地鐵高架車站防雷與電磁屏蔽探討

賀燦花，麥金嬋

（廣州市氣象局，廣東 廣州 510600）

1 引言

地鐵是城市公共交通的重要組成部分，是人員最密集場所之一。地鐵車站的電氣系統(tǒng)、電子系統(tǒng)和通信系統(tǒng)龐大復(fù)雜，這些系統(tǒng)維系著地鐵的正常運(yùn)行，如果受到雷擊，發(fā)生系統(tǒng)故障，容易造成公共交通秩序混亂，嚴(yán)重影響公共交通安全，甚至?xí)l(fā)人身安全事故［1］。地鐵建筑一般都位于地下，但隨著城市交通發(fā)展的需求，高架地鐵也慢慢興起，高架部分容易成為雷電入侵的突破口，因此，加強(qiáng)地鐵的雷電防護(hù)非常必要［2］。本文對地鐵高架車站的防雷類別、電子系統(tǒng)防護(hù)等級和機(jī)房電磁屏蔽三個方面進(jìn)行探討，從定性和定量兩個方面探討高架車站防雷類別、電子系統(tǒng)雷電防護(hù)等級，以及提出機(jī)房電磁屏蔽的要求［3-4］。

2 做好雷電防護(hù)對地鐵交通的意義

據(jù)相關(guān)媒體資料報道，2008年8月14號，上海軌道交通3號線漕溪路站至虹橋路站（上行）突遭強(qiáng)雷襲擊，造成供電中斷，該區(qū)段列車迫停。2010年7月22號，南京地鐵一號線南延線因雷擊造成供電接觸網(wǎng)兩次故障，列車因接觸網(wǎng)斷電而延誤運(yùn)營，2000多名乘客出行受到影響。2011年4月22日，北京地鐵10號線地面信號設(shè)備遭到雷擊，地鐵列車運(yùn)行間隔由5min延長到10min，造成乘客等車時間變長，部分車站出現(xiàn)乘客滯留現(xiàn)象。

以上地鐵遭受的雷擊事故表明，事故會嚴(yán)重影響交通出行，大大提高經(jīng)濟(jì)、時間等成本。做好地鐵雷電防護(hù)，降低地鐵雷電災(zāi)害風(fēng)險是十分重要的［5］。

3 地鐵高架車站防雷類別劃分

地鐵高架車站使用性質(zhì)屬于人員密集的公共建筑物，依據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB50057-2010）、《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》（GB50343-2012）劃分該建筑物的防雷類別［6-8］。

根據(jù)GB50343-2012，建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)N1（次/a）按下式確定：

N1=K×Ng×Ae（1）

式中：K為校正系數(shù)，在一般情況下取1；

Ng為建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度（次/km2/a）；

Ae為與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積（km2）。

以廣州地鐵某高架車站為例計算其年預(yù)計雷擊次數(shù)。確定車站建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積（km2）見圖1。

圖1 某高架車站雷擊截收面積圖

通過計算得出：Ae=0.025（km2），Ng=17.97（次/km2/a）（雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)），K取1，年預(yù)計雷擊次數(shù)N1=0.45（次/a）。（GB50057-2010）中3.0.3條第九款“預(yù)計雷擊次數(shù)大于0.05次/a的部、省級辦公建筑物和其他重要或人員密集的公共建筑物以及火災(zāi)危險場所應(yīng)劃為第二類防雷建筑物”［7］，根據(jù)以上計算結(jié)果，對照此條規(guī)定，本地鐵高架車站劃分為第二類防雷建筑物，雷電防護(hù)措施按第二類防雷建筑物要求進(jìn)行［8］。

4 電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)等級劃分

4.1 按防雷裝置的攔截效率確定雷電防護(hù)等級

電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)等級按防雷裝置攔截效率E確定［8］，其雷電防護(hù)等級為：

E=1-Nc/N （2）

Nc按GB50343-2012第4.2.2條計算，N值按GB50343-2012第4.2.1條計算。

當(dāng)E＞0.98時，定為A級；當(dāng)0.90＜E≤0.98時，定為B級；當(dāng)0.80＜E≤0.90時，定為C級；當(dāng)E≤0.80時，定為D級。

對上述廣州地鐵某高架車站電子信息系統(tǒng)防雷裝置攔截效率E進(jìn)行計算，計算結(jié)果如表1。

表1 某高架車站防雷裝置攔截效率E計算結(jié)果

計算結(jié)果，E＞0.98，所以該地鐵高架車站的電子信息系統(tǒng)防護(hù)等級劃分為A級。

4.2 按電子信息系統(tǒng)的重要性、使用性質(zhì)和價值確定雷電防護(hù)等級

從地鐵車站所擁有的電子信息系統(tǒng)及該系統(tǒng)對于維系地鐵正常運(yùn)營所發(fā)揮的作用看，其重要性不亞于火車樞紐站。對照（GB50343-2012）表4.3.1的規(guī)定，該地鐵高架車站的電子信息系統(tǒng)防護(hù)等級應(yīng)定為A級。

綜合定量計算結(jié)果和定性規(guī)定比較，確定該地鐵高架車站的電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)等級為A級［9-11］。

5 機(jī)房電磁環(huán)境防護(hù)要求

由于雷擊電磁脈沖的干擾，地鐵車站內(nèi)弱電設(shè)備控制機(jī)房對電磁環(huán)境有較高的要求，即機(jī)房內(nèi)磁場干擾強(qiáng)度不大于800A/m。因此，應(yīng)對地鐵車站機(jī)房內(nèi)雷擊電磁環(huán)境進(jìn)行評估，再根據(jù)評估結(jié)果確定是否需要采取屏蔽措施［12-14］。

考慮高架車站主體有金屬屋面、幕墻百葉和鋼結(jié)構(gòu)組成的格柵形大空間屏蔽效能，對上述高架車站機(jī)房內(nèi)部計算磁場強(qiáng)度［15］。根據(jù)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》GB50343-2012中6.3.2-2公式計算LPZ1區(qū)內(nèi)的磁場強(qiáng)度，計算結(jié)果見表2。

表2 某高架車站機(jī)房LPZ1區(qū)磁場強(qiáng)度計算結(jié)果

首次雷擊時，雷電流強(qiáng)度遠(yuǎn)大于后續(xù)雷擊時的雷電流強(qiáng)度，因此，表中數(shù)據(jù)只考慮首次雷擊的雷電流參數(shù)，第二類防雷建筑物對應(yīng)的最大雷電流幅值為150kA。計算結(jié)果表明，該高架車站LPZ1區(qū)內(nèi)的磁場強(qiáng)度均遠(yuǎn)大于800A/m，頂一層的磁場強(qiáng)度最大，越往下越小。為有效防止外界對機(jī)房內(nèi)設(shè)備造成的電磁干擾，使磁場強(qiáng)度滿足低于800A/m的要求，應(yīng)進(jìn)一步對機(jī)房采取屏蔽措施［16］，可在機(jī)房四周墻體內(nèi)敷設(shè)一定尺寸的屏蔽網(wǎng)格。選用銅/鋁做屏蔽網(wǎng)格材料，依據(jù)GB50057-2010第6.3.2條對該高架車站屏蔽網(wǎng)格寬w和安全距離為ds/1進(jìn)行計算，見表3。

表3 某高架車站遭直接雷擊時屏蔽網(wǎng)格寬、安全距離估算值

為了盡可能降低雷擊電磁脈沖對設(shè)備的干擾影響，提高防護(hù)效果，設(shè)備機(jī)房不宜設(shè)置于頂一層，宜設(shè)置在建筑物底層中心部位，機(jī)房內(nèi)設(shè)備遠(yuǎn)離引下線或鋼柱［17］。

6 結(jié)論

地鐵高架車站的雷電防護(hù)是非常重要的，在確定建筑物防雷類別、電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)等級以及屏蔽措施等方面，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，建筑物應(yīng)按第二類防雷建筑物、電子信息系統(tǒng)應(yīng)按雷電防護(hù)等級A級要求進(jìn)行設(shè)防，屏蔽措施要有效防止外界對機(jī)房內(nèi)設(shè)備造成的電磁干擾，做到安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理，為地鐵交通正常運(yùn)行保駕護(hù)航。