管亞敏

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電氣化設(shè)計(jì)研究處,武漢 430063)

1 概述

鐵路武漢站是武廣客運(yùn)專線的起點(diǎn)站,建筑造型新穎別致,宛如一只翩然而歸的千年黃鶴。車站站房總建筑面積35萬(wàn)多m2,建筑最大高度58 m,分為高架層、站臺(tái)層、地面層及地下層,采用了超大跨度的結(jié)構(gòu)形式,屋頂采用通透的材料和巨大的拱殼,站房空間大氣并富有韻律。然而,獨(dú)特的建筑造型給建筑防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了新的課題,根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50057—94)(2000年版),武漢站屬于第二類防雷建筑,可利用建筑屋面鋼筋和梁、柱、基礎(chǔ)鋼筋分別作為防雷接閃器、引下線。但是,由于站房屋面采用了中空聚碳酸酯采光板與鋁鎂錳合金屋面板交替鋪設(shè),且金屬屋面板比采光板低25 cm,直接利用建筑屋面作為防雷接閃器,在屋頂上方不安裝接閃器或金屬防雷網(wǎng)格,是否可滿足建筑防雷要求；其次,武漢站采用了上部大型建筑與下部橋梁共同組成的“橋建合一”新型結(jié)構(gòu),橋墩柱之間的跨度南北向?yàn)?1.5 m,東西向?yàn)?6 m,利用橋墩結(jié)構(gòu)鋼筋及柱內(nèi)專用鋼筋作為防雷接地引下線,其跨度不滿足國(guó)家規(guī)范二類防雷建筑引下線平均間距不應(yīng)大于18 m的規(guī)定,采用柱內(nèi)鋼筋作為引下線是否會(huì)對(duì)屋面下的電氣設(shè)備和人員的安全帶來(lái)影響。本文通過(guò)理論分析、仿真計(jì)算以及引用試驗(yàn)室驗(yàn)證結(jié)果等方法,對(duì)上述技術(shù)難題進(jìn)行深入研究探討,從而提出武漢站防雷接地的設(shè)計(jì)方案。

2 防雷接閃器

2.1 武漢站落雷密度計(jì)算

武漢站的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)可根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50057—94)(2000年版)所提供的計(jì)算公式：N=kNgAe來(lái)確定。經(jīng)計(jì)算,武漢站的年預(yù)計(jì)平均雷擊密度Ng=2.368 km2·a,等效面積(Ae)見(jiàn)圖1,得出武漢站年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)N=0.625(次/a)。

圖1 武漢站等效面積(單位：m)

2.2 非金屬屋面落雷情況分析

武漢站大部分屋面是采用中空聚碳酸酯采光板與鋁鎂錳合金屋面板交替鋪設(shè),金屬屋面板比采光板低25 cm,采光板兩端設(shè)有金屬支撐構(gòu)件,采光板有兩種規(guī)格,分別為寬度60 cm、厚度16 mm和寬度130 cm、厚度25 mm(圖2)。可以看出,雖然屋面沒(méi)有采用通常意義上的接閃器,實(shí)際上非金屬板兩側(cè)的金屬構(gòu)件與非金屬采光板等高,考慮到金屬引雷能力,非金屬采光板遭受直接雷擊的可能性是極小的。

圖2 屋面結(jié)構(gòu)

圖3 雷擊非金屬采光板閃絡(luò)路徑示意

如圖3所示,在極小概率情況下,當(dāng)非金屬采光板遭受直接雷擊,假設(shè)雷擊點(diǎn)位于采光板的中間(最嚴(yán)重的情況),雷電流瀉放有兩種可能：(1)沿采光板表面沿面閃絡(luò),流入與其等高的金屬構(gòu)件；(2)采光板被擊穿,雷電流直接穿過(guò)采光板流入下層金屬襯板。

對(duì)于第一種可能：采光板被雷擊時(shí),表面已經(jīng)潮濕,在潮濕情況下,固體的平均沿面閃絡(luò)電場(chǎng)梯度為5～11 kV/cm,30 cm的距離需要的閃絡(luò)電壓為150～330 kV,65 cm的距離需要的閃絡(luò)電壓為325～715 kV。

對(duì)于第二種可能：因塑料的擊穿電壓為2～3 MV/cm,空氣在極不均勻電場(chǎng)下,1 cm雷電沖擊擊穿電壓約為30 kV。將中空聚碳酸酯采光板按塑料比空氣1∶9折算,16 mm厚度與25 mm厚度的擊穿電壓分別為520 kV與820 kV。

由上分析可以看出,非金屬板的沿面閃絡(luò)電壓均小于其擊穿電壓,在非金屬屋面采光板遭受直接雷擊時(shí),雷電流會(huì)沿非金屬板表面沿面閃絡(luò),流入金屬構(gòu)件中,非金屬采光板沒(méi)有被直接擊穿的危險(xiǎn)。因此,車站站房屋面雖然沒(méi)有設(shè)置防雷接閃器,但是金屬屋面部分起到了接閃器的作用,能對(duì)中空聚碳酸酯采光板的落雷起到一定的屏蔽作用。

3 防雷接地引下線

武漢站利用橋墩結(jié)構(gòu)鋼筋及專用鋼筋作為防雷接地引下線,橋墩柱之間的跨度：南北向的橋墩相距21.5 m,東西向的橋墩相距36.5 m；雨棚柱之間的跨度：南北向的橋墩相距64.5 m,東西向的橋墩相距36.5 m。這顯然與建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范要求不符。建筑物避雷網(wǎng)上的雷電流是通過(guò)引下線入地,引下線數(shù)量較多或者間距較小時(shí),雷電流分布較為均勻,由于分流,引下線上的電壓相對(duì)減小,避免了跳閃的危險(xiǎn)。因此,引下線的最大距離是以限制引下線上的最大雷電流為依據(jù)的,這種大跨度防雷引下線對(duì)站房?jī)?nèi)電氣設(shè)備和人員的安全帶來(lái)的影響需通過(guò)計(jì)算來(lái)說(shuō)明。

武漢站結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖4。

圖4 武漢站結(jié)構(gòu)示意(單位：mm)

3.1 規(guī)程計(jì)算

雷電流通過(guò)結(jié)構(gòu)鋼筋與專用防雷引下線鋼筋及樓層地面泄流,會(huì)在其等值的電感上呈現(xiàn)電位差,若人站在樓層地面,手觸摸結(jié)構(gòu)鋼筋,則會(huì)在人體上產(chǎn)生接觸電勢(shì),若人在樓層地面行走,會(huì)在人的步長(zhǎng)間產(chǎn)生跨步電勢(shì)。接觸電勢(shì)與跨步電勢(shì)超過(guò)允許值,就會(huì)對(duì)人身安全構(gòu)成危害,出現(xiàn)傷亡事故。人站立地面,手觸摸鋼柱的位置越高,則作用人體上的接觸電勢(shì)越大,一般取觸摸位置距地面高度為1.8 m；同樣人在地面行走,跨步越大,作用跨步電勢(shì)越大,一般取跨步距離為0.8 m。

根據(jù)我國(guó)電力設(shè)備技術(shù)規(guī)程,考慮地面采用混凝土(假定局部受潮)的電阻率為100 Ω·m。雷電沖擊電流持續(xù)時(shí)間為50 μs,則車站允許的人體最大跨步電勢(shì)與接觸電勢(shì)分別為34.5 kV與27 kV。若考慮地面混凝土是干燥(ρb取1 000 Ω·m)的,則允許的人體最大跨步電勢(shì)與接觸電勢(shì)分別為123.6 kV與48.6 kV。單位雷電流作用下允許的跨步電勢(shì)與接觸電勢(shì)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

3.2 武漢站防雷接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

武漢站采用“橋建合一”結(jié)構(gòu)形式,是一座全高架,集橋梁、建筑特征于一體的鐵路客站。其防雷接地系統(tǒng)由站房屋頂鋼筋結(jié)構(gòu)、站房引下線、站房地面鋼筋、地面鋼筋支撐和接地網(wǎng)組成,可視為三層交叉鋼結(jié)構(gòu)通過(guò)引下線連接起來(lái),屋頂鋼結(jié)構(gòu)的交叉點(diǎn)視為通過(guò)引下線與站房地面連接,同時(shí)站房地面與接地網(wǎng)交叉點(diǎn)相連,接地網(wǎng)視為由13×12個(gè)長(zhǎng)為36 m、寬為21.5 m的長(zhǎng)方形網(wǎng)格組成,總占地面積約為396 m×258 m。武漢站防雷接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意和正面、側(cè)面的剖面示意見(jiàn)圖5、圖6。

表1 規(guī)程計(jì)算結(jié)果 kV

圖5 武漢站防雷接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖6 武漢站防雷接地系統(tǒng)剖面示意(單位：m)

3.3 武漢站鋼結(jié)構(gòu)體與接地網(wǎng)的電路模型分析

3.3.1 建筑物鋼結(jié)構(gòu)體的電路模型

圖7 建筑物鋼結(jié)構(gòu)的電路模型

3.3.2 接地網(wǎng)與土壤的場(chǎng)路耦合模型

每段接地導(dǎo)體除考慮它作為良導(dǎo)體的電阻和自感外,同時(shí)考慮了它與所有平行導(dǎo)體之間的互感,這里互感同樣用支路電流控制電壓源來(lái)代替。

導(dǎo)體與土壤的場(chǎng)路耦合用流散電流源來(lái)建模。即用矩量點(diǎn)匹配法,求解電位系數(shù)矩陣,得出每段導(dǎo)體的流散電流與所有支路等位體的關(guān)系,并將流散電流等效集中分配到節(jié)點(diǎn)中,形成與節(jié)點(diǎn)相聯(lián)的電流源,圖8(a)、(b)、(c)分別是接地網(wǎng)4條支路、3條支路和2條支路的交叉節(jié)點(diǎn)的電路和電流場(chǎng)的耦合示意圖。結(jié)合電場(chǎng)的矩量法、電路的節(jié)點(diǎn)電位法和支路電流方程,建立了建筑物鋼結(jié)構(gòu)與接地網(wǎng)系統(tǒng)的整體數(shù)學(xué)模型。

圖8 接地網(wǎng)高頻下的電路模型

3.4 仿真計(jì)算

雷擊建筑不同地點(diǎn)時(shí),雷電流分布各不相同,當(dāng)雷擊建筑邊緣時(shí),雷電流在各接地引下線中分布最不均勻,為最嚴(yán)重的情況。在這個(gè)雷擊點(diǎn),土壤電阻率取30 Ω·m,建筑遭受100 kA幅值、2.6/40 μs波形參數(shù)的雷擊情況下,進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.4.1 雷電流分布及地面電位仿真計(jì)算結(jié)果

通過(guò)仿真計(jì)算,從“屋頂至站房地面層引下線中雷電流分布圖”可以得出結(jié)論：雷電流從邊角處注入建筑后,經(jīng)過(guò)屋頂?shù)谝淮畏至?約41%雷電流沿該立柱鋼筋流入下一層,其臨近鋼筋分別有約10%的雷電流流過(guò),更遠(yuǎn)的鋼筋分流更少。分流極不均勻,最大電流與次大電流之比為3.31,分流系數(shù)0.414。

值得一提的是,在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50057—94)第3.3.4條中引用的分流系數(shù)kc,“單根引下線應(yīng)為1,兩根引下線及接閃器不成閉合環(huán)的多根引下線應(yīng)為0.66,接閃器成閉合環(huán)或網(wǎng)狀的多根引下線應(yīng)為0.44”。屋面層計(jì)算出的分流系數(shù)0.414與之接近。

從“站房地面層至接地網(wǎng)引下線中雷電流分布圖”可以得出以下結(jié)論：經(jīng)過(guò)第二次分流后,約25%雷電流沿該立柱鋼筋流入下一層,其臨近鋼筋分別有約10%的雷電流流過(guò),更遠(yuǎn)的鋼筋分流更少。分流較之上層均勻,最大電流與次大電流之比為2。

從“大范圍內(nèi)地表電位等位線圖”可以看出,支撐柱的散流效應(yīng)明顯,地表沖擊電位的不均勻程度大大降低。

3.4.2最大沖擊跨步電勢(shì)與最大沖擊接觸電勢(shì)計(jì)算結(jié)果

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,武漢站土壤電阻率實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 武漢站土壤電阻率 Ω·m

由表2可見(jiàn),站房區(qū)域的土壤電阻率在大于15 Ω·m,小于30 Ω·m的范圍內(nèi),因此,仿真計(jì)算時(shí)分別取15 Ω·m與30 Ω·m進(jìn)行計(jì)算。

取土壤電阻率ρ為15、30 Ω·m,計(jì)算出建筑物接地網(wǎng)的沖擊接地電阻Rch、每kA雷電流對(duì)應(yīng)的最大沖擊跨步電勢(shì)Vk、最大沖擊接觸電勢(shì)Vj和地表的沖擊電位圖。100 kA雷電流下的最大沖擊接觸電勢(shì)、最大沖擊跨步電壓計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

表3 100 kA雷電流下的最大沖擊接觸電勢(shì) kV

表4 100 kA雷電流下的最大沖擊跨步電壓 kV

通過(guò)上述計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出,在建筑遭受100 kA以內(nèi)幅值的雷擊情況下,雖然站房防雷接地引下線跨度較大,但是最大沖擊跨步電壓與最大沖擊接觸電勢(shì)仍然滿足規(guī)程要求。因此,武漢站利用橋墩結(jié)構(gòu)鋼筋及柱內(nèi)專用鋼筋作防雷接地引下線,盡管間距大于規(guī)范要求,但通過(guò)各樓層接觸電勢(shì)與跨步電勢(shì)計(jì)算驗(yàn)證,在建筑遭受雷擊情況下,不會(huì)對(duì)人身和設(shè)備安全造成危害,滿足設(shè)計(jì)要求。

4 研究結(jié)論

通過(guò)研究認(rèn)為,雖然武漢站站房屋頂面積龐大,預(yù)計(jì)年遭受雷擊數(shù)達(dá)到0.625次,屋面采用了中空聚碳酸酯采光板和金屬板屋面間隔布置的方式,但是金屬屋面部分起到了防雷接閃器的作用,能對(duì)中空聚碳酸酯采光板的落雷起到一定的屏蔽作用,即使在最嚴(yán)重落雷點(diǎn)的情況下,非金屬屋面板也不會(huì)被直接擊穿,不需在屋面上部增加專用的避雷針或避雷帶,在確保建筑物防雷安全的前提下,沒(méi)有破壞屋面整體造型,實(shí)現(xiàn)了對(duì)建筑創(chuàng)意的最佳體現(xiàn)；站房利用橋墩結(jié)構(gòu)鋼筋及專用鋼筋作防雷接地引下線,雖不滿足平均間距不應(yīng)大于18 m的要求,但計(jì)算結(jié)果表明,站房的最大跨步電壓與接觸電勢(shì)仍然滿足規(guī)程要求,因此不需增加專用的防雷接地引下線及由此可能造成的結(jié)構(gòu)柱的增加,保持了建筑本身大空間、大跨距的特點(diǎn),給旅客提供了通透舒適的候乘環(huán)境。

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