同的系统各自独立接地，不但受场地、空间的限制难以实施，而且不同的地电位会带来电位差，存在安全隐患，不同接地系统的导体间耦合也会引起相互骚扰。近年来，为避免杂散电流对隧道、车站内金属构件的腐蚀，在建和已开通运营的北京、上海、广州、深圳等城市轨道交通线路的接地型式通常采用强、弱电共用人工接地系统，即在车站结构底板下采用铜材设置人工接地网，与接地引出线、接地干线、接地母排等接地装置以及强、弱电系统 金属管线等形成综合接地系统。

表1 城市轨道交通信息技术设备接地分类和标准

2 接地型式

城市轨道交通车站内有通信、信号、自动售检票、火灾自动报警、综合监控、环境与设备监控、乘客信息、门禁等多种信息技术设备，且分布在站厅、站台等不同区域内，必须对这些系统的设备进行等电位联结方式的接地。

2.1 多网状联结星形网络

城市轨道交通中各系统用电设备众多，一般情况下供配电系统、机电设备系统、信息技术系统的线路、设备间距无法满足防止电磁骚扰的要求，可能会对信号、通信的传输造成影响。另外，牵引供电系统的杂散电流、机电设备系统的谐波电流等也会引起信息技术设备间参考电位不同，对车站信息技术设备运行造成骚扰。以低压配电箱的保护线（PE线）母排作为参考电位点，并从低压配电箱的PE母排放射式地引出PE线至信息技术设备，低压配电箱的PE母排通过通信、信号等设备房内的接地端子排接入车站综合接地网。此时，PE线既作为保护接地线同时兼作信息技术设备的信号接地线。

多网状联结星形网络等电位联结如图1所示。这种多网状联结星形网络设计实施简单易行，可以避免部分电磁骚扰。

图1 多网状联结星形网络等电位联结

2.2 共用的网状联结星形网络

对于新建项目，通信、信号等信息技术设备房内均应采用共用的网状联结星形网络的接地方式，根据《低压电气装置 第4-44部分：安全防护 电压骚扰和电磁骚扰防护》（GB/T 16895.10- 2010），这种接地方式又分为水平和垂直的等电位联结接地方式[3]。

水平等电位联结是将信息技术设备金属外壳用尽量短直的PE线联结到设备房内静电架空地板下的铜质网格上，实现低阻抗的信号接地。铜质网格与低压配电箱内的PE母排联结。铜质网格尺寸一般为信息技术设备工作频率波长的1/10，结合设备房静电地板装修，可取不大于600 mm×600 mm，编织铜带宽度为60～80 mm，厚度约0.6 mm，以增大表面积，降低高频条件下的阻抗。

垂直等电位联结是将车站结构柱、结构墙体内的主钢筋联结，利用土建结构的主钢筋形成“法拉第笼”，同时，与进出设备房内的金属管、金属线槽等金属管线联结，并通过通信、信号等系统设备房内的接地母排联结，从而形成多个并联通路，为信息技术设备的信号接地提供高频条件下低阻抗通路，使站厅、站台等各层、各区域同一系统的信息技术设备获得均衡的地电位。

共用的网状联结星形网络等电位联结接地方式可以消除大部分的电磁骚扰，适用于装有重要用途的信息技术设备房[3]。在土建结构设计时，需在通信、信号等信息技术设备房间内就近预埋与车站结构主钢筋相联结的钢板。共用的网状联结星形网络等电位联结如图2所示。

图2 共用的网状联结星形网络等电位联结

2.3 构建多层结构的建筑物等电位联结网络

对于多层车站、控制中心、车辆基地综合楼等多层结构，且有大量机电设备和信息技术设备的建筑，应构建建筑物等电位联结网络，如图3所示。多层结构的等电位联结网络可以均衡各层、各系统之间的电压，有效消除电位差。

图3 多层结构建筑物等电位联结

3 高架车站雷电电磁脉冲防护

高架车站为地面建筑，站内有大量的信息技术设备，无论是直击雷防护还是雷电电磁脉冲防护都极其重要。高架车站位于地面以上20～30 m，比地下车站更容易遭受雷电波侵入。高架车站按第二类建筑物考虑，首次正极性雷击的雷电流幅值为150 kA，波形为10/350 μ/s，如图4所示。

图4 首次正极性雷击冲击电流源

根据安培环路定律，磁场强度沿任一闭合回路的线积分等于所包围的电流强度的代数和，其数学式为

式中：H为磁场强度，A/m；l为环路长度，m。

式中：S为雷击点与信息技术设备的距离，m；i0为正极性雷击的雷电流幅值，A。

按雷击点在高架车站站台层外墙边缘3 m处考虑，则站台层内最大电磁强度为

其中：Hmax为站台层内最大电磁强度，A/m；Smin为雷击点与信息技术设备的最小距离，m。

按高架车站站台层长度为152 m，站台层内最小电磁强度为

其中：Hmin为站台层内最小电磁强度，A/m；Smax为雷击点与信息技术设备的最大距离，m。

计算结果显示，高架车站站台层内最大磁场强度为7 961.78 A/m，最小磁场强度为157.14 A/m，距离雷击点75 m的中部范围磁场强度在300～400 A/m范围内，采用共用接地和总等电位联结的方式形成综合接地网，能有效防范雷电瞬态电磁场对信息技术设备的骚扰。因此，应尽可能将高架车站内较敏感的信息技术设备布置在站厅层设备房或站台层中部区域，且距离车站结构立柱2 m以上。同时，根据《电磁兼容试验和测量技术脉冲磁场抗扰度试验》（GB/T 17626.9-2011/IEC 61000-4-9:2001）的规定，信息技术设备的抗电磁骚扰度应能达到3级以上[4]。

4 接地电阻值要求

（1）《地铁设计规范》（GB 50157-2013）中，供电、通信、信号、自动售检票、火灾自动报警、综合监控、环境与设备监控、乘客信息、门禁、站台门等系统都有各自接地的相关规定。例如，信号系统章节中17.7.6条提出信号设备的接地要求：“信号设备室内应设综合接地箱；当采用综合接地时，应接入综合接地系统弱电母排，接地电阻不大于1 Ω”[5]。其他各系统与信号系统类似，均要求接地电阻值不大于1 Ω。接地电阻值须按接入设备中要求的最小值确定[6]。因此，国内大多数城市轨道交通车站人工接地网的接地电阻均按不大于1 Ω设计。

（2）信息技术设备防雷接地应采用冲击接地电阻值。地铁变电所要求的系统接地电阻是指工频接地电阻。对于防雷电磁脉冲和电磁骚扰，即在高频状态下，接地体的电阻为冲击接地电阻。接地体的工频接地电阻随土壤电阻率的增加呈线性增加；冲击接地电阻随土壤电阻率非线性增加，即土壤电阻率较低时，冲击接地电阻随土壤电阻率的增加而加速增加，当土壤电阻率较大时，增加的速度减小。因此，同一接地装置具有不同的冲击接地电阻和工频接地电阻，两者比值称为冲击系数。

根据《建筑物防雷设计规范》（GB 50057-2010），对于二、三类防雷建筑物，已取消冲击接地电阻值的相关要求[7]。

（3）不做等电位联结，只接大地的冲击接地电阻值远大于1 Ω。如果车站信号设备只接人工接地网，则以大地为参考电位点，从接地网至信号设备房通常采用95 mm2单芯铜芯电缆作为接地线。95 mm2单芯铜芯电缆主线芯的直径为1.16 cm，主线芯的绝缘厚度为1.10 cm。按《工业与民用配电设计手册》（第四版）的计算方法，计算接地电缆在高频条件下的阻抗[8]。

首先，计算接地电缆的几何均距Dj为

其中：d为电缆主线芯的直径，cm；δ为电缆主线芯的绝缘厚度，cm。

其次，计算接地电缆等效半径Dz：

则接地电缆单位长度电感量l0为

接地电缆单位长度电抗x0为

其中：f为电磁脉冲或电磁骚扰频率，Hz。

从接地网至信号设备房接地电缆长L= 100 m，在10 MHz电磁骚扰下，接地电缆的电抗X为

综合接地网接地电阻值为1 Ω，在10 MHz频率电磁脉冲条件下，接地电缆的阻抗为

其中：Z为接地电缆的阻抗，Ω；R为综合接地网接地电阻值，Ω。

由此可见，在高频电磁脉冲或电磁骚扰条件下，接地电缆的电抗远大于电阻值。

（4）保护接地不要求接地电阻值小于1 Ω。目前，为保证用电安全，为弱电设备供电的低压配电系统采用TN-S接地系统。当弱电设备发生接地故障时，接地故障电流通过相线-保护线金属回路返回到变电所配电系统，使低压配电柜内断路器、熔断器动作，切断故障回路，保障了设备和人身安全，并非由于综合接地网的接地电阻值小于1 Ω的原因使故障回路阻抗低从而提高了故障电流幅值，使断路器、熔断器动作。因此，对信息技术设备而言，无论对于保障设备和人身安全还是防电磁骚扰，追求1 Ω或更小的接地电阻值是无意义的，在困难条件下可适当放宽对接地电阻值的要求。

5 结语

信息技术设备特点是绝缘强度低、过电流过电压耐受能力差、对电磁骚扰敏感。弱电系统是维系城市轨道交通正常运营的中枢神经，一旦遭受电磁骚扰，将危及线路的正常运营，甚至造成重大的人员伤亡和巨大的经济损失。

多年以来，由于顾虑牵引供电系统的杂散电流对隧道、车站、桥梁等建筑物的土建结构影响，城轨交通信息设备接地并未利用结构主钢筋形成共用的网状联结星形网络并构建多层等电位联结网络。经测试证明，城市轨道交通利用结构钢筋作为自然接地体，完全符合强、弱电设备接地要求[9]。

与只接人工接地网相比，以利用结构主钢筋的等电位联结系统作为“地”能获得更好的各设备系统之间的等电位效果，既能有效泄放故障电流、雷击电流和静电荷，又能获得各系统的电压均衡，提高抗电磁骚扰能力。城市轨道交通防雷接地系统的设计规范和标准应与国际标准接轨，参照IEC、IEEE标准，做到各接地系统兼容，避免一味追求低接地电阻值，节省工程投资，适应我国倡导的“一带一路”建设及与国际标准接轨的需要。