城市轨道交通系统的防雷保护

法拉第

引言 1863年第一条地铁线路的出现和1888年美国第一条有轨电车线路的建成，标志着城市交通进入轨道交通时代。经过诞生和初始发展阶段(1863年—1924年)、萎缩阶段(1924—1949年)、再发展阶段(1949—1969年)、高速发展阶段(1970年—至今)，当今世界各大城市和特大城市都确立了公交优先，轨道交通是公交骨干的政策。 随着现代化新技术不断地涌现，更多的自动化控制系统被应用到轨道交通系统中，为轨道交通运营效率、运行速度的提高提供了有力的技术保障。在自动化系统不停的更新换代中，运用了越来越多的高精密、高速度处理系统，在系统性能的提升和不断的能耗控制需求下，设备内部器件的功耗与工作电压越来越低，随之而来的是系统的抗干扰能力大幅度下降，系统的安全性变得越来越脆弱。在运行中，由于雷电波侵入、电力系统故障、线路和车站中的电磁环境相对复杂等原因产生的过电压，在一定程度上对系统的稳定运行产生了不利影响。特别是近些年来，由于城市土地资源的稀缺和工程造价的降低，在发展的城市轨道交通系统中，高架线和地面线占了相当大的比重。线路、车站及辅助系统设备大量安装于地面以上，同时，系统中各站点与控制中心之间相互连接的各类网络、通讯系统的大量应用使得雷电电磁脉冲对系统安全运行的影响日益突出。 本文中，我们以目前在系统中普遍使用的自动化运行控制系统为重点研究对象，讨论轨道交通系统的过电压防护与接地。 城市轨道交通系统是由多个分别完成不同功能的子系统所构成的，按不同的系统性质可分为：基础设施和控制系统两大部分。基础设施包括线路、车辆、车站等，控制系统由电气、通信、信号、运行组织、客运组织等几部分组成。 2 按雷电电磁环境分区 按线路及车站所处的位置不同，可将轨道交通分为地下线（站）和地面线（站）两大类。 地下线（站）由于在建设时按城市总体规划要求，考虑地面建筑物、工程地质等因素来确定。浅埋比较经济，乘客进出方便，一般离地面10～15m；深埋投资较大，施工也较困难，但对地面正常活动无影响，一般埋深为30～50m。地下线路、车站结构采用钢筋混凝土浇筑而成，钢筋在施工中相互之间采用焊接或绑扎等工艺形成了良好的电气连接，金属网格密集，成为了电磁屏蔽效果非常好的“法拉第笼”结构，对外界空间的雷电电磁脉冲有非常理想的抵制效果，站内人员及设备处于LPZ1或更高的防雷区内。同时，除站厅外，几乎全部设施处在地面下，被雷电直接击中的可能性为零。 地面线（站）根据线路所经过地区的地理、地貌、建筑情况的不同，雷击的风险情况也不尽相同。例如在北京，地面线和地面站通常是位于市区繁华地带以外或郊区，为解决与地面交通的交叉与相互影响问题，多是以高架线和车站的形式出现。这种情况无疑使线路和车站处于所经过地区相对较高的空间位置，同时由于轨道交通全线应用电力驱动、牵引的方式提供车辆动力，多种因素综合起来增加了线路、车辆及车站遭受雷电的概率，更有可能受到直击雷的袭击。 除雷电因素影响人员和系统的安全外，轨道交通系统自身引起的电磁环境污染也是对系统内设备产生干扰、影响系统运行可靠性的重要原因之一。比如，一个运行在闹市周边地区的直流电气牵引系统，以其宽频谱、各种骚扰途径（传导、感应、辐射）俱全的特点恶化（或说污染）了所在区域的电磁环境；杂散电流使通信导线与附近大地形成电位差，除腐蚀地下管线外，还会在接地的通信设备机架上形成高电位，危及设备和人员的安全；受电弓（靴）产生的电猝发与浪涌成为城市杂波的重要组成部分，对附近的信息设备和精密仪器造成骚扰，接触导线还是车辆内高次谐波的发射天线，电磁辐射污染了近距离的电磁环境。 图1 3 防护重点 3.1 直击雷防护 对地面的站厅建筑进行保护，原则依据《建筑物防雷设计规范》GB50057-94 2000年修订版中对于建筑物防雷分类的计算方法对地下线路的地面站厅建筑物做防雷分类的确定，按防雷类别对应的直击雷防护措施做好相应的设计，具体方法在此不再展开讨论。 对于地面站和高架站的一些特殊情况，在保证建筑自身不受雷击的同时更重要的是要保证站内人员的人身安全。地面站往往因长、宽的跨度比较大，考虑外观造型美观等因素，多采用了钢结构支撑建筑屋顶、钢结构在站内外露或与其他金属物连接的做法。而钢结构自身并不是全部直接埋入地下，有时无法确认其接地是否可靠。因此，对这些地面站和高架站除利用结构或另设接闪器做好接闪外，应设置可靠的专用引下线并与车站的综合接地系统做好连接，确保引下线与站内、外的人员有足够的绝缘强度和安全距离。 3.2 接地与等电位连接 在轨道交通系统中，设备最为集中的车站通常在建设中采用地下建筑的钢筋混凝土结构作为基础接地，整体地下建筑、隧道等都通过相互连接的钢筋形成自然的接地体，有效地保证了系统接地符合接地阻值的需要，同时为各机房设备、现场设备提供了方便的接地途径。地面站也会通过建筑的基础装置形成自然接地，并在地面建筑内设置等电位端子排。作为系统内安全保护和设备正常工作的重要基础组成部分，一旦接地的金属材料腐蚀或意外断开将使局部接地受到影响，使系统的接地电阻值升高甚至造成悬浮地。为保证接地系统的可靠性，应在系统建设时对接地材料采取必要的防腐蚀措施，例如针对杂散电流的影响采取阴极保护措施、在接地距离系统设备较近的位置增设耐腐蚀能力强的新型接地材料和降阻防腐材料，如近年新引入国内的镀铜钢接地产品和配套的长效防腐降阻剂（但在选用镀铜钢产品时应首先做好钢轨、系统钢结构等“阳极”材料的保护）。 一般在系统的建设过程中，按设计在设备机房和现场设备处预留多个接地端子供设备接地，但往往没有设置完善的等电位连接网络，在雷击电磁脉冲侵入系统时，将会造成系统设备之间的电位差，从而击穿设备间的绝缘造成设备故障，影响系统设备的稳定运行。因此，作为现代防护重要技术核心的等电位连接是轨道交通设备保护中的重点，它同样对人员的人身安全保护起到重要作用。等电位连接网络一般分为S型和M型两种，前者适用于小范围内、设备集中、系统进出线位置集中的局部系统，而后者适用于占地面积大、工作频率高、设备分散、系统进出线分散的复杂系统。根据轨道交通的系统结构特点，大多数情况更适用于使用M型等电位连接网络，通常的做法是在设备机房内地面设置密集的网格型金属连接网（使用薄铜带，更有利于高频脉冲电流的通过），并在多处与联合接地装置连接，需要等电位连接和接地的设备以最短的途径与铜带连接。 3.3 雷电电磁脉冲的防护 随着轨道交通行车间隔的缩短，依靠人工控制车速的传统运行方式已经不能满足需要，轨道交通的运行、控制已经由早期的人工操作过渡到了全线自动化、计算机控制的阶段。对于线路、车站设备的保护重点是系统机电设备和通信系统，由自动售检票系统（AFC）、火灾报警系统（FAS）、环境与设备监控系统（BAS）、视频监控系统（CATV）、轨道交通线网指挥中心（TCC）、屏蔽门控制系统、供电系统（SCADA）、通信系统、旅客信息系统（PIS）、行车管理与控制系统等多个结构、相互关系错综复杂的子系统组成。考虑电磁脉冲对系统的运行可靠性影响，必须从各个子系统间的关系及各自特点入手，在做好系统接地保护和等电位连接的基础上，综合运用分流、屏蔽、端口保护等措施解决系统中可能受雷电电磁脉冲干扰的因素，达到整体解决防雷与防电磁脉冲的目的。 4 机电与通信系统的保护 轨道交通的机电与通信系统主要集中体现于车站及控制中心或线路中心等场所，车载系统安装于列车内部，与车站系统及控制系统之间通过各种传感设备及无线通信完成信息的传递。我们在此仅讨论车站及控制中心等车下机电与通信系统的过电压保护。 4.1 供电系统 轨道交通的运行依赖于供电系统，可以说供电系统是整个轨道交通系统中最为重要的部分。供电变电站按功能划分主要有4种类型：主变电站、牵引变电站、降压变电站和跟随变电站。主变电所将110kV电网电压降为35kV，给牵引变电站和降压变电站供电（电压等级仅为参考值，进口一次设备可能略有差异，以下同）；牵引变电站则是将35kV交流电经变压器、整流器转换为直流1500V/750V，给接触网/接触轨供电；降压变电站则是将35kV电网电压降为400V，提供车站的动力和照明电源，同时也是跟随变电站的进线电源；跟随变电站无变压器，是降压变电站400V侧在地理上的延伸，是为离降压变电站较远的设备供电。 供电系统应用遍及轨道交通系统的各个角落，从上千伏的牵引电压到几十伏的弱电系统设备直流供电都依赖于供电系统的正常运行，包括控制中心、车站在内的机电系统设备及通信设备的工作都离不开电源。而系统中因雷击、电磁脉冲等原因引起的过电压随着供电系统的回路传导到系统中的不同位置，线路上的过电压对设备的安全运行将产生不同程度的影响。因此，无论在系统中的任何位置，供电系统的过电压保护都是必不可少的重要组成部分。 按供电系统进入各用电位置的路径以及针对具体的用电设备所处的电磁脉冲防护分区的原则，通常是按不同的电压等级、雷电分区界面位置等因素来考虑相应的过电压防护措施。 (1) 高压部分：110kV、35kV的主变电站和牵引变电站。 按城市供电系统高压配电规范在高压配电系统中及线路一次回路中设置高压氧化锌避雷器。高压部分不在此详细讨论。 (2) 直流牵引接触网：750V或1500V直流接触网或接触轨。 地面接触网：一般按线路的架设方式在地下隧道两端、为地面接触网供电的电源隔离开关处以及地面线、高架线每隔500m设置与接触网电压等级相适应的避雷器； 架空接触网：在地面线及高架线上，凡是架空的接触网每隔200m设置一组火花间隙型避雷装置； 避雷装置的接地：避雷装置的工频接地电阻不大于10Ω，并通过专用引下线直接接地。 (3) 低压电源系统： 由每个降压变电站至供电线路区间每一个供电区域（各控制机房、车站等）的低压电源电缆均在进入供电区域建筑前采取埋地敷设的方式，并在每处电缆井内将电缆金属铠装层做好接地处理； 电缆进入建筑物或车站的位置将电缆铠装层与建筑的综合接地装置做好等电位连接。并在进入建筑的第一个隔离开关处设置第一级低压电源SPD作保护。SPD的选择需要根据当地的雷暴数据以及计算得到的建筑物防雷等级（防雷类别及电子信息系统防雷级别），选用通流量足够大的产品。一般可考虑选用不小于15kA通流量10/350μs短路电流测试的开关型SPD，或选用最大通流量在100kA以上的8/20μs短路电流测试的限压型SPD。 由总配电柜输出的电源线必须按TN-S接地保护制式的原则布线，并利用金属封闭、接地可靠的桥架敷设，金属桥架保证电气连接可靠，两端做好接地处理。如选用铠装电缆，还需要将铠装层在两端做好接地，以屏蔽雷击或站区内电磁脉冲辐射造成的干扰电磁场。 在每个二级配电装置处设置电源二级SPD。一般通流量按标称40kA（8/20μs）选用，地下线（站）的可考虑适当降低通流量标准至20kA（8/20μs），以降低工程成本。SPD的最大持续工作电压Uc不宜低于385V，以避免因启动电压低而受动力设备的启动或停机引起的线路电压波动影响造成SPD频繁动作而影响其使用寿命；SPD的电压保护水平Up应尽量低，一般以不高于2kV为宜（按一般民用电器耐冲击电压水平2.5kV的80%考虑）。配电线路各种设备耐冲击过电压额定值如表1。 等电位连接网络一般分为S型和M型两种，前者适用于小范围内、设备集中、系统进出线位置集中的局部系统，而后者适用于占地面积大、工作频率高、设备分散、系统进出线分散的复杂系统。根据轨道交通的系统结构特点，大多数情况更适用于使用M型等电位连接网络，通常的做法是在设备机房内地面设置密集的网格型金属连接网（使用薄铜带，更有利于高频脉冲电流的通过），并在多处与联合接地装置连接，需要等电位连接和接地的设备以最短的途径与铜带连接。 3.3 雷电电磁脉冲的防护 随着轨道交通行车间隔的缩短，依靠人工控制车速的传统运行方式已经不能满足需要，轨道交通的运行、控制已经由早期的人工操作过渡到了全线自动化、计算机控制的阶段。对于线路、车站设备的保护重点是系统机电设备和通信系统，由自动售检票系统（AFC）、火灾报警系统（FAS）、环境与设备监控系统（BAS）、视频监控系统（CATV）、轨道交通线网指挥中心（TCC）、屏蔽门控制系统、供电系统（SCADA）、通信系统、旅客信息系统（PIS）、行车管理与控制系统等多个结构、相互关系错综复杂的子系统组成。考虑电磁脉冲对系统的运行可靠性影响，必须从各个子系统间的关系及各自特点入手，在做好系统接地保护和等电位连接的基础上，综合运用分流、屏蔽、端口保护等措施解决系统中可能受雷电电磁脉冲干扰的因素，达到整体解决防雷与防电磁脉冲的目的。 4 机电与通信系统的保护 轨道交通的机电与通信系统主要集中体现于车站及控制中心或线路中心等场所，车载系统安装于列车内部，与车站系统及控制系统之间通过各种传感设备及无线通信完成信息的传递。我们在此仅讨论车站及控制中心等车下机电与通信系统的过电压保护。 4.1 供电系统 轨道交通的运行依赖于供电系统，可以说供电系统是整个轨道交通系统中最为重要的部分。供电变电站按功能划分主要有4种类型：主变电站、牵引变电站、降压变电站和跟随变电站。主变电所将110kV电网电压降为35kV，给牵引变电站和降压变电站供电（电压等级仅为参考值，进口一次设备可能略有差异，以下同）；牵引变电站则是将35kV交流电经变压器、整流器转换为直流1500V/750V，给接触网/接触轨供电；降压变电站则是将35kV电网电压降为400V，提供车站的动力和照明电源，同时也是跟随变电站的进线电源；跟随变电站无变压器，是降压变电站400V侧在地理上的延伸，是为离降压变电站较远的设备供电。 供电系统应用遍及轨道交通系统的各个角落，从上千伏的牵引电压到几十伏的弱电系统设备直流供电都依赖于供电系统的正常运行，包括控制中心、车站在内的机电系统设备及通信设备的工作都离不开电源。而系统中因雷击、电磁脉冲等原因引起的过电压随着供电系统的回路传导到系统中的不同位置，线路上的过电压对设备的安全运行将产生不同程度的影响。因此，无论在系统中的任何位置，供电系统的过电压保护都是必不可少的重要组成部分。 按供电系统进入各用电位置的路径以及针对具体的用电设备所处的电磁脉冲防护分区的原则，通常是按不同的电压等级、雷电分区界面位置等因素来考虑相应的过电压防护措施。 (1) 高压部分：110kV、35kV的主变电站和牵引变电站。 按城市供电系统高压配电规范在高压配电系统中及线路一次回路中设置高压氧化锌避雷器。高压部分不在此详细讨论。 (2) 直流牵引接触网：750V或1500V直流接触网或接触轨。 地面接触网：一般按线路的架设方式在地下隧道两端、为地面接触网供电的电源隔离开关处以及地面线、高架线每隔500m设置与接触网电压等级相适应的避雷器； 架空接触网：在地面线及高架线上，凡是架空的接触网每隔200m设置一组火花间隙型避雷装置； 避雷装置的接地：避雷装置的工频接地电阻不大于10Ω，并通过专用引下线直接接地。 (3) 低压电源系统： 由每个降压变电站至供电线路区间每一个供电区域（各控制机房、车站等）的低压电源电缆均在进入供电区域建筑前采取埋地敷设的方式，并在每处电缆井内将电缆金属铠装层做好接地处理； 电缆进入建筑物或车站的位置将电缆铠装层与建筑的综合接地装置做好等电位连接。并在进入建筑的第一个隔离开关处设置第一级低压电源SPD作保护。SPD的选择需要根据当地的雷暴数据以及计算得到的建筑物防雷等级（防雷类别及电子信息系统防雷级别），选用通流量足够大的产品。一般可考虑选用不小于15kA通流量10/350μs短路电流测试的开关型SPD，或选用最大通流量在100kA以上的8/20μs短路电流测试的限压型SPD。 由总配电柜输出的电源线必须按TN-S接地保护制式的原则布线，并利用金属封闭、接地可靠的桥架敷设，金属桥架保证电气连接可靠，两端做好接地处理。如选用铠装电缆，还需要将铠装层在两端做好接地，以屏蔽雷击或站区内电磁脉冲辐射造成的干扰电磁场。 在每个二级配电装置处设置电源二级SPD。一般通流量按标称40kA（8/20μs）选用，地下线（站）的可考虑适当降低通流量标准至20kA（8/20μs），以降低工程成本。SPD的最大持续工作电压Uc不宜低于385V，以避免因启动电压低而受动力设备的启动或停机引起的线路电压波动影响造成SPD频繁动作而影响其使用寿命；SPD的电压保护水平Up应尽量低，一般以不高于2kV为宜（按一般民用电器耐冲击电压水平2.5kV的80%考虑）。配电线路各种设备耐冲击过电压额定值如表1。 在网络、计算机、监控、通信以及现场设备配电装置处或设备前端最靠近设备的位置设置电源第三级SPD。此处的SPD通流量不必考虑过大，一般5-10kA（8/20μs）即可。最大持续工作电压可按320V选用，Up值控制在1.2kV以下（按需要特殊保护的设备耐冲击电压水平1.5KV的80%）。对冲击过电压耐受能力极差的设备应根据其可耐受极限冲击电压的80%设置特殊的末级SPD保护。 由开关电源和DC/DC供电设备提供直流低压电源的设备，在设备电源端口处按电压等级设置直流SPD，以确保直流部分不受电磁脉冲干扰的影响。 为确保供电系统不致因SPD的损坏、劣化形成的器件自身击穿、短路等状况引起供电系统发生跳闸断电的事故，所有SPD均并联于供电回路与PE间安装，并在SPD回路中串联具有熔断标识的熔断器或空气开关。 电源系统SPD安装位置如图2所示。 4.2 自动售检票系统（AFC） AFC系统是现代轨道交通系统中用于自动售票、自动检票和自动统计、结算的一系列设备所构成的系统，它集成了机械、电子、计算机网络、通信及财务管理等多功能于一体的控制系统和信息管理系统。通常由LC（线路中心）设备和SC（车站）设备、站厅现场设备、相关附属系统（如培训中心、维修中心等）组成。系统功能的实现主要基于计算机网络的通信功能，因此，对AFC系统的保护除按供电系统的保护原则做好设备电源的过电压保护及等电位连接外，重点是需要对系统设备、现场设备间的通信端口按接口类型、端口数量、网络信号传输速率等技术参数选择性能指标相匹配的信号保护产品，例如网络RJ45接口的单口或机架式SPD。 保护重点：LC（线路中心）、SC（车站设备）、现场设备、维修中心、培训中心。 以上各位置的保护除设备供电按网络设备做到通流量与电压保护水平达标的电源保护外，重点为车站网络交换机、站厅交换机、计算机、服务器、闸机、自动售票机、半自动售票机、验票机、补票机等设备的RJ45电通信接口，根据设备处的网络端口密集程度选择安装集成型多端口或普通单端口的网络用SPD，如LEO-SH24或LEO-S-RJ45。通常，除各节点系统与通信系统接口采用千兆传输外，在各车站及线路中心内部的AFC网络系统传输速率采用10M或100M，使用非屏蔽五类线传输。在车站，特别是在地面站或高架站，站内的电磁环境受到车辆运行的影响或雨季雷电电磁脉冲的影响，不利于非屏蔽信号传输线内信号的正常传输。因此，应使用屏蔽网络传输线或使用金属线管敷设网络传输线，将屏蔽层或金属线管两端做好接地处理，利用线缆屏蔽层或金属管的电磁衰减效应起到对干扰信号的抑制。同时，注意线缆的敷设路由，使之与交流电源线路之间保持足够的安全距离（平行方向净距＞1m，交叉净距＞0.3m），避免交流电源对信号线的干扰。 4.3 火灾报警系统（FAS） 火灾是对轨道交通，特别是地下线路及车站安全运行的重大威胁之一，火灾报警系统对地铁的安全运行、特别是对地铁内大量人员的人身安全至关重要。 火灾报警系统由中央级设备、车站级设备及网络系统组成。系统中的探测点分布在站厅、站台、设备用房和管理用房等处，对修护区域进行火灾监视；系统中的自动灭火系统布置在重要的设备房，实现全天候的火灾监视及自动喷气灭火功能。 中央级系统设备由命令中心GCC组成，一般包括两台图形命令中心，一个主时钟的接口设备。主时钟设备通过RS232协议通信接口与FAS系统连接，通过FAS网络将时钟同步信号传送到各个车站，实现全线各站点的时间同步。各站点的火灾监控信号通过网络传输到中央系统设备的图形命令中心，供调度人员直观地观察到各站点的火灾报警情况及报警位置。系统设备除电源外，主要是与时钟系统连接的RS232接口及网络系统接口，是FAS中央设备防护电磁脉冲的重点。 车站级设备主要由控制盘、车站级图形命令中心及各种外围设备组成，实现监视和消防联动的功能。控制盘是整个车站FAS系统的控制中心，综合处理各种数据信息，做出火警判断，发出报警信号，并启动消防设备动作并监视其工作状态。设备的工作电源通常为220V低压电源，并在控制盘设备中提供给其他消防系统设备用的24VDC电源。 控制盘与消防系统内的各种功能的外围设备通过回路卡、通信卡、音频卡和消防电话主机等连接，采集各个报警点的火灾监视数据（如烟感探头、手动报警器、温度感应器等）；通信卡通过RS232接口与现场机电设备监控系统连接，并通过光纤、网络或RS485协议与中央级系统设备间传输信息与控制信号；音频卡提供音频总线，应用于消防广播，发生火警时可自动播放报警信息，指导站区内的乘客疏散，同时可自动通过消防电话系统与消防部门及时取得联系。 FAS消防系统控制盘、外围设备之间多通过RS232、RS485等传输协议与接口完成数据通信，同时以光纤或RS485、RJ45等传输方式与中央系统完成现场监视信号及中央系统控制数据信号的传输。对设备的过电压保护，应重点由以下几方面着手： （1）站区现场线路的合理布线，包括采取完善的屏蔽措施； （2）完善中心控制机房的设备等电位连接及进出线在出入口处的等电位连接； （3）低压电源及直流电源按电源过电压保护的原则安装保护水平与系统设备相适应的并联型SPD，避免选择串联型产品，防止SPD故障造成系统内设备供电中断； （4）在弱电通信的主要设备的各通信接口处安装通信协议、接口类型与现场设备相符的信号SPD，如LEO-S-RS232、LEO-S-485DC、以太网络、专线电话等类型的产品。特别是作为核心设备的中央系统主机和车站控制盘的所有接口均应做好对应的过电压保护措施。 4.4 环境及设备监控系统（BAS） 环境监控系统是在车站站厅、站台、隧道、设备间、管理工作区等处控制全线车站及区间的环境控制，以及其它机电设备安全、高效、协调的运行，保证地铁车站及区间环境的良好舒适，产生最佳的节能效果，并在突发事件（如火灾）时指挥环控设备转向特定模式，为地铁乘车环境提供安全保证的自动化系统。 一套完整的BAS系统主要可以完成以下功能： （1）监控并协调全线各车站及OCC大楼通风空调设备、冷水系统设备的运行。 （2）监控并协调全线区间隧道通风系统设备的运行。 （3）对车站机电设备故障进行报警，统计设备累积运行时间。 （4）对全线环境参数（温、湿度）及水系统运行参数进行检测、分析及报警。 （5）接收地铁防灾系统（FAS系统）火灾接收报警信息并触发BAS系统的灾害运行模式，控制环控设备按灾害模式运行。 （6）通过与信号ATS接口接收区间堵车信息，控制相关环控设备执行相应命令。 （7）紧急状况下，可通过车站模拟屏控制环控设备执行相关命令。 （8）监视全线各站及隧道区间给排水、自动扶梯等机电设备的运行状态。 （9）管理资料并定期打印报表。 （10）与主时钟接口，保证BAS系统时钟同步。 BAS系统中央级工作站与车站级工作站之间依靠以太网络主干线光缆传输，车站内部及中央工作站内部的控制采取ControlNET光纤环网，实时数据通信。系统内温度、通风、空调、给排水等一系列现场控制单元（PLC）与车站工作站主机间通过网络传输及工业通信传输协议完成信息数据的采集与控制的实现。 在过电压防护方面，重点对工作站的主机做好电源方面的保护，同时在机房内做好等电位处理。在控制设备单元处做好电源防护（包括低压交流和直流），确保电源的过电压保护水平低于设备耐冲击电压水平的80%；各设备的传输电信号接口需按接口类型、传输协议、电压等级的不同选用信号类SPD，主要是RS485、RS232、以太网等类型的产品；PLC等现场控制单元的保护接地端子、SPD的保护地线等与现场接地系统做好等电位连接；现场控制单元与各操作机构、传感器之间的通信线使用屏蔽线或穿金属管布线的施工工艺，加强系统的抗干扰能力。 4.5 视频监控系统（CCTV） 视频监控系统是轨道交通车站治安防范及紧急事件处理的重要信息来源，系统将车站内外各重点安全防护的位置图像以实时监测的方式传输至车站监控中心，并在系统中进行记录，同时将数据传输到控制中心。 监控系统主要由以下几部分组成：前端图像采集设备（各种类型摄像机）、视频矩阵、硬盘录像机、控制台、视频监控墙、传输回路等。其中，除前端图像采集设备外，其他系统设备集中于车站监控机房内。前端摄像机接口由电源供电线（监控机房集中供电或现场就近取电）、控制线（云台或球机）、视频信号线（同轴或双绞线）组成，可能引入过电压的途径也集中于这几个方面，除摄像机的接地需做好外，重点对这几条线路做过电压的保护措施，考虑前端设备安装的位置多数没有足够的安装空间分别安装各种类型的SPD，可选用视频监控专用的多合一保护产品集中对摄像机端口完成保护，如LEO-S-BNC+2。 监控主机房内的保护重点在于机房内设备的等电位连接和电源的多级保护措施的基础上对站厅内接入的控制线、信号线按其类型选用信号SPD产品做好过电压的防护。如控制线选用RS485电涌保护器，信号线选用同轴BNC接口或以太网RJ45接口的保护器等。对于信号集中的硬盘录像机或视频矩阵，可选用多个端口集成的机架式保护器，如LEO-SH24/BNC75。监控系统与专用传输网络系统间的通信线选用与传输速率、接口等参数相匹配的信号保护产品，主要是百兆或千兆以太网保护器。 4.6 警用与民用通信系统 轨道交通中的通信系统是整个机电系统运行、实现内外通信以及所有信息向控制中心、其他各站之间完成互通的核心系统，可以说没有一个完善、可靠的通信系统就不可能实现轨道交通高速、安全运转的目的。 现代轨道交通通信系统通常采用的是以光传输为载体的自愈环网，它将控制中心、车站、线路中心、车辆段等系统组成部分相互连接成为一个整体系统。光缆环网在过电压保护方面除尽量埋地敷设以及对光缆金属芯和护层做好绝缘或接地处理外，并不需要针对光缆做特殊的保护，仅在少数雷电灾害严重、雷暴强度大的空旷地区考虑在埋地的光缆上方增加排流线的方式加强保护效果。 在通信系统中，主要包括网络通信、语音通信、数据传输、移动通信等，针对不同的通信方式，应采取相对应的过电压保护措施。 网络通信：主要是在网络系统的核心设备——各层交换机处以及重要的现场终端设备处采取过电压保护措施，做好等电位连接和端口的过电压保护。 语音和数据通信：对地铁调度电话系统、公务/专用电话系统等语音系统的核心设备——程控交换机和重要的专线电话、传真机等安装电话系统专用的配线架式过电压保护器或单线过电压保护器，同时将系统中不使用的空线对在配线架处做好接地处理，有条件的采取屏蔽措施降低感应过电压的强度。 移动通信：由于无线信号无法穿透大地到达地下，移动通信通常以光缆或微波的方式将通信信号接入地下车站（地面站及地面其他单位不需单独接入），通信系统由移动交换机、基站、中继器、漏泄同轴电缆、车载台、便携台和有线传输通道组成，在地下车站及隧道中的传播采用漏泄电缆，车站站厅则利用室内天线，过电压保护的重点是对基站、固定台、交换机等固定设备的电源及馈线、信号接口加装过电压保护装置：在电源部分采用交流多级保护、直流电源保护措施使设备供电端口不受过电压的冲击，在交换机、固定台的馈线接口前安装馈线接口、频率、带宽与系统匹配的馈线保护器（如LEO-M系列）等。同时，在设备所在机房内做好设备的等电位连接处理。 4.7 乘客信息系统（PIS） 乘客信息系统是依托多媒体网络技术，以计算机系统为核心，以车站和车载显示终端为媒介向乘客提供信息的系统，它是集现代多媒体显示、视频广播、多媒体广告等多种技术手段为一休的系统，可以通过从轨道交通相关的系统中自动取得信息，并根据不同的环境特点在不同的位置显示不同的信息内容。 从控制功能上分可分为信息源、中心播出控制层、车站播出控制层和车站播出设备四部分，通过综合网络系统或无线系统传输信息数据，其中，中心播出控制层通过综合主干网（环网）将数据传输至车站，通过车站的播出控制层对信息进行分类并在不同的信息显示点显示，在车站查询系统中还可通过控制触摸屏达到人机互动；数据还通过无线集群系统以无线的形式向列车中传输信息，通过列车的车载控制系统在车厢内的显示屏上显示出有关信息。 对系统的过电压保护重点在于控制中心、车站的内部网络与系统设备间的电接口的过电压防护，无线集群系统无线电信号收发天线馈线与设备的接口保护。同时，按电源供电系统的保护原则对电源部分安装适当的SPD，系统设备安装时做好等电位接地处理。 4.8 列车运行自动控制系统（ATC） 列车运行自动控制系统ATC主要由列车自动防护子系统ATP、列车自动驾驶子系统ATO、列车自动监控子系统ATS组成。 ATP系统是ATC系统的核心，是安全行车的有力保障，通过各种传感器、信号接收装置对行车信号的处理完成对车辆速度、停车及车门的控制。它由车载装置、地面装置和传输通道组成，地面装置主要由轨旁设备、ATS运行控制中心、联锁计算机和用于无线通信的轨旁通信控制单元组成，车载装置与地面装置间通过无线电信号传输控制信号。 ATO系统主要实现“地对车的控制”，由控制中心发出指令自动完成对列车的控制，使列车按最佳的工况正点、安全、平稳运行，在正常情况下实现高质量的自动驾驶，提高列车运行效率。 ATS系统是监督和控制列车按运行图运行，使列车运行最佳化和稳定化的控制系统。ATS系统由基于计算机网络系统的设备、现场设备和车载设备组成。 对整套ATC系统的安全防护重点在于对各子系统的现场设备及与之相连接的机房设备的端口过电压保护，除电源外重点在于传感器自身与计算机控制系统的连接线两端的保护措施，以及线路的布线防电磁干扰的措施方面，如在传感器信号线两端安装LEO-S-RS232或LEO-S-485DC系列数据线保护产品，同时完善传感器信号线的电磁屏蔽措施。 4.9 站台屏蔽门控制系统 站台屏蔽门系统是一项集机械、通信信号、机电设备监控等专业为一体的轨道交通新技术，它布置在车站站台的边缘，将列车与站台候车区隔离。 屏蔽门由门体、门机、电源和控制系统构成。其中，门体是机械结构，多由金属材料与钢化玻璃制成；门机是控制门体开关的驱动机构，由直流电机作为驱动动力源，通过门控单元（DCU）控制，从而完成对门体开、关的过程进行加速和制动控制；电源由驱动电源UPS、控制电源UPS、控制电源变压器、驱动电源屏、门机内的就地供电单元组成；控制系统主要由中央控制接口盘、中央监视系统、站台端头、端尾控制板、紧急控制板和就地手动操作盒组成，系统通过控制单元和各种感应、传感设备确认列车停车位置是否到达定位点，从而发出停车及开屏蔽门的信号，由相应的继电器和人工共同操作完成开门的动作。 整套系统的安全性主要在于两方面，一是对乘客的人身安全方面要防止人员接触时因绝缘不良造成的触电事故；二是系统各控制组成部分、电源系统的正常可靠运行，确保系统正常开、关门，不因意外开门和关门而造成危险。 要达到这两方面的安全性，一是要对人员容易接触的金属部件做等电位连接和接地，同时要将屏蔽门采用绝缘的方式安装，使之与轨道间形成电气隔离；二是对系统各部位的电源、控制线安装技术参数匹配的SPD作保护，如伺服电机的90V电源、控制系统的RS32或RS485数据传输线等均应加装对应的SPD，使电源及控制线上感应的过电压不致损坏系统设备而造成屏蔽门意外动作或失效。 5 结束语 轨道交通的安全运行依赖于各个系统的正常运转，特别是机电与通信系统是其中的关键与核心，只有确保系统设备在任何时间都能不受外界干扰才能保证系统的可靠，防雷、过电压保护是保证系统设备安全运行的必要措施之一，特别是对于轻轨、地铁地面线和高架线的设备更是重点考虑的安全防范项目。 电磁脉冲防护措施的实现要充分考虑系统的特点、对安全运行的需求，结合电磁脉冲干扰原理、电磁兼容理论和有关标准规范进行有针对性、合理的设计，选用质量符合国家标准规定的SPD产品，为轨道交通的安全运行保驾护航。 参考文献 [1] 刘晓娟等著《城市轨道交通智能控制系统》，中国铁道出版社 [2] 范文毅、殷锡金主编《城市轨道交通车站设备》，中国铁道出版社 [3] 何宗华等编《城市轨道交通车站机电设备运行与维修》，中国建筑工业出版社 [4] 《地铁设计规范》GB50173-2003

雷仕达

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