法拉第籠在鐵路站房雷電防護(hù)中的應(yīng)用

中建七局總承包公司 鄭州 450004

0 引言

法拉第籠最早是由英國(guó)物理學(xué)家法拉第根據(jù)靜電平衡原理利用金屬空腔隔離靜電場(chǎng)影響所采用的一種結(jié)構(gòu)，當(dāng)籠體放入電場(chǎng)中時(shí)，電荷只能分布在籠體的外表面?；\內(nèi)沒(méi)有電場(chǎng)，籠體隔離了外電場(chǎng)的作用，使外電場(chǎng)不能進(jìn)入內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了靜電屏蔽。

在建筑工程中，經(jīng)常應(yīng)用法拉第籠來(lái)進(jìn)行雷電防護(hù)。因?yàn)樗饕?個(gè)基本作用：一個(gè)是磁屏蔽，另一個(gè)是電磁屏蔽。在站房?jī)?nèi)，四電設(shè)備用房（通信機(jī)械室、信息機(jī)房、信號(hào)計(jì)算機(jī)房、信號(hào)繼電器室等）是鐵路站房的首腦部位，它必須時(shí)刻為高鐵列車(chē)信息系統(tǒng)傳輸與反饋精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，為火車(chē)匝道上的制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送及時(shí)的信號(hào)。為了保證高鐵列車(chē)的正常運(yùn)行，四電用房?jī)?nèi)的設(shè)備儀器必須要屏蔽掉外來(lái)不良信號(hào)的干擾。如今，鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土建筑已十分接近籠式避雷網(wǎng)，為法拉第籠的屏蔽提供了良好條件，所以實(shí)行起來(lái)要容易得多，也經(jīng)濟(jì)得多，現(xiàn)實(shí)意義十分明顯[1,2]。

1 工程概況

本項(xiàng)目的法拉第籠工程是新建鄭州至開(kāi)封城際鐵路站房及附屬工程項(xiàng)目下的子分項(xiàng)工程，該項(xiàng)目位于鄭州市鄭開(kāi)大道南側(cè)，由鄭信路（站房建筑面積：2 000.00 m2）、運(yùn)糧河、綠博園（站房建筑面積：2 982.98 m2）、宋城路（站房建筑面積：2 000.00 m2）等4座車(chē)站站房組成，相關(guān)工程為鄭州東綜合維修工區(qū)綜合樓。

1.1 工程施工內(nèi)容

本工程涉及共計(jì)4個(gè)車(chē)站的四電房間，根據(jù)圖紙和規(guī)范要求，本項(xiàng)目車(chē)站內(nèi)屏蔽系統(tǒng)工程的主要內(nèi)容如下：

1）通信機(jī)械室房屋的法拉第籠屏蔽；

2）信息機(jī)房及信號(hào)設(shè)備用房（含電源室、機(jī)械室、計(jì)算機(jī)機(jī)房）的電磁屏蔽和防靜電措施；

3）各房間設(shè)置供等電位連接使用的接地引接線端頭。

1.2 工程技術(shù)方案方向及具體工程范圍

采用屏蔽、共用接地、等電位連接、合理布線和設(shè)置防雷保安器等綜合防護(hù)技術(shù)，對(duì)信號(hào)設(shè)備進(jìn)行分區(qū)、分級(jí)、分設(shè)備的系統(tǒng)防雷保護(hù)。

本工程的施工范圍包括：綜合地網(wǎng)；避雷帶、避雷網(wǎng)、引下線；接地匯集線及引上線（不包括室內(nèi)設(shè)備接地）；室內(nèi)屏蔽（信號(hào)機(jī)械室、計(jì)算機(jī)室、通信機(jī)械室整體屏蔽安裝）。

2 方案采用的施工工藝

2.1 綜合地網(wǎng)

綜合地網(wǎng)裝置由水平接地體和垂直接地體組成，環(huán)繞建筑物外墻閉合成環(huán)，受條件限制時(shí)可不環(huán)周鋪設(shè)，但應(yīng)盡可能沿建筑物周?chē)O(shè)置，以便與地網(wǎng)連接的各種引線就近連接。水平接地體采用40 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼，距建筑物外墻間距不小于1.50 m（條件受限時(shí)按實(shí)際情況安裝），埋深不小于0.70 m。垂直接地體采用CTJDBφ14.20 mm×1 200.00 mm的專(zhuān)業(yè)接地棒。環(huán)形接地裝置必須與建筑物四角的主筋焊接，并應(yīng)在地下每5～10 m就近與建筑物基礎(chǔ)接地網(wǎng)鋼筋焊接1次。地網(wǎng)應(yīng)盡量避開(kāi)既有使用的電纜溝槽，必須要交叉穿過(guò)時(shí)，應(yīng)加PVC管絕緣護(hù)套管保護(hù)，長(zhǎng)度超出電纜邊緣1 m以上。

綜合地網(wǎng)應(yīng)設(shè)置永久明顯用途及去向標(biāo)記，每組垂直接地體處設(shè)置地線標(biāo)樁。綜合地網(wǎng)接地電阻值小于1 Ω。

2.2 避雷網(wǎng)、避雷帶及引下線

避雷網(wǎng)采用40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼鋪設(shè)成不大于3 m×3 m的網(wǎng)格，每3 m與避雷帶連接，網(wǎng)格交叉處應(yīng)焊接；樓頂金屬建筑物應(yīng)與避雷網(wǎng)連接；避雷網(wǎng)需用PVC管作支撐，避免與屋頂接觸。

樓頂避雷帶采用不小于φ8 mm的熱鍍鋅圓鋼，沿信號(hào)樓頂四周邊沿，支撐柱高度15 cm左右，支撐柱間距不大于1 m；金屬坡頂屋面可不另做避雷網(wǎng)、避雷帶，引下線與金屬板焊接或鉚接。

引下線采用40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼，沿機(jī)房建筑物外墻均勻垂直鋪設(shè)4～6根，間距應(yīng)不大于18 m，上端與避雷帶焊接連通，焊接處不得出現(xiàn)急彎（彎角不小于R90°），下端與綜合地網(wǎng)焊接；引下線須用PVC管防護(hù)并與墻體絕緣；引下線處應(yīng)設(shè)置永久明顯標(biāo)記。引下線與分線盤(pán)（柜）間距應(yīng)不小于5 m，與其他電氣線路距離大于1 m，與接地匯集線在水平接地體上的連接點(diǎn)間距應(yīng)大于5 m；窗、門(mén)邊1 m內(nèi)及運(yùn)轉(zhuǎn)室外墻邊1 m內(nèi)不宜設(shè)置引下線，當(dāng)間距不足時(shí)可加絕緣管防護(hù)。焊接處防腐層應(yīng)在焊點(diǎn)四周延伸20～25 mm。

2.3 接地匯集線及引上線

在室內(nèi)分別設(shè)置電源防雷箱地線、防雷分線柜地線、信號(hào)電纜鎧裝屏蔽地線、設(shè)備綜合地線及計(jì)算機(jī)房屏蔽地線共5處接地匯流排，并分別用2根截面為25.00 mm2有絕緣外套的多芯銅導(dǎo)線與綜合地網(wǎng)冗余連接。接地匯流排接地線在環(huán)形接地裝置上的連接點(diǎn)間距宜大于5 m，當(dāng)水平接地體長(zhǎng)度受限時(shí)，應(yīng)保證引下線與室內(nèi)接地匯集線間的間距不小于5 m。接地匯集線設(shè)置在墻踢腳線上方并與墻體絕緣，用30 mm×3 mm的紫銅排沿室內(nèi)鋪設(shè)成U形，每1.00～1.50 m預(yù)留1顆接地螺栓；接地匯集線連接處打磨后用3顆螺栓栓接，重合部分不小于銅排寬邊的2倍，固定螺栓不小于φ8 mm[3-5]。

2.4 室內(nèi)屏蔽

墻面及頂面屏蔽采用不小于φ8 mm的熱鍍鋅圓鋼鋪設(shè)成600 mm×600 mm的網(wǎng)格，網(wǎng)格交叉處應(yīng)焊接并防腐，四周墻上的圓鋼直接固定在墻面上，頂面設(shè)置在橫梁以下。

門(mén)、窗屏蔽材料采用網(wǎng)格不大于80 mm×80 mm、截面不小于9.00 mm2的鋁合金網(wǎng)，屏蔽網(wǎng)在內(nèi)墻鋪設(shè)直接與屏蔽籠連接，屏蔽網(wǎng)在外墻鋪設(shè)直接與綜合地網(wǎng)連接。

地面屏蔽用0.20 mm×25.00 mm的銅箔帶鋪設(shè)成與靜電地板支架一致的600 mm×600 mm的網(wǎng)格，網(wǎng)格交叉點(diǎn)應(yīng)施焊或與各支座卡接，并直接與墻面屏蔽層可靠連接；防靜電地板的支架間應(yīng)與墻面屏蔽籠冷壓栓接或焊接，至少每個(gè)墻角處應(yīng)連接，連接點(diǎn)間距應(yīng)不大于5 m；銅箔帶與設(shè)備機(jī)架之間需絕緣（圖1）。

圖1 通信、信號(hào)設(shè)備房屋法拉第籠屏蔽網(wǎng)鋼筋及門(mén)窗布置示意

3 綜合防雷施工中的控制要點(diǎn)

3.1 綜合地網(wǎng)施工質(zhì)量要求

1）地網(wǎng)埋設(shè)深度0.70 m以下，水平接地體距建筑物外墻距離不小于1 m、不大于5 m。

2）垂直接地體采用50 mm×50 mm×5 mm的熱鍍鋅角鋼、CTJD-B接地棒、石墨接地體。

3）水平接地體在地下與建筑物的基礎(chǔ)地網(wǎng)的鋼筋混凝土主筋焊接，并就近與建筑物基礎(chǔ)地網(wǎng)主鋼筋間隔焊接，間隔距離不大于10 m，不少于4處。

4）焊點(diǎn)刷防銹漆再刷瀝青，防腐層應(yīng)在焊點(diǎn)四周延伸20～25 mm，埋入地下的焊點(diǎn)防腐層必須大于5 mm。

5）垂直接地體應(yīng)設(shè)在引下線處，間距5 m以上且均勻分布至少6處。

3.2 室內(nèi)等電位連接及引上線施工質(zhì)量要求

1）室內(nèi)等電位連接設(shè)備根據(jù)實(shí)際施工情況安裝。

2）引上線采用BV25.00 mm2的銅纜線，由地網(wǎng)單點(diǎn)冗余到室內(nèi)的等電位匯流排、電源防雷箱、防雷分線柜、機(jī)房屏蔽、信號(hào)電纜鎧裝屏蔽。引上線在接地裝置上的連接點(diǎn)與引下線在接地裝置上的連接點(diǎn)間距大于5 m，電源引入處的引上線在接地裝置上的連接點(diǎn)與其余引上線在接地裝置上的連接點(diǎn)間距大于5 m。

3.3 避雷網(wǎng)及引下線施工質(zhì)量控制重點(diǎn)

1）避雷網(wǎng)采用40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼鋪設(shè)成不大于3 m×3 m的網(wǎng)格，交叉點(diǎn)焊接。每3 m與避雷帶連通。

2）避雷帶采用φ10 mm的熱鍍鋅圓鋼沿屋頂周邊設(shè)置一圈，距離墻體高度0.15 m，并用熱鍍鋅圓鋼均勻設(shè)置避雷帶支撐柱，墻體四角必須和主鋼筋連接，支撐柱間距不大于1 m。

3）引下線采用40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼，沿墻面向下垂直鋪設(shè)（4～6根），上端與避雷帶焊接連通，焊接處不得出現(xiàn)急彎（彎角不小于R90°），下端與綜合地網(wǎng)焊接。引下線須與墻體絕緣，距墻體不小于15 mm，安裝平直、肉眼看不出彎曲起伏，卡釘布置均勻、牢固。

3.4 機(jī)房屏蔽施工質(zhì)量控制重點(diǎn)

1）墻面屏蔽板固定：屏蔽采用厚度不小于0.60 mm的熱鍍鋅鋼板，將此鋼板固定在墻面上（搭接部位的寬度不得小于10 cm），并將輕鋼龍骨用射釘鉚接在鋼板上，外面鋪設(shè)石膏板并刷乳膠漆以保證銜接良好、整體外觀橫平豎直、無(wú)凹凸感（吊頂以上與頂面只固定鋼板）。如圖2所示。

2）窗戶屏蔽：窗戶屏蔽材料采用網(wǎng)格不大于80 mm×80 mm，截面不小于9.00 mm2的鋁合金網(wǎng)，窗網(wǎng)和金屬門(mén)與屏蔽板進(jìn)行可靠連接。運(yùn)轉(zhuǎn)室窗網(wǎng)則直接與地網(wǎng)相連接。

3）地面屏蔽：用0.20 mm×25.00 mm的銅箔帶鋪設(shè)成與靜電地板支架一致的600 mm×600 mm的網(wǎng)格，網(wǎng)格的一端用16.00 mm2的軟銅線用錫焊接或栓接，另一端加線鼻與屏蔽層至少栓接4處（圖3）。

圖2 墻面鋪設(shè)屏蔽鋼筋示意

圖3 地面屏蔽示意

4 效果分析

法拉第籠在四電設(shè)備用房按方案完成施工后，將在以后的使用過(guò)程中起到以下防護(hù)作用[6-8]：

1）分流作用明顯，由于引下線數(shù)量的大量增加，使得每根引下線上的雷電流大大減小，室內(nèi)高科技設(shè)備受到脈沖電磁場(chǎng)效應(yīng)顯著削弱。

2）屏蔽作用良好，雷電流的頻譜特性主要分布在0～10 kHz頻段范圍內(nèi)，低頻電流的電磁效應(yīng)很弱，電磁干擾主要來(lái)自高頻，根據(jù)高頻電流的特點(diǎn)，頻率越高，則趨膚效應(yīng)越顯著，高頻雷電流將分布于籠體表面，對(duì)電磁脈沖起到很大的阻隔作用，電子設(shè)備受到的電磁干擾就會(huì)大大減弱。

3）避免了雷電的繞擊，由于建筑物的側(cè)面有防側(cè)擊雷帶、均壓環(huán)、金屬窗及護(hù)欄等防雷保護(hù)，對(duì)雷電的側(cè)擊及球形雷擊將起到防護(hù)作用。

4）減小反擊過(guò)電壓，建筑物的感抗在雷電流下瀉時(shí)的作用有正反兩方面的作用，正方面由于電感的感抗總是阻止雷電流的變化，可以削弱電流的峰值，延長(zhǎng)電流的放電時(shí)間，大大減弱了LEMP（雷電電磁脈沖）的強(qiáng)度；反方面會(huì)產(chǎn)生反擊過(guò)電壓，使接閃點(diǎn)對(duì)地電壓增加；感抗是客觀存在的，通過(guò)增加引下線的數(shù)量降低雷電回路的總阻抗是可能的。

5）降低跨步電壓，由于本工程采用了均壓措施和利用整個(gè)基礎(chǔ)作為接地體，接地電阻能滿足設(shè)計(jì)要求并保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，有利于均衡電位，使人身不會(huì)受到跨步電壓的傷害。

6）接地裝置與建筑物壽命同樣長(zhǎng)久，大大減少了維護(hù)費(fèi)用。