現(xiàn)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(shù)規(guī)范，本文以我市待建的現(xiàn)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(jiān)測數(shù)據(jù)對項目地周圍的地閃特征進行了分析。在此基礎(chǔ)上結(jié)合項目地所處的地質(zhì)條件及工程實際，通過對年預(yù)計雷擊次數(shù)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(nèi)弱電系統(tǒng)雷電防護等級為B級。最后，結(jié)合綜合樓的結(jié)構(gòu)特點、項目地周圍地閃強度累積概率分布以及綜合樓內(nèi)弱電設(shè)備的布設(shè)情況，按照現(xiàn)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(guān)鍵詞：有軌電車;基地綜合樓;弱電設(shè)備;雷電災(zāi)害;防護技術(shù);分析

引言

車輛基地是現(xiàn)代有軌電車的大本營。其中，基地內(nèi)的運用庫、聯(lián)合檢修庫、洗車加砂庫主要承擔電車的停放、檢修、保養(yǎng)、一般故障處理等工作。綜合樓內(nèi)的智能化集成系統(tǒng)是維系有軌電車正常運營及安全通行的中樞神經(jīng)。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(jīng)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(xiàn)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(zāi)害的防護措施作一簡要分析。

1項目概況

現(xiàn)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(yīng)家山站。綜合樓位于檢修基地西側(cè)，長175m，寬31 m，高33 m。地下一層設(shè)一座 10kV 降壓跟隨變電所，為基地內(nèi)的動力照明提供全部電源，首層設(shè)有弱電設(shè)備機房及消防控制室，二層設(shè)有大樓弱電設(shè)備用房、培訓(xùn)室、弱電綜合電源室、票務(wù)用房、系統(tǒng)維護管理用房，五層為調(diào)度中心對本線列車運行、電力供應(yīng)、防災(zāi)報警和設(shè)備監(jiān)控、票務(wù)等實行統(tǒng)一調(diào)度指揮。

2項目地周圍地閃特征分析

選取車輛檢修基地區(qū)塊中心位置（28.681269°N，121.370937°E）為參考點，統(tǒng)計該參考點周圍10km范圍內(nèi)的雷電數(shù)據(jù)。根據(jù)浙江省雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)（臺州市終端）數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，近十四年（2007～2021年）該項目區(qū)塊10km范圍內(nèi)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(shù)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(nèi)弱電系統(tǒng)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(jù)其重要性、使用性質(zhì)、遭雷擊的可能性（年預(yù)計雷擊次數(shù)N1）和后果，進行劃分。年預(yù)計雷擊次數(shù)按下式計算[1]：

N1=k×Ng×Ae ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 式（1）

式中：k為校正系數(shù)。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(shù)的等效面積（km2）。

根據(jù)工程設(shè)計提供的尺寸，按照規(guī)范[1]附錄A公式A.0.3-2及式（1）計算可得，綜合樓年預(yù)計雷擊次數(shù)N1=0.23（次/年），根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)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(tǒng)雷電防護等級的估算

⑴入戶設(shè)施年預(yù)計雷擊次數(shù)N2的計算。

入戶設(shè)施年預(yù)計雷擊次數(shù)N2與入戶設(shè)施截收面積有關(guān)。入戶設(shè)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(shè)施的截收面積（km2）。根據(jù)工程實際綜合樓內(nèi)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(nèi)，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(shù)Nc的計算。根據(jù)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(jié)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(nèi)弱電系統(tǒng)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(jié)構(gòu)鉆孔樁基礎(chǔ)，屋面為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)外包鋁鎂錳板保溫隔熱構(gòu)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(nèi)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(chǔ)接地網(wǎng)，其接地電阻按接入設(shè)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(nèi)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(tǒng)雷擊電磁脈沖的防護

5.1綜合樓內(nèi)各設(shè)備等電位連接和接地

根據(jù)綜合樓內(nèi)各設(shè)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(nèi)設(shè)置總等電位接地母排BME，從基礎(chǔ)接地網(wǎng)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(shè)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(qū)（LPZ0區(qū)與LPZ1區(qū)）的界面處預(yù)計有金屬管線出入的地方，設(shè)置金屬管線接地母排（PSCE）。從基礎(chǔ)接地網(wǎng)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(nèi)分別設(shè)置1條豎向接地干線，從基礎(chǔ)接地網(wǎng)中引出2組接地引出線（P9～12），其中，P9、P11與強電間內(nèi)豎向接地干線電氣連接，P10、P12與弱電間內(nèi)豎向接地干線電氣連接。同時，在每層強（弱）電間內(nèi)設(shè)置水平等電位接地母排（PCE、WCE），并與強（弱）電間內(nèi)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(shè)備用房、培訓(xùn)室、弱電綜合電源室、票務(wù)用房、系統(tǒng)維護管理用房，五層調(diào)度中心等設(shè)備用房內(nèi)設(shè)置局部等電位接地母排BLE或局部等電位接地網(wǎng)，同時，分別與本層強、弱電間內(nèi)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(shè)備用房、五層調(diào)度中心等工作頻率為MHz級的數(shù)字線路大型機房，采用M型等電位連接方式 [3]。⑸機房內(nèi)的設(shè)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(wǎng)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(tǒng)工作處于混亂狀態(tài);當磁場強度大于191 A/m時，就會產(chǎn)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(nèi)空間LPZ1及后續(xù)LPZn區(qū)內(nèi)產(chǎn)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(shù)，取kH=0.01（1/ ）;I0為雷電流最大值（A）;w為屏蔽網(wǎng)格寬度（m）; dw為所確定的點至LPZ1區(qū)屏蔽墻的最短距離（m）;dr為所確定的點至LPZ1區(qū)屏蔽頂?shù)淖疃叹嚯x（m）;SF為LPZn區(qū)屏蔽體的屏蔽系數(shù)，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(jié)構(gòu)，具有初級屏蔽效果，所有設(shè)備均處于LPZ1。以綜合樓頂五層調(diào)度中心為例估算其空間中心點處的磁場強度H1，調(diào)度中心高6.5m，進深16.2m，柱間距8.1m，則空間中心點離頂?shù)木嚯xdr=3.25m，離外墻的距離dw=8.1m，屏蔽網(wǎng)格寬度w=8.1m，根據(jù)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(shè)備布設(shè)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(shè)備的金屬外殼可以作為第二級屏蔽體，設(shè)H2=5.6 A/ m，按照式⑶⑷計算可得屏蔽網(wǎng)格寬度w=8.4cm。從以上分析可得，當設(shè)備金屬外殼的網(wǎng)格寬度大于8.4cm時，調(diào)度中心四周應(yīng)增加空間屏蔽體。

⑵線路屏蔽

所有與通信設(shè)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(yīng)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(yīng)在入戶處直接接地。

⑶合理布線

在綜合樓中心部位設(shè)置強、弱電井，電源線、信號線沿強弱電井分開敷設(shè)在各自的金屬線槽或金屬橋架內(nèi)。機房內(nèi)布設(shè)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(yīng)環(huán)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(guī)范分開一定距離布設(shè)[5]。

5.3合理安裝及選擇電涌保護器（SPD）

根據(jù)綜合樓內(nèi)供配電設(shè)備的布設(shè)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(shù)參數(shù)選取如下：①地下一層10kV 降壓跟隨變電所低壓配電柜內(nèi)裝設(shè)第一級SPD，主要技術(shù)參數(shù)：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(wěn)壓泵配電箱、屋頂動力配電箱、弱電綜合電源室、培訓(xùn)室等二級配電箱內(nèi)裝設(shè)第二級SPD，主要技術(shù)參數(shù)：In≥30kA，Up≤2.0kV;③在弱電機房、消控室、調(diào)度大廳、電梯機房、票務(wù)系統(tǒng)等電源配電箱內(nèi)裝設(shè)第三級SPD，主要技術(shù)參數(shù)：In≥5kA，Up≤1.2kV;④對于特殊需要保護的信息設(shè)備電源終端箱內(nèi)裝設(shè)第四級SPD，Up≤0.8Uw[6]。同一線路上安裝的電涌保護器應(yīng)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(tǒng)：SPD宜安裝在信號線入戶處或被保護設(shè)備的信號端口上。其技術(shù)參數(shù)根據(jù)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(yīng)低于被保護設(shè)備絕緣耐沖擊電壓Uw。（這里不作分析）

6結(jié)束語

本文利用浙江省雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)對我市待建的現(xiàn)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(xiàn)代綜合雷電防護理論對車輛檢修基地內(nèi)綜合樓的雷電防護進行了具體分析研究，得出以下結(jié)論：

⑴根據(jù)項目地所處的地質(zhì)條件、綜合樓的建筑規(guī)模，以及強弱電線纜的入戶方式，通過對年預(yù)計雷擊次數(shù)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(nèi)弱電系統(tǒng)雷電防護等級為B級。

⑵根據(jù)第三類防雷建筑物的防護要求，結(jié)合綜合樓的結(jié)構(gòu)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(jù)項目地周圍地閃強度累積概率分布以及綜合樓內(nèi)弱電設(shè)備的布設(shè)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(tǒng)設(shè)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：

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[3]GB50174-2017數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范[S].

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

[5]GB50343-2012建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S].

[6]GB/T21431-2008 建筑物防雷裝置檢測技術(shù)規(guī)范[S].

[7]陳軍.電氣系統(tǒng)中電涌保護器的雷電流能量配合設(shè)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(xué)歷，職稱：高級工程師，研究方向：雷電防護技術(shù)及雷電災(zāi)害風險評估

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

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

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