城市軌道交通高架線綜合防雷保護(hù)設(shè)計(jì)

周超

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031）

1 引言

城市軌道交通具有快捷、準(zhǔn)時(shí)、舒適、運(yùn)輸能力強(qiáng)的特點(diǎn)，成為緩解城市交通壓力的首選，近年來(lái)得到快速發(fā)展。截至2021年末，城市軌道交通投運(yùn)里程超過(guò)9 000 km。大城市中心城區(qū)城市軌道交通骨干網(wǎng)已基本建成，現(xiàn)階段軌道交通主要向城市郊區(qū)發(fā)展，其線路敷設(shè)方式以高架線為主。據(jù)統(tǒng)計(jì)，雷擊主要集中發(fā)生在高架線路上，雷電原因引起的城市軌道交通故障時(shí)有發(fā)生[1]。例如，2010年7月22日，由于雷電原因?qū)е履暇┑罔F1號(hào)線接觸網(wǎng)斷裂而影響線路正常運(yùn)營(yíng)，中斷運(yùn)營(yíng)3 h；2011年7月23日，甬溫線由于雷擊導(dǎo)致動(dòng)車(chē)組列車(chē)追尾事故，造成40人死亡、172人受傷，中斷行車(chē)超過(guò)32 h；2019年4月9日，上海地鐵浦江線由于區(qū)間設(shè)備遭受雷擊造成道岔故障，列車(chē)正常運(yùn)行受到影響[2]。因此，高架車(chē)站、高架區(qū)間是城市軌道交通防雷保護(hù)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。本文以深圳地鐵6號(hào)線為例詳細(xì)介紹城市軌道交通高架線綜合防雷保護(hù)設(shè)計(jì)。

2 工程概況

深圳地鐵6號(hào)線沿深圳市中部發(fā)展軸布設(shè)，線路全長(zhǎng)37.626 km，其中高架段長(zhǎng)24.616 km，地下段長(zhǎng)5.647 km，過(guò)渡段長(zhǎng)1.197 km，山嶺隧道段長(zhǎng)6.166 km。全線共設(shè)置20座車(chē)站，其中高架車(chē)站15座，地下車(chē)站5座。列車(chē)采用A型車(chē)6輛編組，接觸軌授電，最高行車(chē)速度100 km/h。線路于2020年8月18日投入試運(yùn)營(yíng)。

由于深圳地鐵6號(hào)線高架線占線路總長(zhǎng)的65%，針對(duì)高架線的特點(diǎn)，合理有效地采用防雷措施保證城市軌道交通系統(tǒng)正常運(yùn)行顯得尤為重要。

3 雷電對(duì)城市軌道交通的危害

雷電是因強(qiáng)對(duì)流天氣而形成的雷雨云層間、云層與大地間強(qiáng)烈瞬間放電現(xiàn)象，雷電災(zāi)害是自然界十大災(zāi)害之一。它通過(guò)直擊雷、感應(yīng)雷、雷電波侵入和地電位反擊4種方式威脅人身安全，對(duì)電氣設(shè)備、特別是電子設(shè)備產(chǎn)生巨大的破壞作用。目前人類(lèi)還無(wú)法控制和阻止雷電的產(chǎn)生，只能設(shè)法將危害減小到盡可能低的限度[3]。我國(guó)雷電災(zāi)害嚴(yán)重、活動(dòng)頻繁，圖1為深圳地鐵6號(hào)線各站點(diǎn)地閃密度圖，可看出沿線處于雷電多發(fā)區(qū)[1]。

圖1 深圳地鐵6號(hào)線各站點(diǎn)地閃密度圖

城市軌道交通屬于人員密集的公共場(chǎng)所，系統(tǒng)設(shè)備眾多且系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，特別是通信、信號(hào)等弱電系統(tǒng)的敏感電子設(shè)備繁多[4]。雷電對(duì)城市軌道交通的影響，不僅是使其直接遭受雷電的襲擊，還包括對(duì)其施加雷電電磁脈沖（LEMP）的影響。如果雷電防護(hù)不當(dāng)，輕則造成設(shè)備誤動(dòng)作或損壞，從而影響公共交通出行，重則造成人員傷亡和生產(chǎn)事故。做好城市軌道交通雷電防護(hù)，對(duì)降低雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

4 綜合防雷保護(hù)措施

城市軌道交通高架線防雷設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，遵循科學(xué)、可靠、經(jīng)濟(jì)和耐用原則，采取多層和分類(lèi)保護(hù)相結(jié)合的綜合防雷保護(hù)措施，針對(duì)高架線面臨的雷電風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行全方位防護(hù)。防護(hù)對(duì)象包括建筑物、設(shè)備和人，三者需統(tǒng)籌兼顧。

4.1 綜合防雷系統(tǒng)構(gòu)成

城市軌道交通高架線綜合防雷系統(tǒng)由外部防雷和內(nèi)部防雷措施構(gòu)成[5]。外部防雷措施主要是防直擊雷和側(cè)擊雷，保護(hù)建構(gòu)筑物本身不受損害，減弱雷擊對(duì)建筑物內(nèi)部空間產(chǎn)生的影響，包括接閃器、引下線及接地裝置等。內(nèi)部防雷措施主要用于減小和防止雷電流在需防護(hù)空間內(nèi)所產(chǎn)生的電磁感應(yīng)，從而保證建筑物內(nèi)各類(lèi)設(shè)備的安全，包括屏蔽、等電位連接、合理布線和安裝浪涌保護(hù)器等[6]。通常外部防雷措施和內(nèi)部防雷措施共用綜合接地裝置，形成防雷系統(tǒng)的等電位。城市軌道交通高架線綜合防雷系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖2 城市軌道交通高架線綜合防雷系統(tǒng)構(gòu)成

4.2 防雷保護(hù)技術(shù)

防雷保護(hù)技術(shù)包括傳導(dǎo)、分流、接地、屏蔽和等電位連接等，設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)所，合理選用上述技術(shù)，構(gòu)成有機(jī)聯(lián)系的綜合防雷體系。

（1）傳導(dǎo)。傳導(dǎo)是外部防雷措施中防直擊雷的主要措施，它通過(guò)接閃器將雷電產(chǎn)生的巨大能量引導(dǎo)到地下消耗掉，避免對(duì)被保護(hù)對(duì)象產(chǎn)生破壞作用。

（2）分流。分流是把雷電產(chǎn)生的雷電電磁脈沖沿導(dǎo)線入侵的過(guò)電壓波用浪涌保護(hù)器分流入地，通過(guò)多級(jí)浪涌保護(hù)器對(duì)雷電流的入侵通道進(jìn)行攔截。

（3）等電位連接。將防雷保護(hù)范圍內(nèi)各種導(dǎo)電性物體互相連接組成網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)均壓等電位，減少雷電流引起的電位差。

（4）接地。將雷電能量泄放入地，是防雷的重點(diǎn)和難點(diǎn)。通常防雷接地與工作接地、保護(hù)接地、屏蔽接地等共用綜合接地系統(tǒng)，接地電阻按最小值確定，對(duì)于城市軌道交通要求不大于1 Ω[6-8]。

（5）屏蔽。利用建（構(gòu)）筑物的金屬框架、混凝土中的鋼筋、金屬墻面、金屬屋頂?shù)茸匀唤饘俨考研枰Ｗo(hù)的對(duì)象包裹起來(lái)，把雷電電磁脈沖波入侵的通道阻隔起來(lái)。

5 高架車(chē)站防雷設(shè)計(jì)

深圳地鐵6號(hào)線高架車(chē)站一般為地面三層車(chē)站，車(chē)站頂棚采用門(mén)式弧形鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架形式，車(chē)站頂棚安裝有太陽(yáng)能光伏板。高架車(chē)站按第二類(lèi)防雷建筑進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 高架車(chē)站外部防雷接地示意圖

5.1 接閃器

由于高架車(chē)站頂棚為金屬屋面，利用其作為接閃器，并將金屬屋架網(wǎng)格焊接成避雷網(wǎng)格。金屬板無(wú)絕緣被覆層，且整個(gè)金屬屋面外板下的材料為不燃或難燃材質(zhì)。

屋面上安裝的太陽(yáng)能光伏板的金屬邊框通過(guò)金屬固定支架、金屬夾具與屋面的檁條可靠固定，并形成持久的電氣貫通[9]；突出屋面的金屬構(gòu)件應(yīng)與屋面防雷系統(tǒng)可靠電連接。

5.2 引下線

車(chē)站頂棚每跨鋼梁柱均作為防雷接地引下線的一部分，連接鋼梁柱和車(chē)站主體結(jié)構(gòu)的預(yù)埋螺栓與主體結(jié)構(gòu)內(nèi)選作防雷接地引下線的主鋼筋可靠焊接。在每跨鋼梁柱處的主體結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)選取2根不小于Φ16 mm的主筋作為一組防雷引下線，該引下線從鋼梁柱開(kāi)始，沿車(chē)站結(jié)構(gòu)梁、柱、板立體分布，再?gòu)拿總€(gè)橋墩縱向連接至承臺(tái)和樁基構(gòu)成的接地裝置。結(jié)構(gòu)內(nèi)選作防雷引下線的主筋之間應(yīng)可靠焊接，形成電氣貫通。

5.3 接地裝置

高架車(chē)站的綜合接地裝置接地電阻按不大于1 Ω進(jìn)行設(shè)計(jì)。接地裝置由2部分構(gòu)成：第一部分利用車(chē)站橋梁承臺(tái)及樁基內(nèi)的鋼筋網(wǎng)構(gòu)成防雷的自然接地裝置；第二部分由敷設(shè)的水平人工接地體和垂直人工接地體組成的人工接地網(wǎng)。該接地裝置亦作為強(qiáng)電、弱電接地之用，滿(mǎn)足車(chē)站設(shè)備工作接地、保護(hù)接地及防雷接地要求[10]。

5.4 雷電電磁脈沖防護(hù)

除直擊雷防護(hù)外，雷電電磁脈沖防護(hù)也是綜合防雷重要一環(huán)。采用時(shí)域有限差分（FDTD）方法對(duì)高架車(chē)站雷擊電磁環(huán)境進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明站臺(tái)層距離雷擊點(diǎn)及外墻3 m以外的區(qū)域，其磁場(chǎng)分布均在2 000 A/m以下；站廳層距離雷擊點(diǎn)及外墻3 m以外的區(qū)域，其磁場(chǎng)分布均在1 000 A/m以下[2，11]。對(duì)高架站電磁脈沖防護(hù)進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，對(duì)于保障城市軌道交通設(shè)備系統(tǒng)正常運(yùn)行尤為重要。

5.4.1 屏蔽設(shè)計(jì)

結(jié)合電磁環(huán)境分析，弱電設(shè)備機(jī)房宜設(shè)置在站廳層，敏感設(shè)備應(yīng)盡量遠(yuǎn)離引下線和鋼立柱布置。當(dāng)設(shè)備機(jī)房?jī)?nèi)磁場(chǎng)干擾強(qiáng)度大于800 A/m時(shí)，需增加一定的電磁屏蔽措施，如在設(shè)備機(jī)房的墻體內(nèi)增設(shè)25 mmh 25 mm紫銅帶或直徑不小于Φ10 mm的圓鋼構(gòu)成屏蔽網(wǎng)格[12-13]。

5.4.2 等電位連接

弱電設(shè)備機(jī)房設(shè)置等電位連接網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備金屬外殼、機(jī)柜、機(jī)架、金屬管、槽、屏蔽線纜外層、信息設(shè)備防靜電接地、安全保護(hù)接地、浪涌保護(hù)器（SPD）接地端等均應(yīng)以最短距離與等電位連接網(wǎng)絡(luò)的接地端子連接，等電位連接端子應(yīng)與車(chē)站接地網(wǎng)連接。當(dāng)系統(tǒng)工作頻率小于300 kHz時(shí)宜采用S型等電位連接，工作頻率大于1 MHz時(shí)宜采用M型等電位連接。

5.4.3 浪涌保護(hù)器設(shè)計(jì)

為防止雷電波侵入，凡進(jìn)入車(chē)站主體建筑范圍內(nèi)的金屬管線應(yīng)就近與防雷接地裝置連接并接地。同時(shí)通過(guò)設(shè)置多級(jí)浪涌保護(hù)器，將入侵雷電波削減到電子設(shè)備的承受水平以下，第一級(jí)安裝在變電所0.4 kV低壓開(kāi)關(guān)柜進(jìn)線側(cè)，第二級(jí)安裝在各系統(tǒng)配電箱，第三級(jí)安裝在特別敏感電子設(shè)備前端[14]。

5.4.4 合理布線

車(chē)站內(nèi)敷設(shè)的各類(lèi)線纜宜避開(kāi)防雷引下線等雷擊電磁脈沖強(qiáng)的區(qū)域，無(wú)法避開(kāi)時(shí)應(yīng)采用屏蔽措施，如控制電纜選用屏蔽電纜、電力電纜與控制信號(hào)電纜分開(kāi)敷設(shè)、信號(hào)等弱電線纜穿鋼管單獨(dú)敷設(shè)等措施。

6 高架區(qū)間防雷設(shè)計(jì)

對(duì)于高架區(qū)間，由于乘客在車(chē)輛法拉第籠保護(hù)范圍內(nèi)無(wú)雷擊危險(xiǎn)，防雷設(shè)計(jì)主要是保護(hù)高架區(qū)間、區(qū)間設(shè)備和區(qū)間維修人員的安全[12]。高架區(qū)間按第三類(lèi)防雷建筑進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 高架區(qū)間外部防雷接地示意圖

6.1 接閃器

由于深圳地鐵6號(hào)線采用接觸軌授電，高架區(qū)間最高建筑物為聲屏障。高架區(qū)間防雷選擇以橋梁兩側(cè)金屬聲屏障為接閃器，無(wú)聲屏障區(qū)域在橋梁兩側(cè)護(hù)板上設(shè)置通長(zhǎng)的鍍鋅圓鋼作為接閃器。同時(shí)，使用50 mmh 5 mm貫通的鍍鋅扁鋼沿線路方向通長(zhǎng)焊接在聲屏障的工字鋼立柱上，該扁鋼作為高架區(qū)間防雷接地貫通地線，橋面上的強(qiáng)弱電設(shè)備的防雷裝置、金屬件等與之可靠連接。

6.2 引下線

在每個(gè)橋墩（間距約30 m）位置的橋面護(hù)板兩側(cè)采用Φ16 mm圓鋼作為防雷接地引下線，該段圓鋼在兩片梁之間的伸縮縫內(nèi)沿梁體側(cè)面的弧度明敷。選擇橋墩內(nèi)通長(zhǎng)焊接的2根不小于Φ16 mm豎向主筋作為防雷接地引下線，其上端與橋面作為防雷引下線的圓鋼可靠焊接，下部與橋墩承臺(tái)上層鋼筋外圈連接。

此外，將該段圓鋼在聲屏障底座處截?cái)?，采用地極保護(hù)器連接兩端，保證僅雷擊時(shí)地極保護(hù)器連通泄流，平時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)，防止將雜散電流引入橋墩，腐蝕墩柱內(nèi)鋼筋和地下管線。

6.3 接地裝置

利用橋梁承臺(tái)及樁基內(nèi)的鋼筋網(wǎng)構(gòu)成防雷的自然接地裝置。每根樁基利用外圍結(jié)構(gòu)主筋中的2根對(duì)角主筋作為垂直接地體，同時(shí)沿樁身每隔5 m利用箍筋將樁基外圍主筋焊接連通成鋼筋籠。選取承臺(tái)頂部上層外圈鋼筋焊接連通，構(gòu)成承臺(tái)環(huán)作為水平接地體。防雷自然接地裝置的接地電阻值應(yīng)不大于10Ω，電阻值不滿(mǎn)足要求時(shí)需增設(shè)人工接地極。

6.4 牽引網(wǎng)防雷

高架區(qū)間上、下行接觸軌每間隔約250 m分別設(shè)置避雷器，避雷器就近接入高架橋墩防雷接地端子。并在接觸軌電分段上網(wǎng)電纜處、隧道洞口等位置設(shè)置避雷器，將雷電流就近直接泄放入地，降低雷電引起的高電位對(duì)接觸軌及軌旁相關(guān)設(shè)備的影響。

為防止雷電波通過(guò)高架區(qū)間電纜引至牽引變電所造成電氣設(shè)備損壞或人員傷害，在高架、地面及與地面相鄰牽引變電所的正母線、饋線開(kāi)關(guān)柜、負(fù)母線增設(shè)避雷器。

6.5 區(qū)間其他設(shè)備防雷

高架區(qū)間還包括信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、無(wú)線接入（AP）設(shè)備、軌旁射頻單元（RRU）、漏泄同軸電纜等設(shè)施。對(duì)于信號(hào)機(jī)、AP箱盒等金屬設(shè)備，其外殼應(yīng)與沿區(qū)間弱電電纜支架貫通敷設(shè)的弱電接地扁鋼連接，實(shí)現(xiàn)保護(hù)接地；為防止外部雷擊對(duì)設(shè)備造成損害，采用在軌旁電源箱內(nèi)或在室內(nèi)防雷分線柜處設(shè)置浪涌保護(hù)器的方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷擊的設(shè)備防護(hù)功能。

7 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通高架線路由于地理位置的特殊性，易受到雷電襲擊的影響。本文對(duì)高架線路綜合防雷措施進(jìn)行詳細(xì)分析，結(jié)合深圳地鐵6號(hào)線防雷設(shè)計(jì)實(shí)踐，提出一套完整的高架線路綜合防雷防護(hù)方案。深圳地鐵6號(hào)線已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)2年多，期間未發(fā)生任何雷擊引發(fā)的安全事故，該高架線綜合防雷保護(hù)方案可為高架線路的防雷設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。