車站信號綜合樓防雷及接地研究

韓 成，馬峰超

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車站信號綜合樓防雷及接地研究

韓 成，馬峰超

車站信號綜合樓對鐵路行車至關重要，而雷電會對信號樓及其內部的設備產生嚴重影響，需設置合理可行的防雷及接地系統對信號樓進行綜合防護。本文以湛江西站信號綜合樓為例，從接閃器、地網、屏蔽、SPD、避雷器等方面進行計算、分析，提出科學有效的防直擊雷和感應雷措施。

信號樓；防雷；接地

0 引言

車站信號綜合樓是鐵路安全運營的中樞，信號樓內通信、信號等設備的供電安全和正常運轉直接關系到鐵路的運營安全。信號綜合樓通常位于站場內較空曠地區，易遭受雷擊，因此需要構建有效的防雷保護和接地系統。本文以湛江西站信號綜合樓為研究對象，對建筑物防雷及接地設計進行研究。

1 信號樓防雷等級的確定

車站信號樓年預計遭受雷擊次數計算式[1]為

=×g×e（1）

式中，為信號樓年預計遭受雷擊次數，次/a；為校正系數，通常取1；g為信號樓所在區域的大地遭受雷擊的年平均密度，次/km2/a；e為與信號樓遭受雷擊次數相同的等效面積，km2。

大地遭受雷擊的年平均密度應查閱該地區的相關氣象資料確定，若無該方面資料，可按式（2）計算[2]

g= 0.1×d（2）

式中，d為年平均雷暴日，依據該地區的相關氣象資料確定。

與信號樓遭受雷擊次數相同的等效面積值應為其實際平面向外擴大后的面積。信號樓的高度通常都小于100 m，其遭受雷擊的等效面積及每邊的擴大長度計算式為[3，4]

p(200-)]×10-6（4）

式中，為信號樓每邊的擴大長度，m；、、分別為信號樓的長度、寬度、高度，m，湛江西信號樓該3項數值分別為31、12和8（圖1）。

圖1 湛江西信號樓等效面積

圖1中最外圈的虛線所圍成的面積即為信號樓平面擴大后的等效面積。

綜上，可以計算得出湛江西信號綜合樓的年預計遭受雷擊次數為0.067(次/a)，其防雷類別為第三類。

2 防雷保護

車站信號綜合樓的防雷保護分為內部防雷系統和外部防雷系統[5]。其中，外部防雷系統是為了防止直擊雷造成危害；在外部防雷系統的基礎上，為了保護建筑物內的電子及電氣設備免受雷擊電磁脈沖的干擾，設置內部防雷系統[6]。

各防雷系統保護方式如圖2所示。

圖2 防雷系統保護方式基本思路

2.1 直擊雷的防護

信號樓的防直擊雷保護系統包含了接閃器、引下線和接地網等。

2.1.1 接閃器

設置接閃器是防直擊雷的重要措施，其作用是吸引雷電流并通過其后端連接的引下線泄入大地，從而保證在其防護范圍內建筑及人員免受直擊雷侵害。由于該信號樓建筑屋面為混凝土材質，應采用明敷熱鍍鋅扁鋼（接閃帶）作為防雷接閃器。根據《建筑物防雷設計規范》，第三類防雷建筑物接閃帶應在整個屋面組成不大于20 m×20 m或24 m×16 m的網格，并且凡突出屋面的所有金屬構件均應與接閃帶可靠焊接[5]。

信號綜合樓內設有信號機械室和通信機械室，需按照《鐵路通信設備雷電綜合防護實施指導意見》等相關規定，在屋面采用不小于40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼交叉焊接構成不大于3 m×3 m的接閃網格，并將各端點與接閃帶焊接連通[7，8]。避雷帶采用不小于F8 mm的熱鍍鋅圓鋼沿屋頂周邊設置一圈，并使用相同規格的熱鍍鋅圓鋼均勻設置避雷帶支柱，支柱間距不大于1 m。

統籌考慮以上要求，并結合湛江西信號綜合樓具體情況，屋面防雷做法為：沿屋面混凝土女兒墻敷設一圈F10的圓鋼作為接閃器，安裝高度為 150 mm，直線段支架間距1 000 mm，拐角處支架間距300 mm，并在屋面上采用暗裝-40×4的扁鋼制作3 m×3 m的網格作為加強接閃器并與避雷帶可靠連接；屋面避雷帶搭接處焊接，并做防腐處理；同時，屋面所有電氣設備及其他正常不帶電的設備金屬外殼與避雷帶均做不少于2處的金屬性焊接。

2.1.2 防雷引下線

接閃器通過防雷引下線與接地裝置相連接，將雷電流泄入大地。雷電流的分流效果與引下線的數量和截面積有很大關系，引下線數量越多，每根引下線通過的雷電流越小，其感應范圍就越小。根據《建筑物防雷設計規范》，當接閃器成閉環狀且帶多根引下線時，防雷引下線截面積、直徑應滿足表1要求。

表1 引下線截面積、直徑與雷電流峰值的關系

在確定了建筑物防雷引下線后，還應注意預防接觸電壓和跨步電壓，采取措施保護人身安全。如果建筑物的金屬構架形成電氣通路，并且結構柱內的防雷引下線不少于10處，就可保證產生的接觸電壓和跨步電壓不會對人身安全產生危害。

結合以上各項要求，湛江西信號綜合樓防雷引下線做法為：利用信號樓鋼筋混凝土柱內的4根不小于F16的結構主筋通長焊接作為引下線，共11處，相鄰2處間距均不大于25 m；引下線上端與避雷帶可靠焊接，下端與接地體可靠焊接，焊接處涂漆做防腐處理；在地坪上0.5 m處，暗埋引下線接地電阻測試端子盒。

2.1.3 接地裝置

建筑物的接地裝置優先考慮利用建筑物本身的鋼筋混凝土基礎中的鋼筋作為自然接地體，并使用40 mm×4 mm的鍍鋅扁鋼將基礎鋼筋焊接為閉環形，以形成有效的電氣通路，且所有的焊接點均進行防腐處理。當利用自然接地體不能滿足建筑物的接地電阻值要求時，需要敷設人工接地極，將導體在不同地點與基礎地網連接，且不少于2處。自然接地體接地電阻可根據表2計算[9，10]。

表2 自然接地體接地電阻計算

表2中，為接地體長度，m；為結構基礎所包圍的體積，m3；為土壤電阻率，W·m。

人工敷設的接地裝置包括水平敷設的接地極和垂直敷設的接地極。一般首先敷設水平接地極進行降阻，埋深應不小于0.7 m，距建筑物外墻不小于1 m，并應盡量形成閉合的環狀，與建筑物4個角的結構主筋可靠焊接，同時在地下每隔5～10 m與建筑物基礎接地網鋼筋焊接一次。特殊情況下可以不形成環狀，但必須沿建筑物周圍敷設，以便可與建筑物的引下線就近連接。如果環形水平接地裝置敷設后，仍不能將接地電阻值降到所要求的范圍，就必須增設垂直接地極，并與水平接地極進行可靠焊接，垂直接地極應均勻布置且間距不小于其自身長度的2倍。

人工垂直接地極應優先采用熱鍍鋅角鋼、鋼管或圓鋼，水平接地極應優先采用熱鍍鋅扁鋼或圓鋼。如果由于建筑物所處自然環境的原因，接地電阻值仍然難以達到要求，需在接地極周圍采取添加降阻劑等措施。

湛江西信號綜合樓接地裝置利用自身的混凝土基礎內鋼筋，其結構基礎體積為558 m3，附近土壤電阻率約為200W·m，接地電阻為

根據相關規范要求，鐵路信號樓接地電阻值應不大于1W，因此應增設人工接地極。

該信號樓人工接地裝置具體做法：在室外距外墻3 m，地面下1 m處埋設水平接地極（40 mm× 4 mm鍍鋅扁鋼）及垂直接地極（鍍鋅角鋼，= 2 500 mm）；水平接地極與垂直接地極可靠焊接，焊接處涂漆做防腐處理，并在建筑物4個角與基礎主筋可靠焊接；室外人工接地裝置壓接成閉合的環，垂直接地極間距不小于5 m。

邊緣閉合的接地網的電阻值計算式[11，12]為

n=1e（6）

式中，n為邊緣閉合接地網的沖擊接地電阻，W；e為接地網的工頻接地電阻，W；為接地網的總面積，m2；為接地極的等效直徑，m；為水平接地極的埋深，m；0為接地網的外邊緣總長度，m；為水平接地極的總長度，m；為中間變量。

經計算，增設接地極后信號樓接地電阻值n為2.8W，仍不滿足規范要求，需在建筑物周圍添加降阻劑。根據式（6）—式（9）進行推導，如果接地電阻小于1W，則需要將土壤電阻率降至80W·m。施工現場采取上述一系列措施后，實測信號綜合樓接地電阻為0.96W，滿足規范要求。

2.2 雷擊電磁脈沖防護

雷電是危害弱電設備系統最主要的因素，建筑物內部防雷保護主要是為了防止雷擊電磁脈沖干擾。雷擊電磁脈沖會通過導線和輻射的方式進行傳播，但在實際工況中，雷擊電磁脈沖的導線傳播和輻射傳播往往同時發生，造成對弱電系統的危害。

2.2.1 雷電防護分區

雷電防護分區包括：直擊雷非防護區（LPZ0A）、直擊雷防護區（LPZ0B）、第一防護區（LPZ1）及后續防護區（LPZ）。建筑物的防雷區劃分如圖3所示。

圖3 建筑物防雷分區

通常在LPZ1區域內放置具有高抗雷擊電磁脈沖水平的弱電設備和強電設備；在LPZ2區域內的房間均設有屏蔽網，通常放置抗干擾能力較弱的弱電設備；在LPZ3區域內放置抗干擾水平極差的弱電設備，例如機柜等。在各區域界面處應設置SPD和等電位端子箱。

2.2.2 等電位聯結

隨著現代電氣技術的發展，信號樓內許多信號、信息、電氣設備已不再以大地的電位作為參考電壓，而是將建筑物內部的等電位面電位作為參考電壓。采用合理的等電位聯結措施不僅能夠防止雷電流入地引起的地電位升高，而且能夠防止信號樓內強/弱電設備的導電部件之間產生電位差，引起旁側閃絡放電。因此，信號樓內的等電位聯結是影響強/弱電設備功能實現和運行安全的重要因素。

結合國家及鐵路總公司發布的相關文件要求，等電位聯結應符合以下規定：

（1）接地線應以最短距離就近與接地端子排可靠連接；

（2）在信號機械室、通信機械室、控制室、繼電器室、電源室和機房等重要處所須設置接地端子排。接地端子排應為大于30 mm×3 mm的紫銅排，且各接地端子排應相互連接，連接為環形時不應形成閉合回路。

湛江西信號樓在總配電箱處設置總等電位聯結板，其材質為紫銅板。將配電箱的PE母排、建筑物內的金屬管道及建筑物的金屬結構等電位聯結，等電位聯結線采用-40×4鍍鋅扁鋼。設備的預留接地端子、采暖管及進入室內的PE線與各局部等電位端子箱聯結，聯結線均采用WDZB-BYJ- 6m2導線在地面內或在墻內穿塑料管暗敷。圖4為信號樓等電位聯結系統圖。

圖4 信號樓等電位聯結系統圖

2.2.3 電磁屏蔽

電磁屏蔽的主要目的是為了防止建筑物內的通信設備、信號設備、精密儀器以及自動控制系統受到雷電電磁脈沖危害。

鐵路通信機械室、信號機械室的電磁屏蔽主要由“法拉第籠”實現。法拉第籠具有屏蔽及均壓的作用，不僅可以保護其內部的弱電設備，還可以防止內部設備出現電壓反擊現象。信號樓法拉第籠如圖5所示。

圖5 信號樓法拉第籠

2.2.4 浪涌保護器

進入內部防雷區的線路其防雷擊電磁脈沖主要通過設置浪涌保護器（SPD）實現[13，14]。浪涌保護器是一種用于限制瞬時過電壓和泄放電涌電流的電器，其至少包含一個非線性元件，利用放電間隙、氣體放電管或壓敏電阻的特性，通過將過電流導入大地以限制過電壓，限制器上的電壓等于系統端的電壓，也等于限制器導通后的殘余電壓。浪涌保護器防雷原理如圖6所示。

圖6 浪涌保護器防雷原理

湛江西信號綜合樓SPD設置方案為：

（1）在總照明配電箱處安裝沖擊放電電流imp≥12.5 kA（10/350ms波形）的開關型SPD，也可安裝標稱放電電流n≥50 kA（8/20ms波形）的限壓型SPD作為一級防護，有效電壓保護水平不大于2.5 kV，最大持續運行電壓不小于253 V。

（2）在樓層分配電箱安裝標稱放電電流n≥10 kA（8/20ms波形）的限壓型SPD作為二級防護，有效電壓保護水平不大于2.5 kV，最大持續運行電壓不小于253 V。

（3）在通信、信號配電箱處安裝標稱放電電流n≥5 kA（8/20ms波形）的限壓型SPD，有效電壓保護水平不大于2.5 kV。

（4）在弱電配電箱內通信、信號等電子系統的引入端裝設的SPD由系統供應商負責提供。

3 結語

信號綜合樓作為鐵路正常運營的重要保障，預防直擊雷和感應雷危害極其重要。本文以湛江西信號樓為例，基于理論計算確定其屬于第三類防雷建筑物，參照相關規程、規范，通過理論計算，并結合現場實際情況設計了合理的接閃器、引下線及接地裝置等防直擊雷方案，經過研究分析得出合理的防感應雷措施，并明確了SPD的設置方案，對實際工程防雷及接地設計和施工具有一定的參考作用。

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The signal building in station is crucial to the railway safety operation; however, the lightning striking will cause severe impact to the signal building and its internal equipment, which require setting feasible lightning protection and earthing system for comprehensive protection of signal building. The paper, taking Zhanjiang West signal complex building as an example, illustrates the calculation and researches of lightning receptor, earthing network, earthing shield, SPD and lightning arrestor, and puts forward effective measures for protection of direct lightning striking and induced lightning striking.

Signal building; lightning protection; earthing

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.023

U284.93

B

1007-936X(2018)06-0090-05

2018-03-31

韓 成.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，工程師；

馬峰超.京津冀城際鐵路投資有限公司，高級工程師。