淺談高鐵站防雷設計

孫力鈞

摘 要：雷電對于高鐵站的正常運轉會帶來較多的危害與不便，為了保障高鐵運行的安全性，有必要采取有效的設計方案來防范雷電的危害。本文基于對雷電的類型與危害的探討，首先從信號設備防雷、防雷系統維護兩個方面著手分析了雷電防范的內容，進而從接閃器設計、地下引線設計、等電位聯結設計、屋面設備的防雷設計、雷電波的防護措施五個方面系統分析了高鐵站的防雷設計方案，最后給出了總結。通過本文分析，以求為高鐵站更好的進行防雷設計提供必要的借鑒與參考。

關鍵詞：高鐵站 防雷 設計

中圖分類號：U44 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（a）-0094-02

1 雷電的危害與防范內容

1.1 雷電的危害

雷電按照其極性劃分，可分為正極性雷電及負極性雷電。按照放電種類可分為云內放電、兩個獨立云間放電、對大型結構物的放電及對地放電等。根據統計，雷擊的電流值介于2 kA到200 kA之間，這樣的大電流在極短的時間內通過，其結果會產生一千萬伏特的電壓。這是相當可怕的能量，即使是石造的建筑，若無避雷設施，一旦遭到這樣一擊的后果是很難預料。由于雷擊的威力是如此強大，所以直接遭到雷擊會使人畜心跳停止、損壞腦部、休克、死亡等。建筑物如遭受雷擊可能會引發火災及重物掉落而造成損傷。雷擊電流足以引發大火（如森林大火），再加上其瞬間電流流過時所產生驚人的電磁應力，足以使其流過的金屬變形，甚至破裂。

1.2 雷電干擾途徑

當雷電大電流經由接地系統散入大地時將會引起高電壓差，而此電壓差即是造成雷擊事故的主要成因。電壓差出現的形式有下列幾種：地電位涌升（Ground Potential Rise，GPR）、接觸電壓（Touch Voltage）、步間電壓（Step Voltage）及轉移電壓（Transfer Voltage）。其中，防雷設備的接地處與絕對零電位之間有接地阻抗存在時，如其接地阻抗過高，遇強大雷擊突波電流，便產生龐大的瞬間電壓升，稱為地電位涌升；是當一個人手臂接觸已被接地的結構物時，其立足點的地面電位與接地電位涌升間所形成的電位差，就是所謂的接觸電壓；步間電壓是地電位涌升對人員而言，即使人雖沒有觸及任何被接地物體的情況，兩腳跨距間的地面上就有電位差存在，這就是所謂步間電壓；GPR通過各種金屬回路、接地線、電源線、建筑物鋼筋等導體，轉移至它處稱為轉移電壓。具體的干擾路主要是雷電干擾通常會侵入交流電源。強電流通過高壓電纜傳導到達高壓變壓器，如果缺乏防雷設施的防護或者防雷設備因為缺乏而失效，強電流同樣會入侵低壓部分的信號設備線路。

1.3 雷電防范的內容

一是信號設備防雷。第一，是信號電源防雷：一般來講應該單獨配置電涌保護器（SPD），同時應該有阻斷續流的性能，其中做并聯應用的電涌保護器應該隨插隨用，實現在線插拔。電涌保護器的所有相關指標與技術標準等都必須達到國家相關檢測標準，只有產品擁有強制檢驗認證證書才可以被使用。第二，是室內外信號設備防雷：室外電涌保護器應安裝在外線引入處，只用沖擊通流容量大于20 kA才能被選為合格的。

二是防雷系統維護。第一，是應該建立完善的防雷系統責任制，確定相關責任人，建立健全相關雷電災害預警方案及相關備選方案，認真記錄好雷電災害事故記錄。應該檢查安裝防雷裝置重要部分的情況，如SPD系統的視頻監控保護和計算機機房保護部分。第二，是應重點對防雷裝置的檢查，包括如下內容：有獨立的接地安排；并沒有使用氣體及供水喉管的金屬件作為接地極；接地極如需更換/加裝應使用適當尺寸的接地極；檢查所有元件有否受損或松動；檢查所有元件有否銹蝕而影響防雷系統的功效或元件的電氣連續性；連接口、連接處是否有涂上適當的抗氧化劑。

2 高鐵站的防雷設計

本文重點從接閃器設計、地下引線設計、等電位聯結設計、屋面設備的防雷設計、雷電波的防護措施等方面系統分析了高鐵站的防雷設計方案。

2.1 接閃器設計

接閃器是裝設于所要保護建筑物或區域的頂端，以構成保護區。保護區是否足以涵蓋整個被保護的范圍，就成了設計防雷的首要課題。目前應用“滾球法”來進行接閃器設計最為常見，其是國際電工委員會（IEC）推薦的接閃器保護范圍計算方法之一。滾球法設計最重要是滾球半徑的選用，一般滾球半徑獲得有三種方式：按照建筑物防雷設計規范規定；按照雷擊電流的大小，換算滾球半徑，對于雷擊機率較多的地方，可選用比較小的滾球半徑；對于電力的設備可改慮其BIL值，也即指絕緣子所能承受的基本閃電脈波水準的能力來設計。對于單支接閃桿保護方法，可按下列方法進行設計。當接閃桿高度h ≤ S時的計算：一是距地面S處作條平行于地面的平行線；二是以針尖為圓心，S為半徑作弧線交于平行線A、B兩點；三是以A為圓心，S為半徑作弧線，該弧線與針尖相交并與地面相切，這樣，從弧線起到地面就是保護范圍。保護范圍是一個對稱的錐體；四是接閃桿在S高度的xx面上和在地面上的保護半徑，按下式求得。

式中：rp為接閃桿保護高度 xx'平面上的保護半徑（m）；s為滾球半徑，按表確定（m）；hx為被保護物的高度（m）；h為接閃桿的高度（m）；r0 為接閃桿在地面上的保護半徑（m）。當接閃桿高度h>S 時的計算，在接閃桿上取高度S 的一點代替單支接閃桿桿尖并作為圓心，其余做法與第一種類型的做法類似。

2.2 地下引線設計

這也即考慮分流影響。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規范中的規定。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。

地下引線的設計重點在于做好接地方面的工作。一是從接地方式而言，其可分為以接地棒打入大地、埋設接地板，以及用接地線連接接地網等方式，來連接設備，以達到所要求的接地電阻所形成的接地系統。二是從接地網接地方式而言，這是將接地線以網狀型式排列，并將各交差點焊接，埋設于地下土壤中，再與線路鐵構（鐵塔）以及其他電氣設備接地線連接。接地系統的接地電阻標準，以接地故障發生時，不致使接觸電壓（Etouch）超過限制值為原則，同時其地電位升GPR（Ground Potential Rise）也必須在限制標準內，而該GPR除以接地電流（Ig），即得所需接地電阻設計值。我國高鐵站大型接地系統的接地電阻標準，一般345 kV以0.1 Ω為限制標準，161 kV以0.5 Ω為限制標準，69 kV則以5 Ω為限制。標準輸電系統鐵塔接地系統也采用接地網方式或埋設垂直型的接地棒深入土壤底層的接地棒。我國不少高鐵站現行輸電線路鐵塔的接地電阻標準，345 kV以10 Ω為限制標準，161 kV及69 kV則以20 Ω為限制標準。endprint

2.3 等電位聯結設計

這是指使建筑物內的各個部位都形成一個相等的電位，即等電位。若高鐵站建筑物內的結構鋼筋與各種金屬設置及金屬管線都能連接成統一的導電體，建筑物內當然就不會產生不同的電位，這樣就可保證建筑物內不會產生反擊和危及人身安全的接觸電壓或跨步電壓，對防止雷電電磁脈沖干擾微電子設備也有很大的好處。

總等電位聯結通過總等電位聯結端子箱和共用接地體實現，即各系統接地干線均接到總等電位聯結端子箱及共用接地體，建筑物內金屬構件、管道、構架等主要金屬物、進出建筑物的金屬管道、進入建筑物電纜的金屬外皮等可導電體均應采用熱鍍鋅扁鋼40 mm×4 mm與總等電位聯結端子箱聯結，總等電位聯結端子箱再采用熱鍍鋅扁鋼40 mm×4 mm與聯合接地體可靠連接。作為地下引線的鋼結構柱均保證其與周邊金屬導體作可靠電氣連接，以保證電氣連續性。

2.4 屋面設備的防雷設計

屋面防雷在很大程度上需要借助于屋面所設置的金屬設備，這些設備的主要目的是使高鐵站建筑物內的通信設備、電子電腦、精密儀器以及自動控制系統免遭雷電電磁脈沖的危害。高鐵站建筑物內的這些設施，不僅在防雷裝置接閃時會受到電磁干擾，而且由于它們本身零敏性高且耐壓水準低，有時附近打雷或接閃時，也會受到雷電波的電磁輻射的影響，甚至在其他建筑物接閃時，還會受到從該處傳來的電磁波的影響。因此可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，從而實現屋面設備的防雷功效。良好的屋面設備不僅使等電位和分流這兩個問題迎刃而解，而且對防御雷電電磁脈沖也是最有效的措施。在車站的站臺雨棚頂上可設置太陽能光伏發電電池板，由于屋頂上的太陽能板采用粘貼式非晶硅太陽能光伏發電電池板，與屋面鋁合金板可靠電氣焊接，而站臺雨棚屋面已采用防直雷的措施，在遭受雷擊的情況下電池板能自動切除此塊太陽能板與系統的連接，且太陽能供電系統非該工程的主要供電電源，不會引起二次雷擊災害。屋面上的排煙口、人孔等突出屋面的部分應采用金屬材質，且屋面上所有金屬構架、管道、鐵梯、水箱等均用具有高防腐蝕性和高導電率的專用導體與屋面鋼結構壓接。屋頂航空障礙燈應與屋面下的結構鋼質次行架用25mm×4mm熱鍍鋅扁鋼可靠電氣焊接。

2.5 雷電波的防護措施

在防雷電波侵入方面，電纜進出線在進出端應將電纜的金屬外皮、進戶鋼管等與電氣設備接地裝置相連。外立面玻璃幕墻、鋁合金百葉等金屬幕墻均需與就近結構鋼梁可靠電氣焊接。該項目建筑物電子信息系統防護等級為A級，信息設備配電系統安裝多級電涌保護。弱電系統設備的信號電纜設置相應的信號電涌保護，并嚴格按照規范的規定要求采取屏蔽、等電位聯結、安裝電涌保護器等措施。

3 結語

大自然的風雨雷電，不是我們所能控制，當雷擊發生時所產生的大電流經由接地系統散絕大多數現代鐵路信號設備已經電子化，復雜的電子裝置能否在雷雨之中保持可靠的穩定性，是現代鐵路設備科技人員急需研究的技術難題，分級防雷，用多重防護系統十分必要。要克服高電壓差所造成的傷害，高鐵站要從防雷措施著手，在外部防雷裝置上，要妥善裝設接閃器，并注意其有效遮蔽率，接地網絡則是關系著防雷功能的成敗。

參考文獻

[1] 李汝軍.客運專線接觸網防雷加強措施探討[J].電氣化鐵道，2011（4）.

[2] 于喜林，陸軍.城市軌道交通接觸網防雷技術應用[J].電氣化鐵道，2011（4）.

[3] 徐惠.京滬高鐵上海虹橋站防雷設計[J].現代建筑電氣，2011（8）.endprint

2.3 等電位聯結設計

這是指使建筑物內的各個部位都形成一個相等的電位，即等電位。若高鐵站建筑物內的結構鋼筋與各種金屬設置及金屬管線都能連接成統一的導電體，建筑物內當然就不會產生不同的電位，這樣就可保證建筑物內不會產生反擊和危及人身安全的接觸電壓或跨步電壓，對防止雷電電磁脈沖干擾微電子設備也有很大的好處。

總等電位聯結通過總等電位聯結端子箱和共用接地體實現，即各系統接地干線均接到總等電位聯結端子箱及共用接地體，建筑物內金屬構件、管道、構架等主要金屬物、進出建筑物的金屬管道、進入建筑物電纜的金屬外皮等可導電體均應采用熱鍍鋅扁鋼40 mm×4 mm與總等電位聯結端子箱聯結，總等電位聯結端子箱再采用熱鍍鋅扁鋼40 mm×4 mm與聯合接地體可靠連接。作為地下引線的鋼結構柱均保證其與周邊金屬導體作可靠電氣連接，以保證電氣連續性。

2.4 屋面設備的防雷設計

屋面防雷在很大程度上需要借助于屋面所設置的金屬設備，這些設備的主要目的是使高鐵站建筑物內的通信設備、電子電腦、精密儀器以及自動控制系統免遭雷電電磁脈沖的危害。高鐵站建筑物內的這些設施，不僅在防雷裝置接閃時會受到電磁干擾，而且由于它們本身零敏性高且耐壓水準低，有時附近打雷或接閃時，也會受到雷電波的電磁輻射的影響，甚至在其他建筑物接閃時，還會受到從該處傳來的電磁波的影響。因此可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，從而實現屋面設備的防雷功效。良好的屋面設備不僅使等電位和分流這兩個問題迎刃而解，而且對防御雷電電磁脈沖也是最有效的措施。在車站的站臺雨棚頂上可設置太陽能光伏發電電池板，由于屋頂上的太陽能板采用粘貼式非晶硅太陽能光伏發電電池板，與屋面鋁合金板可靠電氣焊接，而站臺雨棚屋面已采用防直雷的措施，在遭受雷擊的情況下電池板能自動切除此塊太陽能板與系統的連接，且太陽能供電系統非該工程的主要供電電源，不會引起二次雷擊災害。屋面上的排煙口、人孔等突出屋面的部分應采用金屬材質，且屋面上所有金屬構架、管道、鐵梯、水箱等均用具有高防腐蝕性和高導電率的專用導體與屋面鋼結構壓接。屋頂航空障礙燈應與屋面下的結構鋼質次行架用25mm×4mm熱鍍鋅扁鋼可靠電氣焊接。

2.5 雷電波的防護措施

在防雷電波侵入方面，電纜進出線在進出端應將電纜的金屬外皮、進戶鋼管等與電氣設備接地裝置相連。外立面玻璃幕墻、鋁合金百葉等金屬幕墻均需與就近結構鋼梁可靠電氣焊接。該項目建筑物電子信息系統防護等級為A級，信息設備配電系統安裝多級電涌保護。弱電系統設備的信號電纜設置相應的信號電涌保護，并嚴格按照規范的規定要求采取屏蔽、等電位聯結、安裝電涌保護器等措施。

3 結語

大自然的風雨雷電，不是我們所能控制，當雷擊發生時所產生的大電流經由接地系統散絕大多數現代鐵路信號設備已經電子化，復雜的電子裝置能否在雷雨之中保持可靠的穩定性，是現代鐵路設備科技人員急需研究的技術難題，分級防雷，用多重防護系統十分必要。要克服高電壓差所造成的傷害，高鐵站要從防雷措施著手，在外部防雷裝置上，要妥善裝設接閃器，并注意其有效遮蔽率，接地網絡則是關系著防雷功能的成敗。

參考文獻

[1] 李汝軍.客運專線接觸網防雷加強措施探討[J].電氣化鐵道，2011（4）.

[2] 于喜林，陸軍.城市軌道交通接觸網防雷技術應用[J].電氣化鐵道，2011（4）.

[3] 徐惠.京滬高鐵上海虹橋站防雷設計[J].現代建筑電氣，2011（8）.endprint

2.3 等電位聯結設計

這是指使建筑物內的各個部位都形成一個相等的電位，即等電位。若高鐵站建筑物內的結構鋼筋與各種金屬設置及金屬管線都能連接成統一的導電體，建筑物內當然就不會產生不同的電位，這樣就可保證建筑物內不會產生反擊和危及人身安全的接觸電壓或跨步電壓，對防止雷電電磁脈沖干擾微電子設備也有很大的好處。

總等電位聯結通過總等電位聯結端子箱和共用接地體實現，即各系統接地干線均接到總等電位聯結端子箱及共用接地體，建筑物內金屬構件、管道、構架等主要金屬物、進出建筑物的金屬管道、進入建筑物電纜的金屬外皮等可導電體均應采用熱鍍鋅扁鋼40 mm×4 mm與總等電位聯結端子箱聯結，總等電位聯結端子箱再采用熱鍍鋅扁鋼40 mm×4 mm與聯合接地體可靠連接。作為地下引線的鋼結構柱均保證其與周邊金屬導體作可靠電氣連接，以保證電氣連續性。

2.4 屋面設備的防雷設計

屋面防雷在很大程度上需要借助于屋面所設置的金屬設備，這些設備的主要目的是使高鐵站建筑物內的通信設備、電子電腦、精密儀器以及自動控制系統免遭雷電電磁脈沖的危害。高鐵站建筑物內的這些設施，不僅在防雷裝置接閃時會受到電磁干擾，而且由于它們本身零敏性高且耐壓水準低，有時附近打雷或接閃時，也會受到雷電波的電磁輻射的影響，甚至在其他建筑物接閃時，還會受到從該處傳來的電磁波的影響。因此可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，從而實現屋面設備的防雷功效。良好的屋面設備不僅使等電位和分流這兩個問題迎刃而解，而且對防御雷電電磁脈沖也是最有效的措施。在車站的站臺雨棚頂上可設置太陽能光伏發電電池板，由于屋頂上的太陽能板采用粘貼式非晶硅太陽能光伏發電電池板，與屋面鋁合金板可靠電氣焊接，而站臺雨棚屋面已采用防直雷的措施，在遭受雷擊的情況下電池板能自動切除此塊太陽能板與系統的連接，且太陽能供電系統非該工程的主要供電電源，不會引起二次雷擊災害。屋面上的排煙口、人孔等突出屋面的部分應采用金屬材質，且屋面上所有金屬構架、管道、鐵梯、水箱等均用具有高防腐蝕性和高導電率的專用導體與屋面鋼結構壓接。屋頂航空障礙燈應與屋面下的結構鋼質次行架用25mm×4mm熱鍍鋅扁鋼可靠電氣焊接。

2.5 雷電波的防護措施

在防雷電波侵入方面，電纜進出線在進出端應將電纜的金屬外皮、進戶鋼管等與電氣設備接地裝置相連。外立面玻璃幕墻、鋁合金百葉等金屬幕墻均需與就近結構鋼梁可靠電氣焊接。該項目建筑物電子信息系統防護等級為A級，信息設備配電系統安裝多級電涌保護。弱電系統設備的信號電纜設置相應的信號電涌保護，并嚴格按照規范的規定要求采取屏蔽、等電位聯結、安裝電涌保護器等措施。

3 結語

大自然的風雨雷電，不是我們所能控制，當雷擊發生時所產生的大電流經由接地系統散絕大多數現代鐵路信號設備已經電子化，復雜的電子裝置能否在雷雨之中保持可靠的穩定性，是現代鐵路設備科技人員急需研究的技術難題，分級防雷，用多重防護系統十分必要。要克服高電壓差所造成的傷害，高鐵站要從防雷措施著手，在外部防雷裝置上，要妥善裝設接閃器，并注意其有效遮蔽率，接地網絡則是關系著防雷功能的成敗。

參考文獻

[1] 李汝軍.客運專線接觸網防雷加強措施探討[J].電氣化鐵道，2011（4）.

[2] 于喜林，陸軍.城市軌道交通接觸網防雷技術應用[J].電氣化鐵道，2011（4）.

[3] 徐惠.京滬高鐵上海虹橋站防雷設計[J].現代建筑電氣，2011（8）.endprint