轨道交通高架站低压配电智能雷电防护系统设计

发布时间:2020-01-28 18:05

  现有轨道交通高架站低压配电防雷系统只能实现被动防雷功能,无在线检测功能,系统状态无法监控,维护不方便。提出一种新型智能防雷系统,通过配置雷电临近预警装置、自动升降接闪器装置、重要负荷切换控制装置,实现主动防雷;通过配置计算机终端及软件、智能电涌保护器(surge protection device,SPD)及其后备保护装置(surge circuit breaker,SCB)、在线监测型接地电阻测试装置、集中器等,实现全系统智能化,从而实现对SPD、SCB、系统接地电阻等参数在线监测,确保防雷系统有效运行,保障轨道交通高架站低压配电系统不受雷电脉冲过电压和感应过电压的危害。

  近年来,国内轨道交通行业蓬勃发展, 各一、二线城市都开始新建和扩建地铁线路。轨道交通行业是重要的社会公共事业,对安全性的要求非常高。各地铁站点的低压配电系统需对站点中的各种弱电和信号系统,如环境与设备监控系统(building automatic system,BAS) 、综合监控系统(integrated command support center,ICSC)、火灾监控系统(fire alarm system,FAS)等功能系统供电,而在这些功能系统中,越来越多采用了各种电子设备,对安全性、可靠性要求更高。轨道交通高架站是指建于地面以上位置的地铁站点。高架站配电系统不但受到雷电电磁感应的危害,还会受到直击雷的危害,防雷要求比常规地下站要高。因此,设计一个高可靠性、智能化、维护方便的防雷系统十分必要。

  2011 年7 月 23 日,甬温线动车组列车追尾事故,造成40 人死亡、172 人受伤,中断行车 32 h 35 min,直接经济损失 19 371.65 万元,是一起雷击导致设备故障后应急处置不力等因素造成的责任事故。“7.23 事故”发生的同时,对向车道厦门开往杭州的 D312 次动车同样遭雷击,致列车停驶,无人员伤亡。

  2011 年 7 月 10 日,京沪高铁曲阜、滕州、枣庄区段供电线路遭雷击,造成接触网故障,导致北京开往上海方向的 G151 次等 12 趟列车不同程度延误。

  2010 年7 月3 日,京广铁路上行线孝昌县境内的花园至卫店段,供电设施遭雷击,供电中断,致武昌发往西宁的 K642 次列车中途停车 3 h。

  2009 年 8 月 22 日,上海至杭州路段,接触网遭到雷击出现断裂,上海开往杭州的D5673 次列车晚点1 h 36 min 后发车,途中又停车近0.5 h;次日在广东东莞发生类似事故。

  2008 年 8 月 15 日,上海轨道交通 3 号线漕溪路站至虹桥路站遭遇雷电袭击,造成供电中断,全线 日,上海开往南京的 D406 次动车被雷击中,受电弓受损致列车停驶,晚点 7 min。

  2006 年8 月3 日,汉口至黄陂横店段铁路供电设施遭雷击,致该线 余趟南下客车晚点,最长达 5 h。

  2005 年5 月2 日,京广线铁路电网在广东韶关遭雷击,造成京广铁路南段20 多km 电网全线 多列火车瘫痪在铁路上。

  传统轨道交通配电系统的雷电防护会因失效及无人监管等原因造成电涌保护器带病运行,存在起火和断电等安全隐患。

  目前国内城市轨道交通的雷电防护基本采用平面、分散和被动的方案,没有将建筑物防雷装置和设备系统电气防雷装置统筹考虑,更无法实现雷电的主动防御。

  宁波地铁高架站低压配电智能雷电防护系统由计算机终端、智能 SPD 及其后备保护装置(SCB)、雷电临近预警装置、自动升降接闪器装置、在线监测型接地电阻测试装置、重要负荷切换控制装置、集中器等组成,并将数据上传至环境与设备监控系统(BAS)中,系统设计方案如图 1 所示。

  智能雷电防护系统,可通过远程集中监控智能SPD 及其后备保护装置(SCB)、雷电临近预警装置、自动升降接闪器装置、在线监测型接地电阻测试装置、重要负荷切换控制装置、集中器等雷电防护装置的工作状态,最大限度地降低电气电子设备遭受雷击的风险。SPD(电涌保护器)因其有效的瞬态泄流功能而被广泛运用在大型的关键电气系统中,但随着雷击强度的增加,SPD 会逐渐老化甚至失效。智能雷电防护系统的基本思想是利用计算机、通信和自动化技术,对现场 SPD 的各项指标(雷击次数、雷击强度、漏电流超限、劣化报警、失效状态等)进行实时监测,对现场后备保护装置 SCB 工作位状态(分闸、合闸)进行实时监测,对现场雷电临近预警装置的各项指标(电场强度、电场变化率、风速、风向、温度、湿度)进行实时监测,并对现场接地网、接地总母排引出线接地电阻、雷电峰值电流进行实时监测,并在车控中心设立综合信息管理平台,形成多媒体告警联动,为主动防雷管理提供有效的技术手段。

  集中器经总线采集智能SPD、后备保护装置SCB、雷电峰值记录仪、自动升降接闪器装置、接地电阻测试仪、雷电临近预警装置的各项指标,对数据进行基本处理后由业务网络上传至计算机终端,计算机终端系统软件可对系统中所有防雷装置设备进行监控管理;同时通过内部逻辑运算判定后输出控制指令,驱动自动升降接闪器装置,并通过专用、独立引下线和地网定向接闪泄放雷电流,达到主动雷电防护效果;驱动应急电源强启系统,达到站厅应急电源强启功能;驱动自动重合闸电操机构切断外部供电,转换为内部独立 UPS 供电,确保核心敏感设备安全运行;并将预警信息上传至BAS 系统,由运营部门启动雷电防护预案。

  系统收到雷电临近预警装置发出的一级、二级、三级预警后,联动自动升降杆实现主动接闪主动防御,并将预警信息上传至 BAS 系统,由运营部门启动雷电防护预案。

  收到一级预警信号后,计算机终端将预警信息上传到 BAS 系统,通知运营部门进入雷电预警预案程序,实时关注雷电预警状态。

  收到二级预警信号后,计算机终端将预警信息上传到 BAS 系统并输出控制信号,控制自动升降杆升高接闪器并利用独立地网和引下线,实现主动雷电防护功能,确保雷电流定向泄放,杜绝雷电流入侵、反击,确保高架站低压配电系统安全运行。同时计算机终端将预警信息上传到 BAS 系统,通知运营部门进入雷电预警预案程序,通知户外作业人员撤离,杜绝非预期的人员伤亡事故。运营人员实时关注雷电预警状态。预警解除后,输出控制信号,控制自动升降接闪器装置降低接闪器,完成本次动作。

  收到三级预警信号后,计算机终端将预警信息上传到 BAS 系统并输出控制信号,同步输出控制信号重要负荷切换控制装置控制各重要负荷的双电源开关动作,将重要负荷切换到自备电源,切断重要负荷与外电网的联系,杜绝雷电入侵重要负荷供电系统,保持负荷连续工作,保障负荷安全。预警解除后,输出控制信号,由重要负荷切换控制装置执行反向操作,重新将各重要负荷接入外电网,恢复正常运行状态。

  自动升降接闪器装置在接到系统二级、三级防雷预警时,自动升起接闪器,并通过专用、独立引下线和地网定向接闪泄放雷电流,达到主动雷电防护效果。当防雷指令解除后,自动操作降低接闪器。

  自动升降接闪器装置在系统中的安装数量可按需要配置多套,分布于建筑物边缘。既可达到较好的防雷效果,也可兼顾建筑物整体外观,不致于降低建筑物的美观程度。

  重要负荷切换控制装置由 PLC 及其控制程序组成,PLC 通过 RS485 总线与计算机终端连接。当计算机终端根据雷电预警级别情况发出重要负荷切换指令后,由 PLC 输出控制接点到相应的低压配电系统的双电源切换装置。双电源切换装置动作,把重要负荷切换到自备电源,自备电源有 UPS、快速发电机等,从而彻底将重要负荷与外网断开,保障重要负荷的系统安全和设备安全。当雷电预警解除后,重要负荷切换控制装置执行相反的操作,将重要负荷重新接入电网系统,恢复正常运行状态。

  依据文献[7]规定,SPD 回路前端应串联过电流保护装置,防止因 SPD 异常引起接地漏流急剧增大或者SPD 出现短路造成设备损坏或人员伤亡。配备 SPD 专用后备保护装置(SCB),确保在雷电通过时不误动作,保证防雷持续有效。而当线路出现由暂态过电压或SPD 劣化引起的大于 3A 的工频持续电流时速断,防止 SPD 起火。装置配有附加遥信开关,系统可监测每路装置的工作位置,发生变位后立即输出告警信号,系统将自动切换到相应的监控界面,同时产生报警事件进行记录存储,并第一时间上传至 BAS 系统告知运营部门。

  根据 GB/T 21431—2015 第 5.8.5.2.条,实时监测每组 SPD 中每相模块的微安级漏电流变化,实时监测SPD 遭受雷击后的漏电流变化情况,从而判断 SPD 的劣化程度。系统可对监测到的微安级漏电流值以及变化率设定越限阈值(包括上下限),一旦发生越限,说明该 SPD 模块已劣化,系统将自动切换到相应的监控界面,同时产生报警事件进行记录存储,并第一时间上传至 BAS 系统告知运营部门。通知维护人员对 SPD进行检查或更换,实现 SPD 的动态维护功能。SPD 劣化分析工作,改变了SPD 维护工作的常规模式,SPD在运行维护人员面前,不再是一个黑闸子,使系统内SPD 始终处于有效状态,保障系统的安全。

  实时监测 SPD 工作状态,一旦 SPD 出现热脱扣现象(识别模式为每一级模块),SPD 本地失效状态指示由绿变红,并输出遥信信号,发出报警。系统将自动切换到相应的监控界面,同时产生报警事件进行记录存储,并第一时间上传至 BAS 系统告知运营部门,可准确显示系统中全部 SPD 的每个模块的工作状态。

  实时监测 SPD 的累计被雷击的次数及雷电峰值监控,记录参数包括浪涌电流峰值大小、正负极性、发生时间等,从而为SPD 的寿命预测提供依据。系统中可以对 SPD 的总动作次数和峰值进行设置,当雷击计数和雷击强度达到告警值时,输出告警信号。系统将自动切换到相应的监控界面,同时产生报警事件进行记录存储,并第一时间上传至BAS 系统告知运营部门。

  实时监测 SPD 电网电压及环境温度,为系统提供分析和维护参考。一旦出现SPD 当前电网电压和环境温度超限,系统将自动切换到相应的监控界面,同时产生报警事件进行记录存储,并第一时间上传至 BAS系统告知运营部门。

  通过实时监测车站接地网、接地总母排引出线接地电阻,在具有接地回路场合采用双线圈自激励测量接地电阻,没有接地回路的采用长线三点测试法,可监测到地网电阻值并可设定越限阈值,一旦发生越限报警,系统将自动切换到相应的监控界面,同时产生报警事件进行记录存储,并第一时间上传至 BAS 系统告知运营部门。地网电阻测量由周期检测改变为实时监测,动态实时监测地网电阻,确保雷电泄放通道顺畅、可靠,系统地电位安全、可靠运行。

  4.7 TD490 串行通信总线 总线是由工业总线改进的技术,具有Device-Net 工业总线特征,具有低成本、高效率、高可靠性、抗干扰强等独特的优点,解决了 RS-485 总线系统在终端出现问题等待上级管理站查询发现的被动和查询速度慢的问题,特别适用于建筑电气低压开关设备与控制设备、防雷装置通信系统。采用非破坏性逐位仲裁机制实现按优先级发送信息,当两个或多个终端同时访问网络时,这种机制会解决潜在的冲突,而不会损失数据或浪费带宽。支持对等、多主或主/从通信结构,故障情况报告和故障诊断,是典型的请求-响应通信方式。

  上述 4.1~4.6 节所获得的各单元运行信息,都可以通过界面软件供用户查询,主要包括各种报警记录查询、雷电预警记录查询、气象信息查询、在线监测型接地电阻测试装置、重要负荷切换控制装置动作信息查询、SPD 状态信息查询、SPD 电压和温度信息查询、SPD 劣化数据查询、后备保护器动作记录查询等。其中SPD 劣化数据记录查询,直观显示SPD 剩余寿命数据,可查询年、188金宝搏,月为时段的历史数据及具体时间的参数值(包括最大值、最小值),并可将历史数据导出为 Excel格式,方便运行维护人员全面了解SPD 的运行状况。

  设计方案通过对轨道交通新型雷电综合防护系统的创新技术开展研究,重点解决供电、通信设施在强雷电或者强电磁脉冲情况下能够正常工作的问题,杜绝电气设备安全隐患,提高列车运行的安全性与可靠性,避免因雷电造成设备和人身的损害以及列车的停运,保障社会公共安全和人民生命财产安全,对轨道交通建设和运营具有积极的社会效益和经济效益。

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