淺談鐵路站房防雷接地設(shè)計(jì)

曹秀芬(悉地(北京)國(guó)際建筑設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司， 北京 100010)

1 前言

雷電是常見(jiàn)的自然災(zāi)害，對(duì)人類的工作和生活環(huán)境造成很大影響，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年因雷擊造成人員傷亡達(dá)3 000～4 000人，財(cái)產(chǎn)損失在50～100億元人民幣。近年來(lái)的鐵路雷電事故造成了巨大的損失。以滬昆(上海至昆明)線某中間站為例，針對(duì)建筑物防雷設(shè)計(jì)的外部防雷(接閃器、引下線、等電位、屏蔽、接地)和內(nèi)部防雷(電涌保護(hù)器)，談?wù)勗阼F路站房設(shè)計(jì)中的做法。

2 工程概況

站房近期高峰小時(shí)發(fā)送旅客量為3 290人/高峰小時(shí)，最高聚集人數(shù)2 000人，站房型式為線側(cè)下式旅客車站。站房建筑面積14 905.76m2,站房雨篷投影面積16 200m2，為中型鐵路旅客車站。

站房和雨棚的防雷類別計(jì)算如表1。

3 接閃器

接閃器是防護(hù)直擊雷的重要措施，其作用是吸引雷電流過(guò)來(lái)并通過(guò)其后端連接的引下線泄放入地，從而保證在其防護(hù)范圍內(nèi)的建筑及人員免受直擊雷侵害。其類型包括接閃桿、接閃帶和接閃網(wǎng)。

表1 站房和雨棚的防雷類別

混凝土屋面區(qū)域：采用明敷40mm×4mm熱鍍鋅扁鋼作接閃器，混凝土屋頂接閃帶網(wǎng)格按照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50057-2010)4.3.1第二類防雷建筑≤10m×10m或12m×8m，每跨由混凝土柱內(nèi)引出兩根≥Φ16鋼筋與扁鋼可靠焊接。

金屬屋面區(qū)域：站房屋頂中間區(qū)域?yàn)榘搴駷?.8mm的鋁鎂錳合金板，金屬板厚度滿足《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50057-2010)5.2.7條關(guān)于金屬屋面板作為接閃器的厚度的規(guī)定，且屋面下無(wú)可燃物，因此利用金屬屋面作為接閃器。金屬屋面板與柱內(nèi)兩根≥Φ16的主筋可靠焊接，形成電氣通路。凡突出屋面的所有金屬構(gòu)件，均應(yīng)與接閃帶可靠焊接。

鐵路四電機(jī)房屋面區(qū)域：站房右側(cè)一層二層鐵路信號(hào)、通信機(jī)房屋頂，要求設(shè)計(jì)天網(wǎng)防雷，根據(jù)《鐵路通信設(shè)備雷電綜合防護(hù)實(shí)施指導(dǎo)意見(jiàn)》(鐵運(yùn)[2011]144號(hào))2.2.2條和《鐵路信號(hào)設(shè)備雷電及電磁兼容綜合防護(hù)實(shí)施指導(dǎo)意見(jiàn)》(鐵運(yùn)[2006]26號(hào))3.1.1條，采用40mm×4mm熱鍍鋅扁鋼交叉焊接構(gòu)成≤3m×3m的接閃網(wǎng)格，并將各端點(diǎn)與接閃帶焊接連通。網(wǎng)格由40mm×4mm的熱鍍鋅扁鋼交叉焊接構(gòu)成。

雨棚屋頂及屋檐為鍍鋅鋼板，板厚為1.0mm，屋面下無(wú)可燃物，故利用該金屬板及鋼屋架作為接閃器。金屬屋面與雨棚鋼柱可靠焊接，形成電氣通路。

根據(jù)《鐵路信號(hào)設(shè)備雷電及電磁兼容綜合防護(hù)實(shí)施指導(dǎo)意見(jiàn)》(鐵運(yùn)[2006]26號(hào))3.1.2條規(guī)定：信號(hào)機(jī)房的建筑物屋頂不允許設(shè)置接閃桿。

4 引下線

引下線是接閃帶與接地裝置的連接線，是雷電流泄放入大地的通道。引下線的粗細(xì)和數(shù)量直接影響分流效果，引下線多，每根引下線通過(guò)的雷電流就小，其感應(yīng)范圍就小。引下線相互之間的距離不應(yīng)小于《建筑 物 防 雷 設(shè) 計(jì) 規(guī) 范 》(GB50057-2010)4.3.3、4.4.3中的規(guī)定。當(dāng)建筑物很高，引下線很長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)在建筑物的中間部位增加均壓環(huán)，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。

站房利用建筑物外側(cè)混凝土柱子內(nèi)兩根Φ16以上主筋通長(zhǎng)焊接作為引下線，間距≤18m，引下線上端與接閃帶焊接，下端與接地極相連，接地極由建筑物基礎(chǔ)底梁及基礎(chǔ)底板軸線上的上下兩層鋼筋內(nèi)的兩根主筋和站房四周40mm×4mm鍍鋅扁鋼組成。接閃帶引下線與水平接地體的連接點(diǎn)處應(yīng)設(shè)垂直接地體，垂直接地體必須與水平接地體可靠焊接。

大部分地面式雨棚型式如圖2所示，雨棚利用雨棚鋼柱為防雷引下線，與雨棚柱下基礎(chǔ)內(nèi)40mm×4mm扁鋼可靠聯(lián)接。站臺(tái)扁鋼在站臺(tái)兩端分別引兩處與站場(chǎng)綜合接地相連。

本站雨棚坐落在軌道的橋墩上，如圖3所示，利用雨棚柱為防雷引下線，雨棚柱與站臺(tái)面預(yù)留的接地端子可靠焊接，通過(guò)站臺(tái)基礎(chǔ)內(nèi)的兩根≥Φ16主筋再與橋墩頂端預(yù)留的接地端子可靠連接，通過(guò)橋墩的鋼筋引下，將所有引下線通過(guò)水平接地體40mm×4mm扁鋼可靠聯(lián)接。橋梁專業(yè)在橋墩上方預(yù)留貫通地線接地端子板，站臺(tái)扁鋼在站臺(tái)兩端分別引兩處(間隔2～3m)與站場(chǎng)綜合接地相連。

5 等電位

建筑物內(nèi)的各個(gè)部位都形成一個(gè)相等的電位，即等電位。

1)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物最具備實(shí)現(xiàn)等電位的條件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)鋼筋的大部分都是自然地焊接或綁扎在一起的。為滿足防雷裝置的要求，把接閃裝置與梁、板、柱和基礎(chǔ)可靠地焊接、綁扎或搭接在一起，同時(shí)再把各種金屬設(shè)備和金屬管線與之焊接或卡接在一起，這就使整個(gè)建筑物成為良好的等電位體。

2)本工程在變電所設(shè)置總等電位聯(lián)結(jié)板，總等電位板由紫銅板制成，所有進(jìn)入建筑物的外來(lái)導(dǎo)電物均應(yīng)在LPZ0A或LPZ0B與LPZ1區(qū)防雷界面處做等電位連接。將建筑物內(nèi)保護(hù)干線、設(shè)備進(jìn)線總管、建筑物金屬構(gòu)件進(jìn)行等電位聯(lián)結(jié)；總等電位至接地極聯(lián)結(jié)線采用2×(40mm×4mm)鍍鋅扁鋼，局部等電位LEB至總等電位MEB、接地極聯(lián)結(jié)線采用40mm×4mm鍍鋅扁鋼。消防控制室、通信機(jī)房、信號(hào)機(jī)房、信息機(jī)房單獨(dú)引下線采用2×(BV-1×25 PC50)。

3)帶淋浴的衛(wèi)生間采用局部等電位聯(lián)結(jié)，從地板及墻上適當(dāng)?shù)牡胤礁饕鲆桓?Φ16的結(jié)構(gòu)鋼筋至局部等電位箱LEB，局部等電位箱暗裝，底距地0.3m。將衛(wèi)生間內(nèi)所有金屬管道、構(gòu)件及引入衛(wèi)生間的PE線聯(lián)結(jié)，參考《等電位聯(lián)結(jié)安裝》(02D501-2)-P16。

4)配電間，弱電機(jī)房，配線間及電扶梯的等電位聯(lián)接具體做法參考《等電位聯(lián)結(jié)安裝》(02D501-2)-P13/P14/P21/P45。

5)站房玻璃幕墻龍骨檁條與結(jié)構(gòu)鋼柱可靠連接，形成電氣通路。

6)鐵路站房四電機(jī)房的等電位聯(lián)結(jié)設(shè)置如下：

根據(jù)《鐵路信號(hào)設(shè)備雷電及電磁兼容綜合防護(hù)實(shí)施指導(dǎo)意見(jiàn)》(鐵運(yùn)[2006]26號(hào))3.4.1條規(guī)定：信號(hào)設(shè)備應(yīng)設(shè)安全地線、屏蔽地線和防雷地線，當(dāng)有防靜電地板時(shí)應(yīng)設(shè)防靜電地線，有微電子設(shè)備時(shí)可設(shè)置邏輯地線。上述地線均由共用接地系統(tǒng)的地網(wǎng)引出。3.5條規(guī)定：以上接地線必須以最短距離分別就近與接地匯集線連接?？刂剖摇⒗^電器室、防雷分線室、機(jī)房和電源室應(yīng)設(shè)置接地匯集線。接地匯集線宜采用>30mm×3mm紫銅排，可相互連接成條形、環(huán)形或網(wǎng)格形，環(huán)形設(shè)置時(shí)不得構(gòu)成閉合回路。如圖4所示。

通信、信號(hào)機(jī)房的電源接地匯集線應(yīng)單獨(dú)設(shè)置，并分別與環(huán)形接地裝置單點(diǎn)冗余連接。其余接地匯集線可采用截面積≥50mm2有絕緣外護(hù)套的多芯銅導(dǎo)線或30mm×3mm紫銅排相互連接后與環(huán)形接地裝置單點(diǎn)冗余連接。

根據(jù)《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ16-2008)23.4.2.3條，對(duì)于電子信息設(shè)備機(jī)房?jī)?nèi)應(yīng)做等電位聯(lián)結(jié)，對(duì)于工作頻率較低且設(shè)備數(shù)量較少的機(jī)房，可采用單點(diǎn)(S型)接地方式；對(duì)于工作頻率較高且設(shè)備數(shù)量較多的機(jī)房，可采用多點(diǎn)(M型)接地方式。所以本項(xiàng)目均采用多點(diǎn)接地方式。

6 電磁屏蔽

屏蔽的主要目的是使鐵路站房?jī)?nèi)的通信設(shè)備、電子計(jì)算機(jī)、精密儀器以及自動(dòng)控制系統(tǒng)免遭雷電電磁脈沖的危害。屏蔽主要有電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽及電磁屏蔽等，本項(xiàng)目主要采用初級(jí)的法拉第籠式屏蔽系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽。

應(yīng)盡量利用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼筋，即建筑物內(nèi)地板、頂板、墻面、及梁、柱內(nèi)的鋼筋，使其構(gòu)成一個(gè)六面體的網(wǎng)籠，即籠式接閃網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)屏蔽。由于結(jié)構(gòu)構(gòu)造的不同，墻內(nèi)和樓板內(nèi)的鋼筋有疏有密，鋼筋密度不夠時(shí)，設(shè)計(jì)應(yīng)按各種設(shè)備的不同需要增加網(wǎng)格的密度。良好的屏蔽不僅能解決等電位和分流，而且對(duì)防御雷電電磁脈沖也是最有效的措施。此外，建筑物的整體屏蔽還能防球雷、側(cè)擊和繞擊雷的襲擊。

鐵建設(shè)[2007]39號(hào)《鐵路防雷、電磁兼容及接地工程技術(shù)暫行規(guī)定》4.4.3條要求“計(jì)算機(jī)房應(yīng)根據(jù)需要采用電磁屏蔽和防靜電措施，通信、信號(hào)設(shè)備用房(含電源室、機(jī)械室、計(jì)算機(jī)房)應(yīng)采用電磁屏蔽和防靜電措施“。上述通信、信號(hào)用房均應(yīng)安裝法拉第籠。作法如下：

1)在室內(nèi)距地面0.05m、室外距地面0.3m處，預(yù)留與混凝土框架內(nèi)接地主筋(與基礎(chǔ)地網(wǎng)連接的主筋)連接的接地端子板。預(yù)留接地端子相連的主筋不能與作為引下線的主筋為同一主筋，如圖5左圖所示。各接地匯集線及接地匯集線間的連接導(dǎo)體、接地匯集線與地網(wǎng)的連接必須與墻體絕緣。接地匯集線一般在距地面200～300mm處設(shè)置；有防靜電地板的機(jī)房，接地匯集線可在地板下方距地面30～50mm處設(shè)置，距墻面宜為100～150mm，如圖5右圖所示；也可在地板下方設(shè)成條狀或網(wǎng)格狀。

2)在混凝土框架內(nèi)應(yīng)設(shè)置Φ≥12mm的圓鋼為主筋(加強(qiáng)鋼筋)，主筋間用相同規(guī)格的圓鋼相互焊接成≤5m×5m的網(wǎng)格，并保證電氣連接的連續(xù)性。主筋上端必須與接閃帶焊接，下端必須就近與基礎(chǔ)接地網(wǎng)焊接。

3)信號(hào)計(jì)算機(jī)房、信號(hào)電源及繼電器室的墻、頂、底面內(nèi)用Φ≥8mm圓鋼焊接成≤600mm×600mm網(wǎng)格做法拉地籠，如圖6所示。600mm×600mm網(wǎng)格的鋼筋網(wǎng)格與5m×5m的鋼筋網(wǎng)格結(jié)合處焊接。門(mén)、窗四角處預(yù)留與接地主筋連接的室內(nèi)端子板，信號(hào)機(jī)房、信號(hào)電源及繼電器室的門(mén)應(yīng)采用防火、防撬金屬門(mén)，窗及玻璃隔斷屏蔽應(yīng)采用截面積≥9mm2、網(wǎng)孔<80mm×80mm的鋁合金網(wǎng)。金屬門(mén)及窗、玻璃隔斷的鋁合金網(wǎng)用≥16mm2的軟銅線與預(yù)留的室內(nèi)端子板可靠連接。

4)信號(hào)電源及繼電器室與信號(hào)計(jì)算機(jī)房之間應(yīng)設(shè)置金屬網(wǎng)玻璃隔斷，網(wǎng)格尺寸應(yīng)≤80mm×80mm。金屬網(wǎng)格應(yīng)與房屋內(nèi)法拉第籠可靠連接。

5)防靜電地板下的金屬支架底部采用0.1mm×20mm銅箔帶構(gòu)成與支架一致的網(wǎng)格，銅箔帶交叉處用錫焊接?；ハ噙B接的網(wǎng)格銅箔帶采用10mm2的銅帶(扁平銅網(wǎng)編織帶)與預(yù)留的室內(nèi)端子板可靠連接，至少4處，銅帶一端加線鼻后與預(yù)留端子板可靠栓接，另一端用錫焊接。信號(hào)電源及繼電器室與綜合值班室防靜電地板下的銅箔帶采用10mm2的銅帶穿過(guò)預(yù)留孔可靠連接。

根據(jù)鐵路站房的設(shè)計(jì)分工：四周墻面的屏蔽網(wǎng)由建筑、結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)并施工，天網(wǎng)、地網(wǎng)由電氣專業(yè)設(shè)計(jì)施工。

7 接地

良好的接地效果也是防雷成功的重要保證之一。

距線路兩側(cè)20m范圍內(nèi)的鐵路設(shè)備房屋的接地裝置應(yīng)接入綜合接地系統(tǒng)。在綜合接地系統(tǒng)中，建筑物、構(gòu)筑物及設(shè)備在貫通地線接入處的接地電阻不應(yīng)>1Ω。本項(xiàng)目屬于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物，應(yīng)利用基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋作為接地裝置。當(dāng)達(dá)不到規(guī)范中規(guī)定的條件或基礎(chǔ)包在防水卷材層內(nèi)時(shí)，可做環(huán)形接地裝置，但應(yīng)將周圈式接地裝置預(yù)先埋在基礎(chǔ)槽的最外邊(距建筑物3m以內(nèi))。接地體靠近基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋有利于均衡電位，同時(shí)還可節(jié)省為挖深溝所花費(fèi)的人力和物力。在基礎(chǔ)完工后再挖深溝則易影響基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。

本工程在站房外3m地下設(shè)置環(huán)形接地網(wǎng)，站房四周40mm×4mm鍍鋅扁鋼在地面下1.5m 深，在站房?jī)啥朔謩e引兩處采用一根50mm2鍍錫銅與鐵路綜合接地系統(tǒng)相連。電氣設(shè)備的保護(hù)接地：消防控制室、四電機(jī)房、設(shè)備機(jī)房等的接地共用統(tǒng)一接地體，要求接地電阻≤1Ω，實(shí)測(cè)不滿足要求時(shí)，增設(shè)人工接地極，其間距宜為垂直接地體長(zhǎng)度的2倍，并均勻布置。根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50057-2010)5.4.3條，人工鋼質(zhì)垂直接地體的長(zhǎng)度宜為2.5m。其間距以及人工水平接地體的間距均宜為5m，當(dāng)受空間限制時(shí)可適當(dāng)減小。

《鐵路防雷、電磁兼容及接地工程技術(shù)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)[2007]39號(hào))5.2.5條規(guī)定，通信、信號(hào)及其他信息系統(tǒng)接地干線在接地網(wǎng)上的引接點(diǎn)與電力、電氣化接地干線、接閃帶的引下線在環(huán)形接地裝置上的連接點(diǎn)間距應(yīng)>5m，如圖7所示。

當(dāng)土壤電阻率大，使用接地極較多時(shí)，也可做周圈圍式接地裝置。環(huán)形接地裝置的沖擊阻抗較小，而且有利于改善建筑物內(nèi)的地電位分布，減小跨步電壓。

表2 雷電防護(hù)等級(jí)表

表3 SPD選擇對(duì)照表

8 電涌保護(hù)器

根據(jù)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》(GB50343-2004)4.3節(jié)，按建筑物電子信息系統(tǒng)的重要性和使用性質(zhì)確定雷電防護(hù)等級(jí)，如表2所示，本工程屬于A級(jí)火車樞紐站SPD選擇對(duì)照表如表3所示。

通信機(jī)房的交流電源應(yīng)設(shè)置兩級(jí)或以上的電涌保護(hù)器，設(shè)置地點(diǎn)如下：

第一級(jí)設(shè)在通信機(jī)房交流電源引入處(配電箱處)；

第二級(jí)設(shè)在高頻開(kāi)關(guān)電源、UPS的交流輸入側(cè)；

必要時(shí)在精密用電設(shè)備的電源前設(shè)置電涌保護(hù)器。

9 結(jié)束語(yǔ)

接閃器、引下線、等電位、屏蔽、接地、電涌保護(hù)器等防雷措施一定要合理并有效。擁有良好的接地系統(tǒng)才是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和人民安全的重要保證。鑒于本人知識(shí)水平和能力尚有不足，加之時(shí)間倉(cāng)促，如有疏漏或錯(cuò)誤之處，還請(qǐng)專家和同行批評(píng)指正。

[1]中華人民共和國(guó) 住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ 16-2008民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

[2]中華人民共和國(guó) 建設(shè)部.GB 50057-2010建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社.

[3]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50343-2004建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

[4]中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.王厚余著.建筑物電氣裝置500問(wèn) [S].北京：中國(guó)電力出版社.

[5]《鐵路防雷、電磁兼容及接地工程技術(shù)暫行規(guī)定》 (鐵建設(shè)[2007]39號(hào)).

[6]《鐵路通信設(shè)備雷電綜合防護(hù)實(shí)施指導(dǎo)意見(jiàn)》(鐵運(yùn)[2011]144號(hào)).

[7]《鐵路信號(hào)設(shè)備雷電及電磁兼容綜合防護(hù)實(shí)施指導(dǎo)意見(jiàn)》 (鐵運(yùn)[2006]26號(hào)).