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    地铁雷电防护与年度检测

    2020-03-14

     [摘要]

    本文叙述了地铁,特别是地面站、高架站雷电防护的重点,地铁万博manbetx登录手机版安全年度检测的重点。文中的阐述对地铁运营企业科学制定万博manbetx登录手机版年检计划、经费预算有指导作用。对雷电防护检测单位、对地铁设计、建设单位有重要的参考价值。

    引言

    近十年来天津市乃全国省会以上城市地下轨道交通发展十分迅猛,以天津市为例,目前已有1、2、3、6、9 号五条地铁线路开通运营,大大提升了城市公共交通的运输能力,也为人民群众生产、生活提供了高效快捷的出行方式。

    地铁的供电系统、通信、信号系统、监控系统、环控系统等无不由微电子设备构建,这些系统***易受到雷电袭击而受损,从而影响地铁交通的安全运行。因此,地铁线路万博manbetx登录手机版安全年度检测是地铁企业十分重视的保障安全生产措施之一。这些年来万博manbetx登录手机版检测单位、受检地铁企业都没有抓住问题重点。以2018 年天津地铁1、2、3、6 号线万博manbetx登录手机版年度检测招标标书来看,要求检测内容:接地电阻、等电位连接、装置类型、装置状况四项。地铁企业花费大几十万元。以笔者之见,依据万博manbetx登录手机版检测国家标准,***应该年度检测的项目却没有涉及,其发生雷击事故的风险依然非常大!


     地铁万博manbetx登录手机版年度检测的重点 

     以天津地铁 3 号线组成为例:运控中心(1、3 号线共用)、停车场一个、车辆段一个、110kV 主变电站 2 座、高架站 7座、地下站 18 座、地面站 1 座、两个过渡区间、6 个高架区间。年度直接雷击万博manbetx登录手机版检测的重点应该是运控中心、停车场一个、车辆段一个、110kV主变电站2 座、高架站7 座、地面站1 座、两个过渡区间、6 个高架区间。18 座地下站 其进出站口棚基本上是位于十字路口,且高度只有 3 米左右,周边多有比其高的建筑物,因此其遭受直接雷击的概率非常非常小。钢结构进出站口棚的基础为钢筋混凝土自然接地,接地电阻在验收检测合格后,二、三十年也不会变为不合标准!所以,没有必要每年多测几百个点而增加受检企业费用。


    地铁地下站距地面深度一般在10 米左右,所以地下站站厅层、站台层不可能遭到直接雷击,也不可能遭受空间雷击电磁脉冲的侵袭(也就是说地下站附近发生雷击,其产生的雷击电磁脉冲不可能由空间传播到地下10 几米)。另外地下车站为防杂散电流效应,设有以紫铜带为材料与建筑物接地相隔离的独立接地网,二、三十年也不会变化。没有必要每年每个地下站测几十个点的接地电阻。


     地铁系统万博manbetx登录手机版安全年度检测的重点应该是:

    110kV主变电站、高架站、地面站、城郊地下站出入口、 运控中心、车辆段、高架区间防直击雷检测;电源电涌保护器直流参数年度检测,高架站、地面站、第一个地下站、运控中心的通信、信号、监控 、环控机房的屏蔽检测,屏蔽检测的周期笔者建议 2-3 年。


    高架站防直击雷的接闪器为彩钢板屋顶,接地为钢筋混凝土自然接地体,为引下线为钢筋混凝土或钢管结构柱,其接地电阻几年乃至二、三十年不会有任何变化!高架站的直击雷防护也没有必要花费资金每年检测一次。


      电源电涌保护器检测

     地铁系统安装了大量限压型电源电涌保护器(SPD),***应该作好年度检测。这也是2017年以前检测单位的短板。第一. 没有认识到限压型电源电涌保护器可发生非雷击自燃,引发火灾事故。第二. 也不懂得如果检测测试不当,会发生损坏使用该路电源的弱电设备。


    限压型电源电涌保护器的核心器件为 MOV 芯片 ,MOV 芯片受暂态过电压、温度、湿度影响会老化,非常容易发生非雷击燃烧事故! 特别是地铁站的电梯、空调机组、冷冻机、风机、屏蔽门、闸机供电电路安装的限压型电源电涌保护器,因大功率电机频繁启动而产生暂态过电压致使电涌保护器漏电流增大,电涌保护器温度升高,温度升高使漏电流进一步增大,如此恶性循环导致限压型电源电涌保护器短路起火,引起火灾事故!对于地下车站危险性就更大!


     地铁电源电涌保护器的年度检测只检测限压型不串接开关元件的模块(地铁安装的几乎都是 MOV 芯片模块)。对于插拔式模块可拔下测试,对于不可插拔模块测试时,先关断相线端串接的空气开关或熔断器,必须拆下该片端口的N 线(测量完成后将N 线插入该片端口,拧紧压线螺钉),然后逐片测试。为何拆下 N 线再测该模块?测量电源 SPD 启动电压的仪器,其加在模块两端的直流电压为 1500V-2000V,如不拆下被测该片 SPD 端口的 N 线,高电压反击会损坏使用该路电源的微电子设备。


     《建筑物万博manbetx登录手机版装置检测技术规范》GB/T21431-2015 第5.8.5.2 条 泄漏电流的测试,d)款“合格判定依据:首次测量 U1mA 时,单片 MOV 构成的 SPD,其泄漏电流 Iie的实测值应不超过生产厂标称的Iie 值;如生产厂未声称泄漏电流 Iie 时,实测值应不超过20μA。” c)款“后续测量 I1mA时,单片 MOV 和多片 MOV 构成的 SPD,其泄漏电流 Iie 的实测值应不大于首次测量值的 1 倍。” 该规范新增加的 c)款较2008 年版更为科学,其真实反应了 MOV 芯片的稳定性与可靠性。例如,德国菲尼克斯In20kA 芯片厂标Iie 为小于30μA(有众多重点建设项目选用德国产品),例如初测Iie 为15μA,第二年检测 Iie 为25μA,那就不能判为不合格。所以该规范 2015 年版为受检单位减少了不小的经费开支。对于国产 MOV 构成的 SPD若首次测 Iie 为 5μA,第二年检测 Iie为 12μA,可见其变化率超过首测值的 1 倍,说明该MOV 芯片老化或遭受过雷击,稳定性急剧下降,则应更换以免发生自燃事故。 


    d)款后半段有如下规定:多片 MOV 并联的SPD,其泄漏电流Iie的实测值应不超过生产厂标称的Iie ******值;如生产厂未声称泄漏电流 Iie 时,实测值应不超过20μA 乘以MOV 阀片的数量。不能确定阀片数量时,SPD 的实测值不大于 20μA。


    此段叙述让我们看到多片 MOV并联的SPD 在实际使用中重大安全隐患!以地铁系统大量安装的 In60 kA(或 In50kA)为例,此类 SPD 由3 片 34×34mm 方形 MOV 芯片构成,MOV芯片本省特性决定其参数离散性很大,国家标准规定 MOV 芯片启动电压允许标称值正负 10%偏差,以 Uc=385V 的34×34mm 方形MOV 芯片为例,其启动电压 U1ma 标称值为620V,正偏差为682V,负偏差为558V, SPD 生产厂可选3 片参数尽量相近的组合,但要完全一致几乎作不到。这就是规范表述测值应不超过 20μA 乘以 MOV 阀片的数量的原因。在实际检测 SPD In60kA 时,测量到的是一片MOV 芯片泄漏电流 Iie。 

     

    地铁安装有大量In40 kA 、In50 kA、In60 kA 的电涌保护器,此类SPD 遭到等于或大于In值的雷电流袭击时,启动电压低的一片必然烧毁,这类事例屡见不鲜。仅举一实例:2008年 7 月 27 日天津公安津南分局总配电室安装的 In 50kA 电涌保护器其中一相遭雷击烧毁,使用该相电源的通讯指挥室所有设备损毁,损失惨重。


     地铁系统特别是高架站、地面站在雷电防护LPZ0A 或 LPZ0B 区与LPZ01 区交界处安装电涌保护器建议选用Iimp 大于或等于20kA的开关型产品。




    地面站、高架站屏蔽检测

     电磁屏蔽是雷电防护******重要的措施!!理论计算与实践表明,在距离建筑物 800 米-1000米范围内,发生中等强度的雷击,其产生的强大的雷击电磁脉冲可损坏弱电设备,这样的雷击事故屡见不鲜!


     现仅举一例:2008 年6 月23 日下午七点天津市河东区六纬路万隆大厦(24 层商务公司、居民混用) 雷击楼顶通讯塔,大楼顶部电梯机房内六部电梯中的五部控制柜的微电子板损坏致使电梯停运,由于长时间未能修复,居民们大闹,气极之下将人行楼道内的照明灯多处捣毁,可见影响之大。山西万博manbetx登录手机版设备


    国家标准《建筑物万博manbetx登录手机版装置检测技术规范》GB/T  21431-2015 第5.6章雷击电磁脉冲屏蔽、附录 F 磁场测量和屏蔽效率的计算,有明确的要求和规定及测试方法。对本市地下铁道而言,地下车站受空间雷击电磁脉冲的冲击损坏微电子设备的可能性微乎其微,而对于运控中心、高架站、地面站的弱电机房检测其电磁屏蔽效果则十分必要。


    万博manbetx登录手机版屏蔽检测的理论依据是:国家标准《雷电防护 第 4 部分:建筑物内电气和电子系统》GB/T21714.4-2008 附录 A LPZ 区内电磁环境评估基础中如下叙述:首次雷击的磁场表征为典型频率 25kHZ, 后续雷击的磁场表征为典型频率 1MHZ。(1MHZ=1000kHZ)中波广播频率范围为 535kHZ-1605kHZ,天津市中波广播频点新闻台 909kHZ、滨海台 747kHZ、交通台567kHZ均可以在测试中选用。


    电磁屏蔽检测***实用、***可行的方法是以当地中波广播频点对应的波头作为信号源,将信号接收机(场强仪)分别置于建筑物内和建筑物外分别测试出信号强度 E0 和 E1。用下式计算出建筑物的屏蔽效能:

    SE=20Ig(E0/E1)


    测试时,接收机(场强仪)应采用标准环形天线。当天线在室外时,环形天线设置高度应为0.6m-0.8m,与大的金属物,如铁栏杆,汽车等应距 1m以外。当天线在室内时其高度应与室外布置同高,并置在距外墙或门窗3m-5m远处。


       用本方法可测室内场强(A2)和室外场强(A1),屏蔽效能为其代数差(A1- A2)。


     以天津滨海国际机场北航向台为例:机房外墙采用 40X40mm铁网, 实施了五面屏蔽。检测结果,使用中波 747kHZ信号源,室外场强-99dBm, 室内场强-125dBm,则屏蔽效能为26dB.山西万博manbetx登录手机版设备


    微电子机房采取了电磁屏蔽措施后效果十分明显,上述天津滨海国际机场北航向台 2009年完成的电磁屏蔽措施,已经将近十年再也没有遭受过雷电电磁脉冲的侵袭,保障了上百万元导航设备的安全运行。

    电磁屏蔽首次检测后,依据实际数据若屏蔽效果达不到微电子设备机房的要求,则检测单位提出整改意见,整改后的 2-3年内可不再年度测量。

     结论


    1.地铁地下车站进出口棚、接地装置接地电阻几年乃至二、三十年不会发生变化,从受检企业节省经费考虑,可减少测量点数或2-3年全面检测一次。

    2.高架站采钢板屋顶检测不必按引下线根数测量,检测四角足矣,其直击雷全面检测也可放宽至 2-3年。

    3.地铁系统特别是地下站安装的大量MOV 芯片构成的电涌保护器必须年检,测量其直流参数作好记录,不能只看看显示窗是否劣化变色了事!

    4.为防止地下站由于限压型SPD非雷击自燃,引发重大火灾事故,建议将现在安装的SPD后备保护熔断器更换为近几年研制的 SPD专用安保器,此器件雷电流通过不会动作,当 SPD短路时其1秒内切断工频电源,避免火灾发生。

    5.电磁屏蔽测量的重点应为运控中心机房、高架站弱电机房、消防控制机房,测量仪器建议选用带打印功能的频谱仪,向受检方提供测量数据,测量曲线。山西万博manbetx登录手机版设备

    6.据了解地铁系统的接触网、牵引电源多发雷击事故,这方面的雷电防护有待万博manbetx登录手机版检测部门与地铁供电部门技术商研,找到万博manbetx登录手机版安全更有效的措施。山西万博manbetx登录手机版设备


    本文的分析、意见可供地铁运营企业、万博manbetx登录手机版检测单位、地铁设计院所参考。


    
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