懸掛式單軌區(qū)間防雷措施研究

劉寶軒，劉胤欣，王向東，李 程

（中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055）

0 引言

隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，各地對于系統(tǒng)制式的選擇日趨多樣化。懸掛式單軌最早起源于20 世紀初的德國，近年來，國內(nèi)一些企業(yè)開始聚焦懸掛式單軌的研制開發(fā)。2016年，由中唐空鐵集團牽頭研制完成了具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的新能源懸掛式單軌列車，并于2016年9月成功在廠掛線。2017年，由中車四方設(shè)計制造的懸掛式單軌列車也正式下線，并于同年在成都成功掛線。截止目前，陜西韓城、貴州黔東南州等地已完成了懸掛式單軌可行性研究工作，四川大邑、樂山已展開懸掛式單軌施工圖設(shè)計，可以預見懸掛式單軌具有廣闊的市場前景。

目前，由于懸掛式單軌大規(guī)模投入工程運營較少，且不同于傳統(tǒng)軌道交通模式，對于懸掛式單軌區(qū)間的防雷研究較少，其防雷措施大多參見民建規(guī)范相關(guān)內(nèi)容，缺少針對性。

國內(nèi)首個懸掛式單軌交通技術(shù)標準DBJ 41/T 217—2019《懸掛式單軌交通技術(shù)標準》中關(guān)于防雷接地內(nèi)容為參見GB 50458—2008《跨座式單軌交通設(shè)計規(guī)范》相關(guān)章節(jié)。對于懸掛式單軌區(qū)間防雷標措施并無實際指導意義。

因此，結(jié)合懸掛式單軌的區(qū)間工程特性，探索研究適用于該類型工程防雷技術(shù)措施，對于保障運營安全，具有實際應(yīng)用意義。

1 雷擊防護

我國各地軌道交通系統(tǒng)自投入運營以來，雷電災(zāi)害事故對軌道交通運營安全造成了嚴重威脅。如2018年7月26日中午，上海地鐵1 號線遭受雷擊造成供電設(shè)備故障，莘莊站至上海南站區(qū)段列車限速運行，發(fā)車間隔延長；2019年4月9日下午2點左右，上海地鐵浦江線匯臻路站站外區(qū)間設(shè)備遭到雷擊，造成道岔故障，事發(fā)時現(xiàn)場無列車通行，浦江線全線列車限速運行，發(fā)車間隔延長。因此，必須加強軌道交通的雷擊防護，以減少雷電災(zāi)害造成的損失。

懸掛式單軌軌道梁結(jié)構(gòu)形式主要有兩種：第一種形式軌道梁采用鋼筋混凝土預制結(jié)構(gòu)，以鋼筋混凝土預制箱梁構(gòu)件作為軌道梁，可大幅度地降低懸掛式單軌交通工程的建設(shè)成本，但其質(zhì)量較大，施工運輸和現(xiàn)場安裝難度較大。另一種形式軌道梁采用鋼結(jié)構(gòu)，主體為底部斷開的閉口截面形式，采用鋼板焊接成型，其優(yōu)點便于施工安裝，提高施工效率。就這兩種結(jié)構(gòu)形式分別研究其防雷措施。

1.1 鋼結(jié)構(gòu)型軌道梁直擊雷防護

《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB 50057—2010），第5.2.7 條規(guī)定，除第一類防雷建筑物外，防雷接閃器應(yīng)滿足：連接應(yīng)是持久的電氣貫通，可采用銅鋅合金焊、熔焊、卷邊壓接、縫接、螺釘或螺栓連接；金屬板下方無易燃物品時，不銹鋼、熱鍍鋅鋼和鈦和銅板的厚度≥0.5 mm，鋁板的厚度≥0.65 mm,鋅板的厚度≥0.7 mm。

懸掛式單軌區(qū)間防雷措施按重要等級定義為“第二類防雷”實施，根據(jù)實際工程經(jīng)驗及文獻[3]鋼結(jié)構(gòu)軌道梁材料國內(nèi)外普遍采用：鋼材Q345qD 型號，鋼材厚度在10 mm 以上，標準斷面如圖1 所示。當軌道梁采用鋼結(jié)構(gòu)形式時，軌道梁頂板及側(cè)板鋼厚度遠大于規(guī)范要求的0.5 mm，因此，可直接將其作為接閃裝置。

根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB 50057—2010）第4.3.5 規(guī)定：對于鋼結(jié)構(gòu)建構(gòu)筑物來說，只要主鋼架、次構(gòu)件、圍護系統(tǒng)在施工中已經(jīng)作了可靠的連接，形成了持久可靠的電氣通路，就可以按跨度將鋼柱作為引下線。目前，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗對于鋼結(jié)構(gòu)軌道梁結(jié)構(gòu)，其橋墩亦為鋼結(jié)構(gòu)形式，橋墩鋼板厚度按市場通用的28 mm、30 mm、32 mm 和36 mm 四種，利用其橋墩鋼結(jié)構(gòu)作為防雷引下線，完全滿足規(guī)范要求。

綜上，鋼結(jié)構(gòu)軌道梁、橋墩形式的懸掛式單軌其區(qū)間防雷接閃及引下線裝置完全可以利用其結(jié)構(gòu)本身，無需額外設(shè)置獨立接閃及引下線裝置。

1.2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)型軌道梁直擊雷防護

軌道梁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)型懸掛式單軌，其軌道梁以鋼筋混凝土預制箱梁構(gòu)件組成，可大幅度地降低懸掛式單軌交通工程的建設(shè)成本。該型式直擊雷防護措施主要有兩種，一種為軌道梁頂部安裝避雷針，另一種為軌道梁頂部敷設(shè)避雷帶。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)型軌道梁標準斷面

1.2.1 軌道梁頂部安裝避雷針

懸掛式單軌交通軌道梁不同于普通的構(gòu)筑物，其特點是跨度大、距離長。軌道梁參照第二類防雷建筑物，滾球半徑hr=45 m。為便于防雷設(shè)計和施工，可沿軌道梁頂部或旁側(cè)敷設(shè)安裝一根40 mm×4 mm 的貫通鍍鋅扁鋼，并且在每個避雷針處做局部接地處理，將其作為避雷針的懸浮接地點。安裝避雷針示意見圖2、圖3。

圖2 避雷針安裝平面、立面示意

圖3 避雷針安裝斷面示意

本研究取軌道梁高度平均值14 m，標準跨度為30 m[3]進行計算。根據(jù)GB 50057—2010 附錄D 滾球法確定接閃器的保護范圍，計算公式見式（1）。

式中 h——避雷針高度，m

hr——滾球半徑，m

r0——避雷針在參考地面上的保護半徑，m

以軌道梁頂部平面作為避雷針地面保護平面，按hr=45 m，r0=15 m，高度h 約為2.56 m。

根據(jù)計算分析避雷針高度可按2.6 m 設(shè)置，這樣軌道梁可完全置于保護范圍內(nèi)，將避雷針的引下線與懸浮接地扁鋼相連接，然后沿墩柱引下，利用墩柱內(nèi)部2 根直徑大于16 mm 的主筋作為引下線，并利用墩柱的基礎(chǔ)鋼筋作接地裝置。

1.2.2 軌道梁頂部安裝避雷帶

根據(jù)GB 50057—2010 第4.3.1 規(guī)定：第二類防雷建筑物外部的防雷措施，宜采用裝設(shè)在建筑物上的接閃網(wǎng)、接閃帶或接閃桿。沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等容易遭受雷擊的部位敷設(shè)，并應(yīng)在整個屋面組成不大于10 m×10 m 或12 m×8 m的網(wǎng)格。

結(jié)合懸掛式單軌工程特性，利用軌道梁頂部安裝避雷帶保護軌道梁。實際施工安裝過程中避雷帶支持卡高度0.1～0.3 m，避雷帶材料為Φ10 圓鋼，避雷帶安裝示意見圖4。標準跨距軌道梁頂部敷設(shè)避雷帶平面示意見圖5。利用混凝土橋墩墩柱內(nèi)2 根直徑＞16 mm 的主筋作為防雷引下線。并利用墩柱的基礎(chǔ)鋼筋作接地裝置。

圖4 明裝接閃帶安裝做法示意

圖5 軌道梁頂部避雷帶敷設(shè)平面示意

1.3 雷電電磁脈沖防護

國際電工委員會（IEC1024—1）將建筑物防雷分為兩部分：外部防雷裝置和內(nèi)部防雷裝置。外部防雷裝置由接閃器、引下線和接地裝置三部分組成。但外部防雷裝置再完善,沒有配套的內(nèi)部防雷裝置,仍無法獲得好的防雷效果。雷擊接閃后,建筑物引下線附近的設(shè)備會受到雷電流的感應(yīng),即雷電電磁脈沖干擾。雷電電磁脈沖對建筑物、人身和各種電氣設(shè)備及管線都會造成不同程度的危害。

因此，良好的內(nèi)部防雷措施能減小建筑物內(nèi)的雷電流和所產(chǎn)生的電磁效應(yīng)，并能防止反擊、接觸電壓、跨步電壓等雷電電磁脈沖所造成的危害。內(nèi)部防雷主要為采取等電位連接設(shè)施、合理設(shè)置電涌保護器（SPD）以及良好接地等措施。

結(jié)合懸掛式單軌區(qū)間工程特性，其區(qū)間主要用電設(shè)備為區(qū)間檢修電源箱、道岔電源箱及其他相關(guān)弱電通信類設(shè)備。低壓配電系統(tǒng)采用TN-S 系統(tǒng)，PE 線、屏蔽層、穿線鋼管、電源箱外殼以及一切正常情況下不帶電設(shè)備均與區(qū)間設(shè)置的局部等電位接地端子可靠連接。

當雷電防護區(qū)建立后,進出此區(qū)域的線纜則破壞的防護區(qū)的完整性,雷電電磁會在線纜上感應(yīng)出過電壓,進入防護區(qū),對防護區(qū)內(nèi)的設(shè)備造成影響。因此,除需將進出防護區(qū)域的線纜進行可靠的等電位連接外,在進出線纜處界面加裝浪涌保護器（SPD）,實現(xiàn)對帶電導體防護。

2 接地及防雷預警監(jiān)控系統(tǒng)

懸掛式單軌區(qū)間防雷接地、系統(tǒng)接地和保護接地共用接地裝置，且應(yīng)優(yōu)先利用墩柱基礎(chǔ)鋼筋作為接地裝置，現(xiàn)行國家標準規(guī)定每處沖擊接地電阻不應(yīng)大于10 Ω[5]。

2.1 區(qū)間接地系統(tǒng)實施方案

區(qū)間橋墩墩柱基礎(chǔ)接地示意見圖6，區(qū)間墩柱（鋼柱或混凝土柱墩柱基礎(chǔ)類似）接地示意圖中預留人工接地裝置引接條件。當墩柱基礎(chǔ)接地電阻不滿足要求時，應(yīng)增設(shè)人工接地體，人工接地體在土壤中的埋設(shè)深度不宜小于0.6 m。

圖6 橋墩墩柱基礎(chǔ)接地示意

人工接地裝置分為水平接地體和垂直接地體。埋于土壤中的垂直接地體宜采用熱鍍鋅角鋼、鋼管或圓鋼；埋于土壤中的水平接地體宜采用熱鍍鋅扁鋼或圓鋼。垂直接地體的間距及按5 m 設(shè)計，當場所受限時可適當調(diào)整。圖7 為橋墩基礎(chǔ)周邊增設(shè)人工接地裝置實施方案。

懸掛式單軌區(qū)間線路大多位于市區(qū)主干道或主干道綠化帶內(nèi)，為降低跨步電壓，人工接地裝置距人行道不宜小于3 m，當小于3 m 時，應(yīng)采取下列措施之一：①水平接地體局部深埋不應(yīng)小于1 m；②水平接地體局部應(yīng)包以絕緣物；③宜采用瀝青碎石地面或在接地網(wǎng)上面敷設(shè)50～80 mm 瀝青層，其寬度不宜小于接地網(wǎng)兩側(cè)各2 m。

2.2 防雷接地預警監(jiān)控系統(tǒng)

良好的接地是防雷中至關(guān)重要的一環(huán)，接地性能的好壞直接影響設(shè)備的運行狀態(tài)以及人身安全。直接體現(xiàn)懸掛式單軌區(qū)間防雷性能的指標是接地及等電位連接電阻的大小，接地電阻值越小雷電過電壓值就越低。工程實施過程中接地為隱蔽工程，一般僅在竣工時進行接地電阻和等電位的測量，而隨著時間的推移，接地裝置是否失效（含接地極材料腐蝕斷裂）、周邊地質(zhì)條件是否發(fā)生變化而導致接地電阻不滿足功能要求的情況則無法把控。因此,及時并準確地監(jiān)控接地及等電位連接電阻值是否在合理的范圍內(nèi)，對于保證系統(tǒng)及人員安全的重要性是顯而易見的。

圖7 墩柱基礎(chǔ)與人工接地裝置實施方案

浪涌保護器（SPD）的作用是對電網(wǎng)上的雷電流進行泄放和抑制其瞬態(tài)過壓幅值，有效保護電路和用電設(shè)備的安全。目前，現(xiàn)場運營維護自動化程度較低，因此無法實現(xiàn)對懸掛式單軌系統(tǒng)區(qū)間設(shè)備內(nèi)部的浪涌保護器（SPD）劣化狀態(tài)信息（剩余電流）的及時有效監(jiān)控。

基于上述現(xiàn)狀并結(jié)合懸掛式單軌工程實際，研究并開發(fā)了一套懸掛式單軌區(qū)間防雷接地預警監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)既能實現(xiàn)懸掛式單軌區(qū)間接地電阻狀態(tài)的在線監(jiān)測，又可實現(xiàn)對浪涌保護器（SPD）狀態(tài)信息、后備保護器脫扣信號、雷擊次數(shù)、雷擊強度等實施全方位監(jiān)測。系統(tǒng)原理如圖8 所示。

在車站綜合控制室配置監(jiān)測平臺通信主機及配套軟件，良好的人機交互界面為運營人員提供直觀、高效的工作環(huán)境。系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)采用RS485 工業(yè)通信協(xié)議，硬件接口采用光電隔離元件，實現(xiàn)就地測試數(shù)據(jù)遠程傳輸，同時具有隔離浪涌的功能；具備在復雜工況下通過4G 通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)的無線通信方式。防雷接地預警監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能如下：

（1）可就地顯示系統(tǒng)接地電阻值、浪涌保護器（SPD）狀態(tài)數(shù)據(jù)、雷擊次數(shù)、雷擊強度、雷擊發(fā)生時間，設(shè)定接地電阻值報警門限值，監(jiān)測值高于設(shè)定值時就地報警。

圖8 懸掛式單軌區(qū)間防雷接地預警監(jiān)控系統(tǒng)

（2）可遠程設(shè)置硬件設(shè)備通信地址，便于集成組網(wǎng)。

（3）記錄數(shù)據(jù)自動存儲報表，方便歷史查詢、分析監(jiān)測點接地阻值的變化情況。

（4）可根據(jù)被監(jiān)測設(shè)備或系統(tǒng)不同的接地工程標準分別設(shè)定接地電阻值報警門限值，便于系統(tǒng)內(nèi)部差異化監(jiān)測。

（5）直觀、動態(tài)顯示被監(jiān)測設(shè)備接地工況。軟件顯示界面見圖9。

3 結(jié)語

圖9 防雷接地預警監(jiān)控系統(tǒng)軟件顯示界面

研究了懸掛式單軌區(qū)間防雷接地措施，針對不同形式材料軌道梁分別提出對應(yīng)的雷擊防護措施，同時對雷電電磁脈沖防護進行分析研究。建立一套可追溯的智能化防雷接地預警監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)對防雷裝置的遠程監(jiān)控及故障預警，將被動性的防雷體系提升為可視化的智能防雷網(wǎng)絡(luò)，可有效協(xié)助軌道交通運營單位提升運維管理水平及效率。