鐵路站房接地與防雷設(shè)計總結(jié)

陶云飛 (筑博設(shè)計集團(北京)股份有限公司， 北京 100013)

1 概述

鐵路站房是廣大旅客候車與集散的空間，屬于人員密集場所，相比一般建筑物其重要性更高一些，而且屬于一個地區(qū)的標志性建筑，其安全性必須予以重視。另外，站房內(nèi)有許多信號設(shè)備用房，擔負鐵路列車的正常運行，要保持信號系統(tǒng)的準確運行，不受外界干擾，鐵路站房需要構(gòu)建有效的雷電防護系統(tǒng)。

本文以高鐵安陽東站為例，介紹防雷、接地、等電位聯(lián)結(jié)、低壓電源系統(tǒng)接地、信號機房的屏蔽措施等做法。

2 鐵路綜合接地系統(tǒng)概念

鐵路綜合接地系統(tǒng)是用貫通地線將鐵路沿線所有接地系統(tǒng)進行等電位連接，綜合接地系統(tǒng)既是一個低電阻大地網(wǎng)，又是一個大等電位體。如圖1所示，其中鐵路站房、通信樓等建筑物的結(jié)構(gòu)網(wǎng)接地又作為該綜合接地系統(tǒng)的接地裝置。

3 站房接地防雷系統(tǒng)

鐵路站房內(nèi)部必須采用總等電位接地系統(tǒng)，一方面是人身安全的防護要求，另一方面也是強弱電設(shè)備雷擊電磁脈沖防護的要求。

通過將站房防雷系統(tǒng)接地、低壓電源工作接地、建筑物基礎(chǔ)基地、保護接地、弱電設(shè)備工作接地等通過等電位聯(lián)結(jié)的方式構(gòu)成聯(lián)合接地系統(tǒng)，達到有效的防護效果。下面介紹這幾個方面的具體做法。

3.1 接地系統(tǒng)

為減少人體同時接觸不同電位引起的電擊危險，在建筑物內(nèi)部需對電氣裝置采用總等電位聯(lián)結(jié)。主要通過在建筑物的電源進線處將下列可導(dǎo)電部分互相連通：

1)進線處的PE母排或PE干線；

2)接地極引入線；

3)水道干管；

4)燃氣干管；

5)采暖和空調(diào)干管；

6)建筑物的金屬結(jié)構(gòu)。

圖2所示為本工程聯(lián)合接地的內(nèi)容，由圖2可以看出，除了上述各類內(nèi)容外，各類強弱電機房的接地，防雷接地等均聯(lián)結(jié)成一個大的等電位體，并與鐵路貫通接地線聯(lián)結(jié)。

具體做法包括：

1)利用樁、承臺及基礎(chǔ)底板內(nèi)主鋼筋相互焊通作為聯(lián)合接地裝置。在建筑物外墻四周的地下另設(shè)置環(huán)形接地裝置，該環(huán)形接地裝置距外墻面1m，埋深1m。環(huán)形接地裝置采用60mmx6mm熱鍍鋅扁鋼，鍍層≥60μm，與每處防雷引下線在地下連通。并在適當?shù)奈恢门c鐵路貫通地線連接。

2)凡有防雷引下線和電氣接地引上線的結(jié)構(gòu)柱,要求該結(jié)構(gòu)柱下方的樁內(nèi)主筋(至少四根,且直徑≥Φ10)與承臺的面筋焊接，然后承臺面筋再與所連接的基礎(chǔ)梁面筋及所經(jīng)過的接地連接線焊接連通。所有焊接長度須>6D。共用接地裝置的接地電阻須≤1Ω。

3)在與防雷引下線相對應(yīng)的室外埋深1.0m處由被利用作為引下線的鋼筋上焊出一根 40mmX4mm熱鍍鋅扁鋼，此扁鋼伸向室外，距外墻皮的距離≥1.5m，供加打人工接地體用。

4)進出建筑物的各種金屬管道在進出處通過就近與防雷接地裝置連接。

5)各類專業(yè)機房的工作接地或保護接地均引自建筑物的基礎(chǔ)鋼筋接地網(wǎng)。

3.2 防雷系統(tǒng)

站房的防雷包含外部防雷系統(tǒng)和內(nèi)部防雷系統(tǒng)。外部防雷系統(tǒng)是防直擊雷的外部防雷裝置，內(nèi)部防雷除了上述等電位聯(lián)結(jié)外，還要為建筑物內(nèi)的電氣和電子設(shè)備提供雷擊電磁脈沖的防護。

鐵路站房的防雷等級確定，除了大型火車站直接按二類防雷設(shè)計外，需經(jīng)計算雷擊次數(shù)確定，注意要按人員密集場所考慮，本工程預(yù)計雷擊次數(shù)N=0.085，應(yīng)為二類防雷建筑建筑物。具體做法包括：

1)屋頂沿女兒墻設(shè)周圈避雷帶和避雷網(wǎng)格，采用25mmx4mm熱鍍鋅扁鋼，屋面避雷網(wǎng)格的間距≤10mx10m或12mx8m。避雷帶在女兒墻或屋脊上明敷，安裝高度150mm，直線段支架1 000mm，拐角處支架間距300mm；避雷帶在上人屋面暗敷設(shè)，暗敷深度≤30mm；避雷帶在不上人屋面明敷，安裝高度150mm。屋面避雷帶搭接處焊接，并做防腐處理。

2)防雷引下線利用建筑周邊的結(jié)構(gòu)柱內(nèi)兩根>Φ16對角主筋，防雷引下線頂端與避雷帶相焊連，底端與基礎(chǔ)接地網(wǎng)相焊連，防雷引下線間距≤18m。部分防雷引下線的結(jié)構(gòu)柱在距室外地坪以上0.5m處做接地電阻測試點,共4處。

3)本工程主入口處，結(jié)構(gòu)柱的跨距達到24m，此時不可能在跨距中間設(shè)引下線，則首先在跨距兩端均設(shè)引下線，并在其他地方增加引下線的數(shù)量，保證引下線的平均間距≤18m即可。

4)屋面所有電氣設(shè)備及其他正常不帶電的設(shè)備金屬外殼與避雷帶均做≥2點的金屬性焊接；屋面所有金屬性裝飾物或構(gòu)造物均與避雷帶做金屬性焊接；幕墻、金屬門窗等外墻金屬件的金屬預(yù)埋件就近與避雷系統(tǒng)做電氣連通。

3.3 金屬屋面防雷

本站房屋面局部采用壓型鋼板作為屋頂，經(jīng)核實，鋼板厚度為3mm，且板下無可燃物。根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB 50057-2010，可以采用該屋面鋼板作為接閃器。但要保證屋面鋼板之間的連接是持久的電氣貫通，一般采用卷邊壓接的辦法，可以同時滿足防水要求。

如果屋面金屬板厚度不能滿足要求，需在高出屋面的位置敷設(shè)網(wǎng)狀接閃器。

3.4 金屬雨棚防雷

雨棚屋面不單設(shè)防雷裝置。利用雨棚金屬屋面板互相連通作為防雷裝置,要求鋼板厚度>0.5mm，板下無易燃物品。

利用雨棚柱內(nèi)上下相焊連的主筋作為防雷引下線，上端與雨棚金屬屋面連通，下面與站臺基礎(chǔ)鋼筋、貫通地線及站臺通道結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)等互相連通。

引下線利用雨棚柱內(nèi)兩根大于Φ16對角主筋，防雷引下線設(shè)于每個柱子處。

每個雨棚柱底端與站臺鋼筋及路基下方的貫通地線可靠連接40mmx4mm熱鍍鋅扁鋼。

3.5 電源系統(tǒng)接地

供電系統(tǒng)有兩個接地，一個是系統(tǒng)內(nèi)電源端的帶電導(dǎo)體的接地，稱作系統(tǒng)接地，如變壓器中性點的接地。另一個指保護接地，如電氣裝置內(nèi)電氣設(shè)備金屬外殼等導(dǎo)電部分的接地，能有效防止人身電擊。

1)低壓電源系統(tǒng)接地與保護接地共用

10/0.4kV變電所既是低壓系統(tǒng)的電源端，也是10kV系統(tǒng)的負荷端，因此他既有變壓器低壓中性點的系統(tǒng)接地，也有高低壓電氣設(shè)備外露導(dǎo)電部分的保護接地。

本工程10kV網(wǎng)絡(luò)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)，10/0.4kV變電所設(shè)在站房左側(cè)地下一層，低壓采用TN接地型式。變電所內(nèi)將變壓器中性點接地與設(shè)備外殼保護接地合為一體，如圖3所示。

從圖3可知，如果上級110/10kV總變電所采用小電阻接地，在下級10/0.4kV變電所內(nèi)高壓側(cè)發(fā)生接地故障時，接地故障電流Id將通過設(shè)備外殼、RB、RB'和小電阻R等的通路返回電源，這樣Id值可達數(shù)百安以至近千安(可以通過調(diào)節(jié)電阻R值來選擇)。在如此大的故障電流情況下，電源側(cè)的繼電器和斷路器將在很短的時間內(nèi)迅速切斷電源。由于10kV電源中性點接了地，非故障相的對地電壓雖然有所升高，但不會像中性點不接地那樣高至相電壓的倍，此時由于繼電保護將電源迅速切斷，所以大大降低了對10kV供電系統(tǒng)的元件絕緣水平要求。

變電所接地電阻RB上產(chǎn)生的電壓降為Uf=Id.RB，由于Id的增大Uf也將隨之增大。如果低壓系統(tǒng)電源中性點通過RB實現(xiàn)接地，由于共用同一RB接地極，此處上千伏的故障電壓Uf將沿線路傳導(dǎo)至低壓電氣裝置內(nèi)，引起電氣裝置對地暫時過電壓，并引發(fā)各種電氣事故。

故要求建筑物內(nèi)采用總等電位聯(lián)結(jié)，不但站房內(nèi)如此，整個雨棚，站臺，橋梁等均實現(xiàn)總等電位聯(lián)結(jié)。由于采用總等電位聯(lián)結(jié)，建筑物內(nèi)將不會出現(xiàn)上述工頻暫時過電壓，但如果戶外不具有等電位保護范圍內(nèi)的電氣裝置，需采取其他措施，如通過采取TT系統(tǒng)防人身電擊及降低RB值防止其配電裝置絕緣擊穿。

2)低壓電源系統(tǒng)接地采用一點接地

低壓電源系統(tǒng)接地采用正確的接地方式，可以防止雜散電流引起電磁干擾。

對于電源中性點如何接地，《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》GB 50065-2011第7.1節(jié)有相關(guān)描述。

對于單電源系統(tǒng)，當采用TN-S系統(tǒng)，整個系統(tǒng)全部采用單獨的PE，電源系統(tǒng)應(yīng)有一點直接接地，如圖4箭頭所示，中性線上的不平衡電流直接流回電源中性點。

如果采用在裝置的受電點低壓柜內(nèi)將PEN分離成PE和N的TN-C-S系統(tǒng)，如圖5所示，中性線上的不平衡電流將有多條路徑流回電源中性點，產(chǎn)生雜散電流引起電磁干擾。

本工程采用兩臺變壓器供電，低壓側(cè)采用單母線分段中間設(shè)聯(lián)絡(luò)的配電方式。對于這種多電源的TN系統(tǒng)，避免雜散電流可以采用具有單獨PE和N的多電源TN-C-S系統(tǒng)，如圖6所示。圖中應(yīng)符合下列要求：

1)不應(yīng)在變壓器的中性點直接對地連接；

2)變壓器的中性點之間相互連接的導(dǎo)體應(yīng)絕緣，且不得將其與設(shè)備外殼連接；

3)中性點之間相互連接的導(dǎo)體與PE之間，應(yīng)只一點連接，并應(yīng)設(shè)在總配電屏內(nèi)。

為杜絕雜散電流，IEC規(guī)定一建筑物內(nèi)的PEN線需按可能遭受的最高電壓加以絕緣，而全建筑物內(nèi)的PEN線只能在變電所低壓配電盤內(nèi)或在低壓供電的建筑物電源進線處通過與PE線的連接作一點接地，不得在其他處將PEN線或N線再接地。但對裝置的PE導(dǎo)體則可以重復(fù)接地。

如果在建筑物內(nèi)另有低壓備用電源線路或自備柴油發(fā)電機電源，則該電源線路的PEN線或發(fā)電機的中性線也都不得再接地，他們都需通過與上述一點接地的接地處相連通而實現(xiàn)全建筑物內(nèi)的一點接地。

附帶說明，變電所變壓器中性點套管引出的是PEN線，按IEC標準PEN線上是不允許裝用開關(guān)電器來切斷的，因此變電所低壓配電盤內(nèi)的總開關(guān)和分段開關(guān)只能采用三極開關(guān)。

4 信號機房綜合防雷接地方案

根據(jù)需要，鐵路線上會設(shè)置專用的鐵路信號樓，其具有較高的防雷接地要求。而本工程為一中型站房，防雷要求遠遠達不到鐵路信號樓防雷要求，故只在一些專業(yè)性要求較高的信號機房做特殊防雷處理。這些房間包括信號計算機室、信號電源室、繼電器室、綜合值班室及電纜引入室等。

4.1 防屏蔽設(shè)計

信號機房防雷接地設(shè)計主要根據(jù)“法拉第籠”均壓及防屏蔽原理。

法拉第籠是基于古典電學原理，起著均壓和屏蔽的作用。它可以保護籠內(nèi)放置的設(shè)備,不論金屬籠體附加多高的電壓，其內(nèi)置的設(shè)備都不會出現(xiàn)電壓反擊現(xiàn)象。

采用低阻抗等電位的搭接網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑兩個完整的籠式屏蔽系統(tǒng)和一個完整的接地終端系統(tǒng)，這就是“內(nèi)外兩籠，上下兩環(huán)及一立柱”，即“221模式”綜合防護系統(tǒng)。

“外籠”指整個站房頂面、外墻面大空間屏蔽籠，它將整個建筑物屏蔽罩住，可以全方位地接閃保護被罩住的建筑物頂部，側(cè)面免遭直擊雷、感應(yīng)雷及輻射電磁波干擾。它由基礎(chǔ)地網(wǎng)(網(wǎng)格尺寸≤3m×3m)及四面墻體圈梁、立柱(基礎(chǔ)柱、構(gòu)造柱)、主筋(構(gòu)成≤5m×5m網(wǎng)格)和屋頂面避雷網(wǎng)(網(wǎng)格尺寸≤3m×3m)的六面體構(gòu)成。基礎(chǔ)地網(wǎng)及屋頂面避雷網(wǎng)網(wǎng)格節(jié)點應(yīng)進行焊接。如圖7、圖8所示。

外籠主要是對直擊雷、感應(yīng)雷電防護。同時，對室內(nèi)設(shè)備形成初級屏蔽，初步改善室內(nèi)設(shè)備電磁兼容環(huán)境。信號、信息及通信機房均設(shè)外籠。

“內(nèi)籠”將信號機房內(nèi)的信號設(shè)備罩住，對置于其中的信號電子信息系統(tǒng)來說，具有對電磁幅射干擾的屏蔽作用。其六面體由Φ8圓鋼焊接成不大于600mm×600mm籠式網(wǎng)格，其中門窗屏蔽(包括室內(nèi)微電子設(shè)備隔斷墻)均為鋁網(wǎng)格型材，截面積≥9mm，網(wǎng)格尺寸≤80mm×80mm。

內(nèi)籠是為了進一步改善信號電子設(shè)備電磁兼容環(huán)境條件而設(shè)。

上環(huán)“避雷帶”為雷電接閃裝置。它是連接屋頂面上部立柱主筋、避雷網(wǎng)和外墻干掛石材鋼結(jié)構(gòu)的紐帶。

下環(huán)指“環(huán)形接地裝置”。它通過連接立柱主筋與基礎(chǔ)地網(wǎng)構(gòu)成共用接地系統(tǒng)。下環(huán)外與立柱主筋、貫通地纜和外墻干掛鋼結(jié)構(gòu)連接，內(nèi)與引向室內(nèi)功能接地匯集線連接，所以下環(huán)是連接接地系統(tǒng)紐帶。如圖8所示。

立柱不僅是外籠主干，又是暗設(shè)輔助引下線，同時它還有連接內(nèi)外兩籠接地作用。機房周邊的結(jié)構(gòu)柱均作為外籠主干立柱。對于部分區(qū)域由于外墻為窗戶，需在兩個柱子之間窗框內(nèi)上下敷設(shè)一根結(jié)構(gòu)主筋，以滿足外籠網(wǎng)格≤5mx5m。

4.2 信號機房接地設(shè)計

在鐵路綜合接地系統(tǒng)中，應(yīng)將強電設(shè)備與弱電設(shè)備分開接地。強電接地及防雷引下線接地均就近接至建筑物基礎(chǔ)鋼筋網(wǎng)，通訊及信號系統(tǒng)接地均接至室外環(huán)形接地體，并要保證各弱電系統(tǒng)之間的接地點距離>5m。如圖8所示。

引入機房的功能地線均引自室外環(huán)形接地體。在機房內(nèi)四角距離地面0.15m處(在防靜電地板下0.1m左右)各設(shè)置接地端子(采用綜合接地用橋隧型接地端子，表面與墻面平齊)，接地端子應(yīng)與機房屏蔽層及防靜電地板下的金屬支架等栓接。如圖9所示。

信號機房防屏蔽立體示意圖見圖10，內(nèi)籠做法見表1。

5 雷擊電磁脈沖的防護

在防雷擊電磁脈沖的措施中，建筑物自然屏蔽物及各種金屬物之間采用等電位連接，并合理選用和安裝SPD，具有這些合理的措施才能保證建筑物及內(nèi)部設(shè)備的安全。

表1 內(nèi)籠制作做法表

建筑物的雷電防護需劃分為不同區(qū)域，可能遭到直接雷擊的劃分為LPZ0A區(qū)，不大可能遭到直接雷擊或在防直擊雷保護范圍內(nèi)，但是雷擊電磁場強度沒有衰減的區(qū)域劃分為LPZ0B區(qū)。其次，在建筑物內(nèi)部雷擊電磁場強度進一步減弱的區(qū)域可以劃分為LPZ1、LPZ2等后續(xù)防雷區(qū)。

強電設(shè)備通常抗干擾能力較強，電子設(shè)備抗干擾能力較差，應(yīng)分別設(shè)置在LPZ1、LPZ2等區(qū)。本工程的信號機房等都置于LPZ2區(qū)。

進入內(nèi)部防雷區(qū)的線路防雷擊電磁脈沖主要通過設(shè)置SPD加以控制。從LPZ0區(qū)進入LPZ1區(qū)的線路和電纜，如引入本建筑的外部電源，應(yīng)在LPZ1區(qū)的入口處安裝相應(yīng)的浪涌保護器；從LPZ1區(qū)進入LPZ2區(qū)的線路和電纜，如從配電室引入弱電機房的電源，應(yīng)在機房的入口處配電箱內(nèi)安裝相應(yīng)的浪涌保護器。

對于本工程電氣設(shè)備，為防止雷電入侵，將浪涌保護器(SPD)主要設(shè)置在下列場所：

1)在變電所變壓器高壓側(cè)裝設(shè)避雷器；在低壓側(cè)母線上裝設(shè)I級試驗的限壓型浪涌保護器，沖擊電流值60kA，電壓保護水平2.5kV。

2)在由樓內(nèi)引出室外的配電箱、柜處(屋頂風機、室外照明等)加裝II級試驗的限壓型浪涌保護器，沖擊電流值40kA，電壓保護水平2.5kV。

3)在電梯配電箱以及消防、安防、通信、網(wǎng)絡(luò)及有線電視等弱電機房的配電箱內(nèi)加裝II級試驗的限壓型浪涌保護器，沖擊電流值40kA，電壓保護水平2.5kV。

4)在消防、安防、通信、網(wǎng)絡(luò)及有線電視等電子系統(tǒng)的引入端弱電箱內(nèi)裝設(shè)的浪涌保護器由系統(tǒng)供應(yīng)商負責提供。

對于電子系統(tǒng)的電涌保護器安裝按下述要求：

1)當電子系統(tǒng)的室外線路采用金屬線時，如電話電纜、有線電視同軸電纜等，在引入的箱內(nèi)安裝D1類高能量試驗類型的電涌保護器，可以根據(jù)設(shè)備要求選擇短路電流，無法確定時短路電流可選用1.5kA；

2)當電子系統(tǒng)的室外線路采用光纜時，在引入的弱電箱內(nèi)電氣線路可以安裝B2類慢上升率試驗類型的電涌保護器，可以根據(jù)設(shè)備要求選擇短路電流，當無法確定時短路電流可選用75A。

3)鐵路信號系統(tǒng)專用浪涌保護器需根據(jù)信號設(shè)備要求安裝自帶的產(chǎn)品。

6 結(jié)束語

完善的接地防雷措施，需要采用多種方法從不同角度進行綜合保護。針對具體工程，需要仔細分析，只有做好最基本的防護措施—總等電位聯(lián)結(jié)，再結(jié)合先進的防雷電子產(chǎn)品，才能將雷害減少到最低限度。

[1]中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院組編,工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊( 3版)[M].北京：中國電力出版社，2005.

[2]王厚余等.低壓電氣裝置的設(shè)計安裝和檢驗(2版)[M].北京：中國電力出版社，2007.

[3]鐵運(2006)26號，鐵路信號設(shè)備雷電及電磁兼容綜合防護實施指導(dǎo)意見.

[4]中華人民共和國機械工業(yè)部.GB 50057-2000建筑物防雷設(shè)計規(guī)范 [S].北京：中國計劃出版社，2001.