現代有軌電車車輛檢修基地綜合樓雷電防護措施分析

周雪君 陳吉藝 魏雪

摘 ?要：目前我國缺乏專門針對有軌電車的防雷技術規范，本文以我市待建的現代有軌電車一期工程T1線車輛檢修基地綜合樓為研究背景，利用雷電監測數據對項目地周圍的地閃特征進行了分析。在此基礎上結合項目地所處的地質條件及工程實際，通過對年預計雷擊次數N1及防雷裝置攔截效率E的估算，得出綜合樓為第三類防雷建筑物，樓內弱電系統雷電防護等級為B級。最后，結合綜合樓的結構特點、項目地周圍地閃強度累積概率分布以及綜合樓內弱電設備的布設情況，按照現代綜合雷電防護理論，從接閃、引下、泄流入地、等電位連接與接地、屏蔽與合理布線、合理安裝電涌保護器等方面提出了具體的防護措施、思路及方法。

關鍵詞：有軌電車;基地綜合樓;弱電設備;雷電災害;防護技術;分析

引言

車輛基地是現代有軌電車的大本營。其中，基地內的運用庫、聯合檢修庫、洗車加砂庫主要承擔電車的停放、檢修、保養、一般故障處理等工作。綜合樓內的智能化集成系統是維系有軌電車正常運營及安全通行的中樞神經。一旦遭受雷擊將危及有軌電車的正常運行，嚴重的會造成人員傷亡和經濟損失，因此，對車輛檢修基地綜合樓的雷電防護顯得尤為重要。下面以本市待建的現代有軌電車一期工程T1線車輛檢修基地綜合樓為研究背景，對其雷電災害的防護措施作一簡要分析。

1項目概況

現代有軌電車T1線全長18.5km。車輛檢修基地于位于 T1 線中部接軌于正線應家山站。綜合樓位于檢修基地西側，長175m，寬31 m，高33 m。地下一層設一座 10kV 降壓跟隨變電所，為基地內的動力照明提供全部電源，首層設有弱電設備機房及消防控制室，二層設有大樓弱電設備用房、培訓室、弱電綜合電源室、票務用房、系統維護管理用房，五層為調度中心對本線列車運行、電力供應、防災報警和設備監控、票務等實行統一調度指揮。

2項目地周圍地閃特征分析

選取車輛檢修基地區塊中心位置（28.681269°N，121.370937°E）為參考點，統計該參考點周圍10km范圍內的雷電數據。根據浙江省雷電監測定位系統（臺州市終端）數據統計分析，近十四年（2007～2021年）該項目區塊10km范圍內年平均地閃密度Ng為4.33次/（km2·年），最大正地閃強度為209.2 kA，最大負地閃強度為325.29 kA，平均正地閃強度為26.45 kA，平均負地閃強度為30.36 kA，其地閃次數及地閃強度累積概率分布如圖1所示。從圖1中可以看出90%的雷電流強度≤50.7 kA，95%的雷電流強度≤62kA，99%的雷電流強度≤102kA。

3防雷類別劃分和樓內弱電系統雷電防護等級的估算

3.1綜合樓防雷類別劃分

建筑物防雷類別根據其重要性、使用性質、遭雷擊的可能性（年預計雷擊次數N1）和后果，進行劃分。年預計雷擊次數按下式計算[1]：

N1=k×Ng×Ae ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 式（1）

式中：k為校正系數。這里k取1; Ng為年平均地閃密度（次/km2·年）; Ae為與建筑物截收相同雷擊次數的等效面積（km2）。

根據工程設計提供的尺寸，按照規范[1]附錄A公式A.0.3-2及式（1）計算可得，綜合樓年預計雷擊次數N1=0.23（次/年），根據《建筑物防雷設計規范》（GB50057-2010）3.0.4條第3款可知，綜合樓為第三類防雷建筑物。

3.2電子電氣系統雷電防護等級的估算

⑴入戶設施年預計雷擊次數N2的計算。

入戶設施年預計雷擊次數N2與入戶設施截收面積有關。入戶設施截收面積A’ e=A’ e1+A’ e2，其中，A’ e1、A’ e2分別為電源線纜、信號線纜入戶設施的截收面積（km2）。根據工程實際綜合樓內的電源線、信號線均為埋地引入。其中，供電電源為高壓電纜埋地引入至地下一層10kV 降壓跟隨變電所內，埋地長度L取1000m。本項目地1.5m以下土壤主要成分為粘土，土壤電阻率ρ取100Ω.m。按照GB50343-2012附錄A表A.1.4及公式N2=k×Ng×A’ e計算可得：綜合樓A’ e=0.21km2，N2=0.9093次/年·km2。

⑵可接受的最大年平均雷擊次數Nc的計算。根據工程實際綜合樓C因子取值為10.2，則Nc=5.8×10-1/C=0.0569。

⑶由以上計算結果可得攔截效率E=1-Nc/（N1+N2）=0.95。由GB50343-2012第4.2.5條可知：綜合樓內弱電系統雷電防護等級為B級。

4綜合樓直擊雷防護

綜合樓為鋼筋混凝土框架結構鉆孔樁基礎，屋面為鋼筋混凝土結構外包鋁鎂錳板保溫隔熱構造，表面層鋁鎂錳板厚度為1mm。其防護措施如下：①利用自身金屬屋面作為接閃器。②利用綜合樓地梁上、下層二根Φ≥16的主筋作為水平接地體（若無地梁時，采用二根Φ≥16的熱鍍鋅圓鋼），利用部分樁內兩條主鋼筋作為垂直接地體，水平接地體與垂直接地體通過承臺鋼筋相互連通組成基礎接地網，其接地電阻按接入設備中要求的最小值確定，一般不大于1Ω[2]。③在綜合樓陽角及外墻四周利用建筑物柱內兩根大于Φ16 mm主鋼筋作為引下線，平均間距≤25m。

5綜合樓弱電系統雷擊電磁脈沖的防護

5.1綜合樓內各設備等電位連接和接地

根據綜合樓內各設備分布情況，具體措施如下： ⑴在地下一層10kV 降壓跟隨變電所內設置總等電位接地母排BME，從基礎接地網中引出若干根接地引出線（P1～6）與總等電位接地母排BME電氣連接。同時，將變配電設備的金屬外殼、變壓器中性點、電纜的金屬外皮、電纜金屬橋架、電源PE線等正常情況下不帶電的金屬物與總等電位接地母排電氣連接。⑵在綜合樓雷電防護區（LPZ0區與LPZ1區）的界面處預計有金屬管線出入的地方，設置金屬管線接地母排（PSCE）。從基礎接地網中引出2根接地引出線（P7-8）與金屬管線接地母排（PSCE）電氣連接。⑶在綜合樓東、西2組強（弱）電間內分別設置1條豎向接地干線，從基礎接地網中引出2組接地引出線（P9～12），其中，P9、P11與強電間內豎向接地干線電氣連接，P10、P12與弱電間內豎向接地干線電氣連接。同時，在每層強（弱）電間內設置水平等電位接地母排（PCE、WCE），并與強（弱）電間內豎向接地干線、樓板鋼筋或圈梁鋼筋作等電位連接。⑷在首層弱電綜合機房及消防控制室，二層大樓弱電設備用房、培訓室、弱電綜合電源室、票務用房、系統維護管理用房，五層調度中心等設備用房內設置局部等電位接地母排BLE或局部等電位接地網，同時，分別與本層強、弱電間內的接地母排（PCE 、WCE）連接;對于一層弱電綜合機房、二層大樓弱電設備用房、五層調度中心等工作頻率為MHz級的數字線路大型機房，采用M型等電位連接方式 [3]。⑸機房內的設備外殼、機柜、支架、橋架、電源PE線、各種屏蔽體等金屬組件與局部等電位接地母排BLE或網連接。（如圖2）

5.2屏蔽與合理布線

⑴空間屏蔽

研究表明當磁場強度大于5.6 A/ m時，計算機系統工作處于混亂狀態;當磁場強度大于191 A/m時，就會產生永久性損壞[4]。按最壞情況考慮，當雷電直擊建筑物時，雷電流在室內空間LPZ1及后續LPZn區內產生的磁場強度H1、Hn按以下公式計算[5]：

H1= kH· I0· w /（ dw· ） ? ? ? ? ? ? ?式⑵

Hn=Hn-1/10SF/20 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?式⑶

式中：kH為形狀系數，取kH=0.01（1/ ）;I0為雷電流最大值（A）;w為屏蔽網格寬度（m）; dw為所確定的點至LPZ1區屏蔽墻的最短距離（m）;dr為所確定的點至LPZ1區屏蔽頂的最短距離（m）;SF為LPZn區屏蔽體的屏蔽系數，其計算公式如下[5]：

SF=20·lg（8.5/w） ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? 式⑷

綜合樓為鋼筋混凝土結構，具有初級屏蔽效果，所有設備均處于LPZ1。以綜合樓頂五層調度中心為例估算其空間中心點處的磁場強度H1，調度中心高6.5m，進深16.2m，柱間距8.1m，則空間中心點離頂的距離dr=3.25m，離外墻的距離dw=8.1m，屏蔽網格寬度w=8.1m，根據項目地雷電流累積概率分布情況，取I0=102 kA，按照式⑵計算可得H1=566.7（A/m），遠大于191 A/m。在空間有限、設備布設位置相對固定的情況下，要使空間磁場強度處于5.6 A/ m，必須進行屏蔽。設備的金屬外殼可以作為第二級屏蔽體，設H2=5.6 A/ m，按照式⑶⑷計算可得屏蔽網格寬度w=8.4cm。從以上分析可得，當設備金屬外殼的網格寬度大于8.4cm時，調度中心四周應增加空間屏蔽體。

⑵線路屏蔽

所有與通信設備相連的電源、信號等線纜包括均需進行線路屏蔽，其屏蔽層均應在入戶處接地，當信號線為光纜時，其光纜的接頭、護層、擋潮層、加強芯等金屬物均應在入戶處直接接地。

⑶合理布線

在綜合樓中心部位設置強、弱電井，電源線、信號線沿強弱電井分開敷設在各自的金屬線槽或金屬橋架內。機房內布設電源線、信號線走向時盡量減少由電源線、信號線形成的電磁感應環路面積。同時，信號線纜與防雷引下線、電力電纜、水管等各種金屬管線按照規范分開一定距離布設[5]。

5.3合理安裝及選擇電涌保護器（SPD）

根據綜合樓內供配電設備的布設情況及B級雷電防護等級的要求，電源SPD的安裝位置及技術參數選取如下：①地下一層10kV 降壓跟隨變電所低壓配電柜內裝設第一級SPD，主要技術參數：Iimp≥15kA，Up≤2.5kV;②在各樓層動力配電箱、潛水泵配電箱、消防風機配電箱、屋頂消防風機配電箱、屋頂穩壓泵配電箱、屋頂動力配電箱、弱電綜合電源室、培訓室等二級配電箱內裝設第二級SPD，主要技術參數：In≥30kA，Up≤2.0kV;③在弱電機房、消控室、調度大廳、電梯機房、票務系統等電源配電箱內裝設第三級SPD，主要技術參數：In≥5kA，Up≤1.2kV;④對于特殊需要保護的信息設備電源終端箱內裝設第四級SPD，Up≤0.8Uw[6]。同一線路上安裝的電涌保護器應注意能量上的配合，前后級之間保持一定的線路長度[7]。

信號系統：SPD宜安裝在信號線入戶處或被保護設備的信號端口上。其技術參數根據線路的工作頻率、工作電壓、傳輸速率、傳輸帶寬、接口形式、特性阻抗等進行合理選擇。電壓保護水平Up應低于被保護設備絕緣耐沖擊電壓Uw。（這里不作分析）

6結束語

本文利用浙江省雷電監測定位系統對我市待建的現代有軌電車一期工程T1線車輛檢修基地綜合樓周圍的地閃特征進行了分析，按照現代綜合雷電防護理論對車輛檢修基地內綜合樓的雷電防護進行了具體分析研究，得出以下結論：

⑴根據項目地所處的地質條件、綜合樓的建筑規模，以及強弱電線纜的入戶方式，通過對年預計雷擊次數N1及防雷裝置攔截效率E的估算，得出綜合樓為第三類防雷建筑物，樓內弱電系統雷電防護等級為B級。

⑵根據第三類防雷建筑物的防護要求，結合綜合樓的結構特點，從接閃、引下、接地散流三方面對綜合樓的直擊雷防護措施提出了具體的方案。

⑶根據項目地周圍地閃強度累積概率分布以及綜合樓內弱電設備的布設情況和B級雷電防護等級的要求，從等電位連接和接地、屏蔽與合理布線、安裝合適的電涌保護器等三方面對弱電系統設備雷擊電磁脈沖的防護措施進行分析，提出了具體的防護思路及方法。

參考文獻：

[1]GB50057-2010建筑物防雷設計規范[S].

[2]JGJ16-2008民用建筑電氣設計規范[S].

[3]GB50174-2017數據中心設計規范[S].

[4]張鵑，林卓宏，嚴金芳.超高層電梯機房防雷區磁場強度分析及防御技術[J].氣象科技，2014，42（5）：918-921.

[5]GB50343-2012建筑物電子信息系統防雷技術規范[S].

[6]GB/T21431-2008 建筑物防雷裝置檢測技術規范[S].

[7]陳軍.電氣系統中電涌保護器的雷電流能量配合設計[J].氣象科技，2007，35（5）：723-726.

作者簡介：

周雪君，女（1964.12），漢族，浙江臺州人，本科學歷，職稱：高級工程師，研究方向：雷電防護技術及雷電災害風險評估

陳吉藝，女（1991.12），漢族，浙江臺州人，本科學歷，職稱：工程師，研究方向：交通工程設計

魏雪，女（1985.10），漢族，黑龍江綏化人，研究生學歷，職稱：工程師，研究方向：雷達在短時強對流天氣上的應用

3197500589208