淺談鐵路站房防雷接地設計

2013-11-29 09:29:52曹秀芬悉地北京國際建筑設計顧問有限公司北京100010

智能建筑電氣技術 2013年5期

曹秀芬(悉地(北京)國際建筑設計顧問有限公司，北京 100010)

1 前言

雷電是常見的自然災害，對人類的工作和生活環境造成很大影響，據不完全統計，我國每年因雷擊造成人員傷亡達3 000～4 000人，財產損失在50～100億元人民幣。近年來的鐵路雷電事故造成了巨大的損失。以滬昆(上海至昆明)線某中間站為例，針對建筑物防雷設計的外部防雷(接閃器、引下線、等電位、屏蔽、接地)和內部防雷(電涌保護器)，談談在鐵路站房設計中的做法。

2 工程概況

站房近期高峰小時發送旅客量為3 290人/高峰小時，最高聚集人數2 000人，站房型式為線側下式旅客車站。站房建筑面積14 905.76m2,站房雨篷投影面積16 200m2，為中型鐵路旅客車站。

站房和雨棚的防雷類別計算如表1。

3 接閃器

接閃器是防護直擊雷的重要措施，其作用是吸引雷電流過來并通過其后端連接的引下線泄放入地，從而保證在其防護范圍內的建筑及人員免受直擊雷侵害。其類型包括接閃桿、接閃帶和接閃網。

表1 站房和雨棚的防雷類別

混凝土屋面區域：采用明敷40mm×4mm熱鍍鋅扁鋼作接閃器，混凝土屋頂接閃帶網格按照《建筑物防雷設計規范》(GB50057-2010)4.3.1第二類防雷建筑≤10m×10m或12m×8m，每跨由混凝土柱內引出兩根≥Φ16鋼筋與扁鋼可靠焊接。

金屬屋面區域：站房屋頂中間區域為板厚為0.8mm的鋁鎂錳合金板，金屬板厚度滿足《建筑物防雷設計規范(GB50057-2010)5.2.7條關于金屬屋面板作為接閃器的厚度的規定，且屋面下無可燃物，因此利用金屬屋面作為接閃器。金屬屋面板與柱內兩根≥Φ16的主筋可靠焊接，形成電氣通路。凡突出屋面的所有金屬構件，均應與接閃帶可靠焊接。

鐵路四電機房屋面區域：站房右側一層二層鐵路信號、通信機房屋頂，要求設計天網防雷，根據《鐵路通信設備雷電綜合防護實施指導意見》(鐵運[2011]144號)2.2.2條和《鐵路信號設備雷電及電磁兼容綜合防護實施指導意見》(鐵運[2006]26號)3.1.1條，采用40mm×4mm熱鍍鋅扁鋼交叉焊接構成≤3m×3m的接閃網格，并將各端點與接閃帶焊接連通。網格由40mm×4mm的熱鍍鋅扁鋼交叉焊接構成。

雨棚屋頂及屋檐為鍍鋅鋼板，板厚為1.0mm，屋面下無可燃物，故利用該金屬板及鋼屋架作為接閃器。金屬屋面與雨棚鋼柱可靠焊接，形成電氣通路。

根據《鐵路信號設備雷電及電磁兼容綜合防護實施指導意見》(鐵運[2006]26號)3.1.2條規定：信號機房的建筑物屋頂不允許設置接閃桿。

4 引下線

引下線是接閃帶與接地裝置的連接線，是雷電流泄放入大地的通道。引下線的粗細和數量直接影響分流效果，引下線多，每根引下線通過的雷電流就小，其感應范圍就小。引下線相互之間的距離不應小于《建筑物防雷設計規范》(GB50057-2010)4.3.3、4.4.3中的規定。當建筑物很高，引下線很長時，應在建筑物的中間部位增加均壓環，以減小引下線的電感電壓降。這不僅可以分流，而且還可以降低反擊電壓。

站房利用建筑物外側混凝土柱子內兩根Φ16以上主筋通長焊接作為引下線，間距≤18m，引下線上端與接閃帶焊接，下端與接地極相連，接地極由建筑物基礎底梁及基礎底板軸線上的上下兩層鋼筋內的兩根主筋和站房四周40mm×4mm鍍鋅扁鋼組成。接閃帶引下線與水平接地體的連接點處應設垂直接地體，垂直接地體必須與水平接地體可靠焊接。

大部分地面式雨棚型式如圖2所示，雨棚利用雨棚鋼柱為防雷引下線，與雨棚柱下基礎內40mm×4mm扁鋼可靠聯接。站臺扁鋼在站臺兩端分別引兩處與站場綜合接地相連。

本站雨棚坐落在軌道的橋墩上，如圖3所示，利用雨棚柱為防雷引下線，雨棚柱與站臺面預留的接地端子可靠焊接，通過站臺基礎內的兩根≥Φ16主筋再與橋墩頂端預留的接地端子可靠連接，通過橋墩的鋼筋引下，將所有引下線通過水平接地體40mm×4mm扁鋼可靠聯接。橋梁專業在橋墩上方預留貫通地線接地端子板，站臺扁鋼在站臺兩端分別引兩處(間隔2～3m)與站場綜合接地相連。

5 等電位

建筑物內的各個部位都形成一個相等的電位，即等電位。

1)鋼筋混凝土結構的建筑物最具備實現等電位的條件，其內部結構鋼筋的大部分都是自然地焊接或綁扎在一起的。為滿足防雷裝置的要求，把接閃裝置與梁、板、柱和基礎可靠地焊接、綁扎或搭接在一起，同時再把各種金屬設備和金屬管線與之焊接或卡接在一起，這就使整個建筑物成為良好的等電位體。

2)本工程在變電所設置總等電位聯結板，總等電位板由紫銅板制成，所有進入建筑物的外來導電物均應在LPZ0A或LPZ0B與LPZ1區防雷界面處做等電位連接。將建筑物內保護干線、設備進線總管、建筑物金屬構件進行等電位聯結；總等電位至接地極聯結線采用2×(40mm×4mm)鍍鋅扁鋼，局部等電位LEB至總等電位MEB、接地極聯結線采用40mm×4mm鍍鋅扁鋼。消防控制室、通信機房、信號機房、信息機房單獨引下線采用2×(BV-1×25 PC50)。

3)帶淋浴的衛生間采用局部等電位聯結，從地板及墻上適當的地方各引出一根>Φ16的結構鋼筋至局部等電位箱LEB，局部等電位箱暗裝，底距地0.3m。將衛生間內所有金屬管道、構件及引入衛生間的PE線聯結，參考《等電位聯結安裝》(02D501-2)-P16。

4)配電間，弱電機房，配線間及電扶梯的等電位聯接具體做法參考《等電位聯結安裝》(02D501-2)-P13/P14/P21/P45。

5)站房玻璃幕墻龍骨檁條與結構鋼柱可靠連接，形成電氣通路。

6)鐵路站房四電機房的等電位聯結設置如下：

根據《鐵路信號設備雷電及電磁兼容綜合防護實施指導意見》(鐵運[2006]26號)3.4.1條規定：信號設備應設安全地線、屏蔽地線和防雷地線，當有防靜電地板時應設防靜電地線，有微電子設備時可設置邏輯地線。上述地線均由共用接地系統的地網引出。3.5條規定：以上接地線必須以最短距離分別就近與接地匯集線連接。控制室、繼電器室、防雷分線室、機房和電源室應設置接地匯集線。接地匯集線宜采用>30mm×3mm紫銅排，可相互連接成條形、環形或網格形，環形設置時不得構成閉合回路。如圖4所示。

通信、信號機房的電源接地匯集線應單獨設置，并分別與環形接地裝置單點冗余連接。其余接地匯集線可采用截面積≥50mm2有絕緣外護套的多芯銅導線或30mm×3mm紫銅排相互連接后與環形接地裝置單點冗余連接。

根據《民用建筑電氣設計規范》(JGJ16-2008)23.4.2.3條，對于電子信息設備機房內應做等電位聯結，對于工作頻率較低且設備數量較少的機房，可采用單點(S型)接地方式；對于工作頻率較高且設備數量較多的機房，可采用多點(M型)接地方式。所以本項目均采用多點接地方式。

6 電磁屏蔽

屏蔽的主要目的是使鐵路站房內的通信設備、電子計算機、精密儀器以及自動控制系統免遭雷電電磁脈沖的危害。屏蔽主要有電場屏蔽、磁場屏蔽及電磁屏蔽等，本項目主要采用初級的法拉第籠式屏蔽系統來實現電磁屏蔽。

應盡量利用鋼筋混凝土結構內的鋼筋，即建筑物內地板、頂板、墻面、及梁、柱內的鋼筋，使其構成一個六面體的網籠，即籠式接閃網，從而實現屏蔽。由于結構構造的不同，墻內和樓板內的鋼筋有疏有密，鋼筋密度不夠時，設計應按各種設備的不同需要增加網格的密度。良好的屏蔽不僅能解決等電位和分流，而且對防御雷電電磁脈沖也是最有效的措施。此外，建筑物的整體屏蔽還能防球雷、側擊和繞擊雷的襲擊。

鐵建設[2007]39號《鐵路防雷、電磁兼容及接地工程技術暫行規定》4.4.3條要求“計算機房應根據需要采用電磁屏蔽和防靜電措施，通信、信號設備用房(含電源室、機械室、計算機房)應采用電磁屏蔽和防靜電措施“。上述通信、信號用房均應安裝法拉第籠。作法如下：

1)在室內距地面0.05m、室外距地面0.3m處，預留與混凝土框架內接地主筋(與基礎地網連接的主筋)連接的接地端子板。預留接地端子相連的主筋不能與作為引下線的主筋為同一主筋，如圖5左圖所示。各接地匯集線及接地匯集線間的連接導體、接地匯集線與地網的連接必須與墻體絕緣。接地匯集線一般在距地面200～300mm處設置；有防靜電地板的機房，接地匯集線可在地板下方距地面30～50mm處設置，距墻面宜為100～150mm，如圖5右圖所示；也可在地板下方設成條狀或網格狀。

2)在混凝土框架內應設置Φ≥12mm的圓鋼為主筋(加強鋼筋)，主筋間用相同規格的圓鋼相互焊接成≤5m×5m的網格，并保證電氣連接的連續性。主筋上端必須與接閃帶焊接，下端必須就近與基礎接地網焊接。

3)信號計算機房、信號電源及繼電器室的墻、頂、底面內用Φ≥8mm圓鋼焊接成≤600mm×600mm網格做法拉地籠，如圖6所示。600mm×600mm網格的鋼筋網格與5m×5m的鋼筋網格結合處焊接。門、窗四角處預留與接地主筋連接的室內端子板，信號機房、信號電源及繼電器室的門應采用防火、防撬金屬門，窗及玻璃隔斷屏蔽應采用截面積≥9mm2、網孔<80mm×80mm的鋁合金網。金屬門及窗、玻璃隔斷的鋁合金網用≥16mm2的軟銅線與預留的室內端子板可靠連接。

4)信號電源及繼電器室與信號計算機房之間應設置金屬網玻璃隔斷，網格尺寸應≤80mm×80mm。金屬網格應與房屋內法拉第籠可靠連接。

5)防靜電地板下的金屬支架底部采用0.1mm×20mm銅箔帶構成與支架一致的網格，銅箔帶交叉處用錫焊接。互相連接的網格銅箔帶采用10mm2的銅帶(扁平銅網編織帶)與預留的室內端子板可靠連接，至少4處，銅帶一端加線鼻后與預留端子板可靠栓接，另一端用錫焊接。信號電源及繼電器室與綜合值班室防靜電地板下的銅箔帶采用10mm2的銅帶穿過預留孔可靠連接。

根據鐵路站房的設計分工：四周墻面的屏蔽網由建筑、結構專業設計并施工，天網、地網由電氣專業設計施工。

7 接地

良好的接地效果也是防雷成功的重要保證之一。

距線路兩側20m范圍內的鐵路設備房屋的接地裝置應接入綜合接地系統。在綜合接地系統中，建筑物、構筑物及設備在貫通地線接入處的接地電阻不應>1Ω。本項目屬于鋼筋混凝土結構的建筑物，應利用基礎內的鋼筋作為接地裝置。當達不到規范中規定的條件或基礎包在防水卷材層內時，可做環形接地裝置，但應將周圈式接地裝置預先埋在基礎槽的最外邊(距建筑物3m以內)。接地體靠近基礎內的鋼筋有利于均衡電位，同時還可節省為挖深溝所花費的人力和物力。在基礎完工后再挖深溝則易影響基礎的穩定性。

本工程在站房外3m地下設置環形接地網，站房四周40mm×4mm鍍鋅扁鋼在地面下1.5m 深，在站房兩端分別引兩處采用一根50mm2鍍錫銅與鐵路綜合接地系統相連。電氣設備的保護接地：消防控制室、四電機房、設備機房等的接地共用統一接地體，要求接地電阻≤1Ω，實測不滿足要求時，增設人工接地極，其間距宜為垂直接地體長度的2倍，并均勻布置。根據《建筑物防雷設計規范》(GB50057-2010)5.4.3條，人工鋼質垂直接地體的長度宜為2.5m。其間距以及人工水平接地體的間距均宜為5m，當受空間限制時可適當減小。

《鐵路防雷、電磁兼容及接地工程技術暫行規定》(鐵建設[2007]39號)5.2.5條規定，通信、信號及其他信息系統接地干線在接地網上的引接點與電力、電氣化接地干線、接閃帶的引下線在環形接地裝置上的連接點間距應>5m，如圖7所示。