宁和城际轨道交通大胜关大桥段通信信号设备防雷研究

2024-04-14宋玮韬卢滢唐晨彬

现代信息科技 2024年1期

宋玮韬卢滢唐晨彬

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.01.013

收稿日期：2023-01-04

摘要：雷电灾害是目前中国最严峻的十大自然灾害之一，雷电对电子设备所产生的干扰已引起人们的高度重视。宁和城际地铁大胜关长江大桥路段处于雷电的高发区域，文章对该路段的气候、雷电环境及实际工况进行了调查研究，通过对其主桥和引桥上通信信号设备的防雷保护范围进行计算，分析并得出了通信信号设备的接地方案。该研究成果对类似相关项目具有一定的借鉴作用。

关键词：通信信号设备；防雷接地；轨道交通；大胜关大桥

中图分类号：TM86；U28 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）01-0063-04

Research on Lightning Protection of Communication Signal Equipment in Dashengguan Yangtze River Bridge Section of Ninghe Intercity Rail Transit

SONG Weitao1， LU Ying2， TANG Chenbin2

（1.Nanjing Metro Construction Co.， Ltd.， Nanjing 210017， China;

2.China Railway Shanghai Design Institute Group Co.， Ltd.， Shanghai 200070， China）

Abstract： Lightning disaster is currently one of the ten most severe natural disasters in China， and the interference caused by lightning on electronic devices has attracted high attention from people. The Dashengguan Yangtze River Bridge section of the Ninghe Intercity Subway is located in a high incidence area of lightning. This paper investigates and studies the climate， lightning environment， and actual working conditions of this section. By calculating the lightning protection range of communication signal equipment on the main bridge and approach bridge， the grounding scheme of communication signal equipment is analyzed and obtained. This research result has a certain reference value for similar related projects.

Keywords： communication signal equipment; lightning protection and grounding; rail transit; Dashengguan Yangtze River Bridge

0 引言

雷电灾害是目前中国最严重的十大自然灾害之一，世界上由于雷击而产生的人员伤亡事故、财产损失数不胜数。同时，由于计算机（Computer）、控制技术（Control）、通信技术（Communication）、显示技术（Cathode Ray Tube）等技术的开发与应用，集信息采集、传输为一体的新系统出现，继而出现了大规模的电子设备。但这些电子设备大部分使用高集成的CMOS电路和CPU模块，承受瞬态过电压的能力偏弱，已成为受雷电破坏的重点设施。因此，雷电对电子设备造成的影响也越来越受到关注，特别是轨道交通信号系统若受雷电影响可能会导致设备停运，严重情况下会危及行車和生命安全。

围绕轨道交通，特别是高速铁路信号系统雷击电磁瞬态防护理论这一科学问题，国内外学者做了大量的研究工作，取得了丰硕成果，也显著提升了我国高速铁路信号系统的防雷水平。从铁路系统的雷电防护理论角度来看，文献[1]分析雷电入侵轨道电路的途径并建立浪涌电压在轨道电路上的传播模型。文献[2]发现，如果雷电直击信号楼附近的地面通信系统，可能会引起雷电高温热效应、电动力作用、机械冲击力影响，以及过电压影响。从直击雷的保护方法上来看，文献[3]对直击雷浪涌电流电压分布进行建模，并探讨了五种不同雷电流通过模式下产生的电磁场强度分布的情形。从感应雷的保护方法上来看，由于通信系统可以很容易地从线缆上感应出浪涌电压和电流，且功率变化较大，因此很容易造成毁坏性的电位差。随着电子设备的发展，器件极易受到浪涌冲击而造成损坏，如何减少线缆感应浪涌进入终端，在系统中使用SPD是关键的解决方案。从直击雷的保护概念和技术等方面分析，文献[4]描述了20世纪80年代的直击雷情况，对其原理进行了进一步阐述，对不同理论计算出的防雷保护范围大小进行了比较，分析了高（冲击）接地电阻带来的影响。文献[5]对国内外各类屏蔽计算方法进行了进一步阐述和比较。文献[6]采用了数理演绎的方式，对多支大小不等的避雷针防护面积的计算方法进行了研究，并采用滚球法对避雷针带的作用进行了研究，进而提出了直击雷保护方案。同时，中国交通系统也一直很重视防雷的管理工作，如2006年铁道部颁布了《客运专线综合接地技术实施办法（暂行）》《铁路信号设备雷电电磁兼容综合防护实施指导意见》，2007年颁布了《铁路防雷、电磁兼容及接地工程技术暂行规定》，2013年中国铁路总公司实施了《桥梁贯通地线敷设、安全防护设计的说明》（铁总运64号文件）等，都对铁道专线设施的雷电保护、接地技术等保护措施做出了严格规范的指导性规定。2016年，中国气象局制定了《大型桥梁防雷设计规范》，对大中型桥梁基础、重要建筑物和沿线工程的雷电保护方法、共用接地线路、SPD的设计与使用等方面做出了规范。但是针对轨道交通与高速铁路六线同桥并行这种特殊工况下的防雷方案尚没有相关实例可参考借鉴，需要进行更深入的研究。

本文对大胜关大桥段气象环境进行了调查，了解轨道交通通信信号设备分布状况，重点对大胜关大桥段主桥和引桥上信号CBTC系统、车地无线系统、专用无线通信系统等设备的防雷保护范围进行计算分析，并提出适合大胜关大桥段通信信号设备的防雷接地方案。

研究结论和成果将是对轨道交通特殊工况下通信信号设备接地方案的一次重大优化和改进。其研究成果可填补国内在相关领域研究的空白，可为轨道交通专业人员提供一定的参考、借鉴和指导。

1 研究背景

1.1 项目概况

宁和城际轨道交通首期工程的大胜关大桥段，与沪汉蓉铁路（250 km/h）和京沪高铁（350 km/h）同桥并行。轨道交通上、下行线路分别位于沪汉蓉铁路和京沪高铁外侧。大胜关大桥段为全钢结构大桥，意味着桥梁上搭建出来的通信信号设施在灾害天气时极易受到雷电的干扰，雷电对通信信号控制器的干扰将直接危及轨道交通的正常运行，严重的可以造成设备的破坏而导致列车停止，必须对通信信号控制器的防雷接地工作进行高度重视。

南京大胜关长江大桥在现有的南京长江大桥上游约20 km处，是宁和城际轨道交通线、京沪高速铁路和沪汉蓉客运专线同桥并行的越江通道，为六线铁路跨长江的全钢结构大桥。大桥中间四线为京沪高铁和沪汉蓉客运专线，现场环境十分复杂，这样的环境在国内也比较罕见。

1.2 设备概况

大胜关大桥段宁和城际轨道交通通信信号设备布置如下：沿上下行列车运行方向右侧电缆支架上敷设有通信信号光、电缆，桥栏杆上敷设有专用、公安无线漏缆，每间隔100 m设置信号CBTC或PIS系统用AP箱及天线；引桥上设置有无线直放站。

1.3 气象环境

由于江苏南京市所在区域的特殊地理位置和独特地理环境，再加上兼有西风带、副热带和中低纬度热带地区等气候的联合影响。所以，南京市也成为我国长江中下游天气变化最为剧烈的区域之一，尤其是在春夏的过渡期间，灾害性天气尤其常见。经常影响南京的天气活动和灾害性天气主要有：早春寒流活动引起的减温、阴雨和晚霜，春季的连绵阴雨，以及春季江淮的大地旋风活动以及伴随的大雨和暴风；春夏之交的梅雨和梅雨期暴雨活动所造成的雨涝、强对流不稳定天气活动，如大雨冰雹、龙卷风、雷雨大风；秋季的早霜、秋旱、连阴雨、秋雾；冬季的寒潮、霜冻、冬雾，等等。

采用GARMIN GPSmap 60CS在现场选取大胜关大桥西北、中间段、东南共计4个点，进行精确定位。经纬度分别为：东经118.628 8°，北纬31.963 6°；东经118.632 7°，北纬31.960 4°；东经118.637 3°，北纬31.956 6°；东经118.640 7°，北纬31.953 7°。按照中国国家气象数据中心所公布的统计资料，目前南京全区域都处于“多雷区”状态，且常年平均雷阵雨天数和常年平均最大雷阵雨天数都远高于中国雷阵雨天数的平均水平，常年平均雷阵雨天数达29天。通过所提取的有关数据，可以得出大胜关大桥所在地近3.5 km区域内近5年的平均地闪密度大约为2.8次/（km2·a）。

2 研究目的

雷电是因强对流而形成的雷暴云中和云地之间的强烈放电现象。自然界的雷击主要有直接雷击和感应雷击两类。直接雷声光并发，电闪雷鸣，老少皆知。感应雷则悄然发生，不易察觉，后果严重。这主要是由于雷雨云的静电感应或释能后的电磁感应作用，使建筑物上的金属构件，如管道、钢筋、电源线、数据传输线路、天馈线等，都感应出与雷雨云电荷方向相反的电量，并由此引起放电问题，其主要是通过电力导线、数据信号导线、天馈线，以及与地电位反击等引起并损坏设备。

城市轨道交通的通信信号系统复杂，当遭遇雷击损坏设备时，将直接影响运营安全，情况严重时甚至会造成列车停运，给市民出行带来不便，社会影响巨大，经济损失严重。而安装在大桥上的轨道交通通信信号设备在灾害天气时更易受到雷电的危害。通信信号系统的雷电过电压防护和接地方案一直缺少理论支持，相关设计规范对工程的指导性不强，防护效果也不理想，軌道交通和高铁并行、钢桥横跨长江等特殊情况同时出现，如此苛刻的外部条件下通信信号系统防雷和接地技术方案的研究从未开展过。因此，研究大桥上轨道交通通信信号设备的防雷接地方案、更好地抑制雷击过电压及电磁干扰是一个全新的课题，同时也是迫切需要解决的问题，以保障大桥上轨道交通列车、人员人身安全、通信信号系统及设备稳定运行，并确保达到技术先进、经济合理、完善有效的防雷效果。

3 研究方案

3.1 防雷类别计算

大胜关大桥的雷电灾害风险评估可以将其统划为一整体区域后再分区对其进行风险计算，依据大胜关大桥建筑图纸可知，在把北引桥、主桥段、南引桥视为一个整体区域后，该区域长约1 275 m、宽约40.4 m、拱顶最高高度96.2 m，项目所在区域地闪密度为Ng = 2.8（次/年·km2）。

按照《建筑物防雷设计规范》2010版中关于建筑物防雷分级标准的规定，即建筑物设计必须根据建筑物的重要性、工程特点、出现雷电事件的概率及其影响等，并在结合对该工程构筑物的设计雷击时间计算的基础上，确定大胜关大桥为国家二级防雷构筑物。

3.2 主桥段防雷保护范围计算

大胜关主桥连拱可以近似地看作双支等高避雷针，对于双支等高避雷针的联合防雷保护范围可以采用滚球法的方法计算确定。按照第二类防雷建筑物标准，同时根据桥体数据，设定如下设计参数，即选取h = 16 m（铁路距拱趾距离加上拱趾距拱顶距离），hr = 45 m，hx = 4.5 m（通信设备最大安装高度）。大胜关主桥某一断面示意如图1所示。

根据《建筑物防雷设计规范》GB 50057—2010[7]的滚球法的接闪器的保护范围计算方法，双支等高接闪杆保护范围为：当接闪杆高度h小于或等于hr的情况下，且接闪杆距离D小于时，AEBC外侧的保护范围由单支接闪杆的计算方法决定。双支等高接闪杆的保护位置如图2所示。

本项目中，h = 16 m＜hr = 45 m，，D = 30＜。

被保护物体AP杆位于AEBC外侧，因此按单支接闪杆的方法进行计算：

其中，hr表示滚球半径，取决于建筑物防雷类别，但相对于第二类防雷建筑物来说，hr = 45 m；h表示避雷针长度，hx表示被保护物体高度，Rx表示防护范围。

取h = 16 m，hr = 45 m，hx = 4.5 m，带入公式，经计算得Rx = 14.8 m。

根据滚球法计算，防雷保护范围为主桥铁拱外侧14.8 m，而AP杆和设备在离铁拱外侧4.5 m处，处于保护范围内，故在主桥段无须增加避雷针。

3.3 引桥段防雷保护范围计算

大胜关大桥引桥段两侧的接触网立杆架空地线可以近似地看作双支等高避雷针，同主桥段的计算方法，采用滚球法[8，9]确定。引桥段接触网示意如图3所示。

图3 引桥段接触网示意图

本项目中，h = 7.6 m＜hr = 45 m，，。

被保护物体AP杆位于AEBC外侧，因此按单支接闪杆的方法进行计算：

其中，h = 7.6 m（引桥段最高处，即架空地线高度），hr = 45 m，hx = 4.5 m（通信设备最大安装高度）。