地鐵防雷設計要點研究

何寬 莫妘捷 劉明 陳彤

摘?要：交通運輸部發布實施《城市軌道交通運營前安全評估管理暫行辦法》（交辦運[2019]17號）。防雷驗收不作為必要條件之一，但防雷安全作為安全生產工作的重要環節，一直是地方政府部門及軌道交通主體部門的重要責任。在新政策和新技術發展的背景下，如何設計地鐵的防雷系統，涉及到方方面面，其中強弱電系統防雷﹑等電位及屏蔽﹑地鐵上建造建筑物及地鐵的雷電預警是重中之重，本文就這些要點進行探討研究，提出建議，為地鐵防雷設計及安全提供參考。

關鍵詞：地鐵防雷;雷電監測預警;等電位;電涌保護器

雷電是一種常見的大氣放電現象。積雨云的不同部位聚集著大量的正電荷或負電荷，形成雷雨云，而地面因受到近地面雷雨云的電荷感應，也會帶上與云底相反符號的電荷。雷電會擊中地球，被稱為地閃。地閃回擊過程中，通道內瞬時大電流產生的強烈瞬變電磁脈沖對電力電子設備、通信系統及航空航天行業造成的危害不可小覷。地鐵車站的電氣系統、電子系統和通信系統龐大復雜，這些系統維系著地鐵的正常運行，一旦發生雷災，產生系統故障，就會造成公共交通混亂，影響非常嚴重，不可忽視。例如2019年4月9日，上海地鐵八號線浦江線匯臻站因雷擊造成該站道岔故障，現場伴有異響、火星和白煙。全線列車限速運行，發車班車間隔延長，許多乘客出行受到影響。2011年4月22日，北京地鐵十號線的地面信號設備因雷擊受損，列車間隔由每班5分鐘延長到10分鐘，乘客滯留在車站的情況出現。2013年7月19日，成都地鐵二號線某站遭受感應雷，感應雷通過電源線侵入車控室，該室的所有電涌保護器被擊穿，設備產生故障，部分列車停運50分鐘。由此可見，地鐵的防雷非常重要，影響到了交通出行，經濟和社會損失比較大。認真做好防雷的設計，特別是一些關鍵性的防雷措施，降低地鐵雷電災害風險是十分必要的。

本文對地鐵強弱電系統防雷﹑等電位及屏蔽﹑地鐵上建造建筑物及地鐵的雷電監測預警四個方面進行探討，提出地鐵防雷設計的要求。

一、強弱電系統防雷

（一）根據相關研究結果[1][2]，當車站招收直擊雷時，車站頂層的磁場強度是最大，越往下越小。所以設備機房不應設置于頂層，設置的最佳位置為底層中心部位，設備應遠離引下線。選用鋁、銅等材料在四周墻體內敷設大尺寸的屏蔽網格。這樣實施之后能有效減少外界對機房設備造成的電磁干擾，能降低雷擊電磁脈沖的干擾影響，提高防護效果。

（二）電源系統與信號系統都需要進行防雷保護，電源系統采用接地的方式進行防雷，還進行防靜電及屏蔽等措施，讓各設備連接到各類接地端的子板上。電氣設備、控制設備、計算機設備以及其他配套設備組成了地鐵站的電子信息系統，并構建起人工智能系統[3]。信號系統所在的機房內有相關的安全接地系統，通過接地干線等方式連接到地面。電涌保護器的選擇及參數參照GB50343-2012及GB50057-2010[4][5]。

（三） 在地鐵站點采用共用接地系統，能夠讓低壓配電系統中的各部分進行連接，同時在配電系統中會有金屬外殼以及配電箱接地，設置各種電源保護器、在配電系統中還需要做防靜電的處理，讓這些沖擊電流不能夠小于20kA。

在公務電話與專用電話系統中，應該設置電位連接，可以根據系統在局部的電位連接來進行，在對線路進行防雷保護的時候，讓公務電話能夠通過戶外的信號，傳輸到外部埋地敷設。

在無線通信子系統中，要設置相應的電位連接與局部連接，專用無線通信子系統所在的中控室內所有金屬設備之間都是絕緣的，現場智能的裝置能夠被設備進行控制，并接到電位連接子板上，無線通信子系統所在的主控室應該包括網絡控制線路、智能控制線路。

停車場安防的防雷設計主要在主機房中采用S型的局部連接網絡，將所有的信息都經過屏蔽層連接到主機房中，車輛段安防系統的主機房也應該設置相應的機架，確保各種金屬設備能夠與其他接地設備之間絕緣，將這些戶外線路進行埋地敷設，讓兩端能夠與接地裝置相連接。

在廣播子系統中設置相應的電位連接，應該利用S型進行電位連接，所有的信息設施都要經過ERP進入到所在的機房，所有設備的機架要接地，廣播子系統所在的機房信號也要通過ERP的方式進行電位連接，還要確保金屬設備與各個部件之間足夠的絕緣，讓光纜金屬芯加強，金屬設備外殼應該做好電位連接，并與接地裝置進行更好的連接。不是非光纖的信號傳輸線路，應該在控制電壓的情況下插入合適的保護器，還要考慮到工作頻率范圍以及接口形式是否能夠讓系統更好的運行。

時鐘子系統機房中的金屬設備要與其他的設備絕緣，還要加強在金屬芯以及金屬外殼方面的電位連接，時鐘子系統能夠采用非光纖的方式進行信號連接，選擇適配的信號保護器。

在乘客信息系統中有光纜金屬芯、金屬設備外殼等， 這些都能夠與接地裝置相連接，乘客信息系統所在的機房如果存在傳輸線路，那么就可以在兩端設置電涌保護器。

（四）為防止雷電對設備的損害，保護設備。在電源線路、信號、通信線路的端口安裝電涌保護器（SPD）。SPD保護級別為：第一級，設置地點：低壓配電室﹑0.4kV低壓開關室。第二級，設置地點：UPS機房、消防控制室、調度大廳， 屏蔽門控制室、信號設備室、綜合監控室、通信設備室、各類機房、車控室;第三級，設置地點：民用通信設備室﹑ups輸出柜及一些重要的弱電設備、精密設備等。

地鐵綜合監控系統包含了ISCS、PSCADA、BAS和FAS四部分，線纜須在每兩個防雷分區的分界處設置SPD。ISCS和PSCADA只需在設備室的設備終端前設置SPD。而子系統BAS和FAS卻不一樣，設置SPD的區域較多。在FAS系統中，車輛段和停車場的回路線和電話線，其防雷分區的交界處設置適配的信號SPD。因BAS系統涉及

的設備中有電動蝶閥SDD、BAS模塊箱和室外機VRV模塊箱，均處于不同的防雷分區，所以在交界處設置適配的信號SPD。光纜不需設置SPD。

應有效地設置好弱電設備的關鍵參數值，例如：浪涌過電壓、電流幅值，讓設備在可承受的范圍之內，提升防雷保護水平，確保安全運行。

二、等電位及屏蔽

等電位連接及屏蔽是地鐵防雷系統的重要組成成分。地鐵的等電位系統由總等電位連接、子系統等電位連接及局部等電位連接網絡三大部分組成。

（一）總等電位連接。每個車站作為一個單體，設置人工接地網和自然接地體兩部分，在人工接地網和自然接地體分別測試防雷接地電阻后相連接在一起。人工接地體為加設的扁鋼，橫向接地及豎向接地設置，自然接地體為的車站主體的預埋鋼板與結構鋼筋等。從人工接地體引出接地引出線，引出線連接接地母排，接地母排連接到各等電位連接總端子，作為強電、弱電、局部等電位以及小系統等電位等進行分別連接。每條線各個站點之間的隧道內結構鋼筋、列車軌道、電纜支架等進行相互連接，整條線路就形成了一個大型的地下的條狀等電位體，接地效果異常好，實現了一條線的總等電位連接。

（二）子系統等電位連接。各個功能室作為一個子系統獨立存在，內部有各式的電子設備及儀器。作為等電位大系統的一員，每個子系統都設置了弱電接地端子箱，為內部設備接地提供連接口，內部設備因而能作為等電位大系統的最終端而存在。這些子系統包括了：氣瓶室、屏蔽門控制室、公眾通信機房、AFC 設備室、環控電控室、車站計算機房、通信設備室、衛生間、信號設備室、車控室、警用通信機房等。弱電接地端子箱的位置依據需求而定，有可能幾個子系統一起共用。屏蔽門系統的等電位比較特殊，單元門體之間進行等電位連接，采取絕緣安裝。主體與走行軌等電位連接，并連接至變電所接地母排。

（三）局部等電位連接。地鐵供電為TN-S結構，大地與入地點存在電位差，電位差會嚴重干擾設備。為了消除干擾，設備房間內的主體結構內建筑的鋼筋等要預留等電位，并應與在人工接地體引出的局部等電位端子板相連接。還通過三個方面進行局部等電位連接：1、設置等電位連接總端子PSCE，為人工接地網金屬管線引出線端子。系統內的金屬管線應全部就近連接至此類端子。2、設置等電位連接總端子WCE，為人工地網弱電引出線端子。電子信息機房的弱電設備及其他不帶電的金屬物應與機房內的局部等電位連接端子板相連接，再連接到WCE上。3、設置等電位連接總端子PCE，為人工地網強電引出線。空調設備、動力配電柜、風機、高低壓設備等大型機電設備應連接至此類端子。

（四）屏蔽及綜合布線。各種設備終端，是防護的重點對象。為降低電位差，各設備都應連接到接地母排或者等電位端子箱內。電子信息系統信號線纜形成的回路面積應盡量減少。電子信息系統線纜不應靠近出入口引下線引下來經過的區域及等電位母排，并穿金屬管道或者金屬線槽。盡量減少電磁場對線路和設備的感應，均衡電位差，限制過電壓。

三、在地鐵上建造建筑物的防雷設計

在一些地鐵線上，會出現地鐵站或車輛段上建造建筑物的情況，設計時有相關注意。地鐵上建筑的各建筑按二類防雷建筑設計。

地鐵車輛段上的建筑物，其屋面才是防雷考慮的區域，車輛段頂部形成的平臺是過渡層面[6]，類似于裙樓。建筑物與車輛段的防雷接地需上、下統一考慮，車輛段做好接地及平臺上的防雷措施，并預留與物業開發的接口。車輛段的防雷接地一般設計中只采用了平臺周圍一圈的部分柱子作為防雷接地引下線，所以為了均壓，車輛段上各樓棟建筑物防雷引下線可以利用平臺的鋼筋混泥土屋面、梁、柱、基礎內的鋼筋作為引下線。 物業開發結構柱與車輛段結構柱內部的鋼筋應焊接聯通。

車輛段上建筑物的電氣設計中，對于配電房及柴油發電機房也應該在車輛段設計過程中預留到位，以免造成荷載等達不到要求。

車輛段是按照普通建筑物來設計防雷裝置的，室外的構筑物是用架空接閃線或獨立接閃針做接閃器保護。有條件的可以安裝電源電涌保護器對其進行保護。

四、雷電監測預警及安全管理

未雨綢繆、提前防范，在建設期就規避雷擊風險是大家共同的心愿。通過以下幾個方面可以做到：

（一）完善雷電監測預警機制。“三網一系統”是由大氣電場監測網、閃電定位網、峰值記錄網組成的雷電綜合監測系統。在地鐵全線建設全覆蓋的“三網一系統”，對雷電天氣提前監測，預報，預警。并通知軌道主管部門，主管部門立即按照應急預案進行準備及處理。主管部門應制定相應的防雷應急預案、雷災處理機制，強化防雷安全工作。日常進行防雷裝置自查及相關安全培訓，增強防雷安全意識和處理能力。

（二）地鐵防雷裝置與其他相關主體工程應同步設計、同步施工、同步驗收。投入使用后的防雷裝置應每年定期檢測一次。

（三）有效利用好閃電監測資料為地鐵建設提供設計技術指導。通過雷電監測數據計算可以發現，地鐵站的反擊率達不到雷電防護效率的要求，因此要特別關注強弱電系統的雷電防護，提高防護等級，增強所使用的雷電防護器件的要求，例如：增加導體的橫截面積，減小最小分隔間距等。

（四）及時安排人員做好準備工作，密切關注供電、通訊、監控等系統設備運行情況，必要時采取防雷應急措施;易遭受雷擊的戶外或高空作業人員應停止作業;相關人員切勿接觸天線線纜、變壓器、電線桿、接閃桿（帶）、金屬管道、金屬門窗護欄。

五、結語

地鐵防雷系統是有其特別之處的。本文強弱電系統防雷﹑等電位及屏蔽﹑地鐵上建造建筑物及地鐵的雷電監測預警四個方面進行了詳細的研究探討，細化了每類系統的防雷設計。在新的政策和技術背景下，為設計提供了全面的參考。

參考文獻：

[1]賀燦花，麥金嬋.地鐵高架車站防雷與電磁屏蔽探討[J].氣象研究與應用，2018，39（4）：89-91.

[2]杜遠謀，周筠珺.基于時域有限差分方法的地鐵車站地閃回擊電磁場模擬[J].科學技術與工程，2019，19（4）：33-42.

[3]周瑩，劉敏.地鐵上蓋建筑電氣設計簡介[J].建筑電氣，2018，37（1）：29-32.

[4]中國計劃出版社.GB50057-2010建筑物防雷設計規范[S].北京：中國計劃出版社， 2011.

[5]中國建筑工業出版社.建筑物電子信息系統防雷技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[6]王斌柘.地鐵電子信息系統雷電防護設計策略探析[J].電子制作，2018，（1）：105-106.

作者簡介：何寬（1984-），男，漢族，學士，工程師，主要從事防雷監管、防雷技術應用與研究、雷電防御等方面研究工作。