韓 成，馬峰超

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車站信號(hào)綜合樓防雷及接地研究

韓 成，馬峰超

車站信號(hào)綜合樓對(duì)鐵路行車至關(guān)重要，而雷電會(huì)對(duì)信號(hào)樓及其內(nèi)部的設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重影響，需設(shè)置合理可行的防雷及接地系統(tǒng)對(duì)信號(hào)樓進(jìn)行綜合防護(hù)。本文以湛江西站信號(hào)綜合樓為例，從接閃器、地網(wǎng)、屏蔽、SPD、避雷器等方面進(jìn)行計(jì)算、分析，提出科學(xué)有效的防直擊雷和感應(yīng)雷措施。

信號(hào)樓；防雷；接地

0 引言

車站信號(hào)綜合樓是鐵路安全運(yùn)營(yíng)的中樞，信號(hào)樓內(nèi)通信、信號(hào)等設(shè)備的供電安全和正常運(yùn)轉(zhuǎn)直接關(guān)系到鐵路的運(yùn)營(yíng)安全。信號(hào)綜合樓通常位于站場(chǎng)內(nèi)較空曠地區(qū)，易遭受雷擊，因此需要構(gòu)建有效的防雷保護(hù)和接地系統(tǒng)。本文以湛江西站信號(hào)綜合樓為研究對(duì)象，對(duì)建筑物防雷及接地設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

1 信號(hào)樓防雷等級(jí)的確定

車站信號(hào)樓年預(yù)計(jì)遭受雷擊次數(shù)計(jì)算式[1]為

=×g×e（1）

式中，為信號(hào)樓年預(yù)計(jì)遭受雷擊次數(shù)，次/a；為校正系數(shù)，通常取1；g為信號(hào)樓所在區(qū)域的大地遭受雷擊的年平均密度，次/km2/a；e為與信號(hào)樓遭受雷擊次數(shù)相同的等效面積，km2。

大地遭受雷擊的年平均密度應(yīng)查閱該地區(qū)的相關(guān)氣象資料確定，若無(wú)該方面資料，可按式（2）計(jì)算[2]

g= 0.1×d（2）

式中，d為年平均雷暴日，依據(jù)該地區(qū)的相關(guān)氣象資料確定。

與信號(hào)樓遭受雷擊次數(shù)相同的等效面積值應(yīng)為其實(shí)際平面向外擴(kuò)大后的面積。信號(hào)樓的高度通常都小于100 m，其遭受雷擊的等效面積及每邊的擴(kuò)大長(zhǎng)度計(jì)算式為[3，4]

p(200-)]×10-6（4）

式中，為信號(hào)樓每邊的擴(kuò)大長(zhǎng)度，m；、、分別為信號(hào)樓的長(zhǎng)度、寬度、高度，m，湛江西信號(hào)樓該3項(xiàng)數(shù)值分別為31、12和8（圖1）。

圖1 湛江西信號(hào)樓等效面積

圖1中最外圈的虛線所圍成的面積即為信號(hào)樓平面擴(kuò)大后的等效面積。

綜上，可以計(jì)算得出湛江西信號(hào)綜合樓的年預(yù)計(jì)遭受雷擊次數(shù)為0.067(次/a)，其防雷類別為第三類。

2 防雷保護(hù)

車站信號(hào)綜合樓的防雷保護(hù)分為內(nèi)部防雷系統(tǒng)和外部防雷系統(tǒng)[5]。其中，外部防雷系統(tǒng)是為了防止直擊雷造成危害；在外部防雷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為了保護(hù)建筑物內(nèi)的電子及電氣設(shè)備免受雷擊電磁脈沖的干擾，設(shè)置內(nèi)部防雷系統(tǒng)[6]。

各防雷系統(tǒng)保護(hù)方式如圖2所示。

圖2 防雷系統(tǒng)保護(hù)方式基本思路

2.1 直擊雷的防護(hù)

信號(hào)樓的防直擊雷保護(hù)系統(tǒng)包含了接閃器、引下線和接地網(wǎng)等。

2.1.1 接閃器

設(shè)置接閃器是防直擊雷的重要措施，其作用是吸引雷電流并通過(guò)其后端連接的引下線泄入大地，從而保證在其防護(hù)范圍內(nèi)建筑及人員免受直擊雷侵害。由于該信號(hào)樓建筑屋面為混凝土材質(zhì)，應(yīng)采用明敷熱鍍鋅扁鋼（接閃帶）作為防雷接閃器。根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》，第三類防雷建筑物接閃帶應(yīng)在整個(gè)屋面組成不大于20 m×20 m或24 m×16 m的網(wǎng)格，并且凡突出屋面的所有金屬構(gòu)件均應(yīng)與接閃帶可靠焊接[5]。

信號(hào)綜合樓內(nèi)設(shè)有信號(hào)機(jī)械室和通信機(jī)械室，需按照《鐵路通信設(shè)備雷電綜合防護(hù)實(shí)施指導(dǎo)意見》等相關(guān)規(guī)定，在屋面采用不小于40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼交叉焊接構(gòu)成不大于3 m×3 m的接閃網(wǎng)格，并將各端點(diǎn)與接閃帶焊接連通[7，8]。避雷帶采用不小于F8 mm的熱鍍鋅圓鋼沿屋頂周邊設(shè)置一圈，并使用相同規(guī)格的熱鍍鋅圓鋼均勻設(shè)置避雷帶支柱，支柱間距不大于1 m。

統(tǒng)籌考慮以上要求，并結(jié)合湛江西信號(hào)綜合樓具體情況，屋面防雷做法為：沿屋面混凝土女兒墻敷設(shè)一圈F10的圓鋼作為接閃器，安裝高度為 150 mm，直線段支架間距1 000 mm，拐角處支架間距300 mm，并在屋面上采用暗裝-40×4的扁鋼制作3 m×3 m的網(wǎng)格作為加強(qiáng)接閃器并與避雷帶可靠連接；屋面避雷帶搭接處焊接，并做防腐處理；同時(shí)，屋面所有電氣設(shè)備及其他正常不帶電的設(shè)備金屬外殼與避雷帶均做不少于2處的金屬性焊接。

2.1.2 防雷引下線

接閃器通過(guò)防雷引下線與接地裝置相連接，將雷電流泄入大地。雷電流的分流效果與引下線的數(shù)量和截面積有很大關(guān)系，引下線數(shù)量越多，每根引下線通過(guò)的雷電流越小，其感應(yīng)范圍就越小。根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》，當(dāng)接閃器成閉環(huán)狀且?guī)Ф喔戮€時(shí)，防雷引下線截面積、直徑應(yīng)滿足表1要求。

表1 引下線截面積、直徑與雷電流峰值的關(guān)系

在確定了建筑物防雷引下線后，還應(yīng)注意預(yù)防接觸電壓和跨步電壓，采取措施保護(hù)人身安全。如果建筑物的金屬構(gòu)架形成電氣通路，并且結(jié)構(gòu)柱內(nèi)的防雷引下線不少于10處，就可保證產(chǎn)生的接觸電壓和跨步電壓不會(huì)對(duì)人身安全產(chǎn)生危害。

結(jié)合以上各項(xiàng)要求，湛江西信號(hào)綜合樓防雷引下線做法為：利用信號(hào)樓鋼筋混凝土柱內(nèi)的4根不小于F16的結(jié)構(gòu)主筋通長(zhǎng)焊接作為引下線，共11處，相鄰2處間距均不大于25 m；引下線上端與避雷帶可靠焊接，下端與接地體可靠焊接，焊接處涂漆做防腐處理；在地坪上0.5 m處，暗埋引下線接地電阻測(cè)試端子盒。

2.1.3 接地裝置

建筑物的接地裝置優(yōu)先考慮利用建筑物本身的鋼筋混凝土基礎(chǔ)中的鋼筋作為自然接地體，并使用40 mm×4 mm的鍍鋅扁鋼將基礎(chǔ)鋼筋焊接為閉環(huán)形，以形成有效的電氣通路，且所有的焊接點(diǎn)均進(jìn)行防腐處理。當(dāng)利用自然接地體不能滿足建筑物的接地電阻值要求時(shí)，需要敷設(shè)人工接地極，將導(dǎo)體在不同地點(diǎn)與基礎(chǔ)地網(wǎng)連接，且不少于2處。自然接地體接地電阻可根據(jù)表2計(jì)算[9，10]。

表2 自然接地體接地電阻計(jì)算

表2中，為接地體長(zhǎng)度，m；為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)所包圍的體積，m3；為土壤電阻率，W·m。

人工敷設(shè)的接地裝置包括水平敷設(shè)的接地極和垂直敷設(shè)的接地極。一般首先敷設(shè)水平接地極進(jìn)行降阻，埋深應(yīng)不小于0.7 m，距建筑物外墻不小于1 m，并應(yīng)盡量形成閉合的環(huán)狀，與建筑物4個(gè)角的結(jié)構(gòu)主筋可靠焊接，同時(shí)在地下每隔5～10 m與建筑物基礎(chǔ)接地網(wǎng)鋼筋焊接一次。特殊情況下可以不形成環(huán)狀，但必須沿建筑物周圍敷設(shè)，以便可與建筑物的引下線就近連接。如果環(huán)形水平接地裝置敷設(shè)后，仍不能將接地電阻值降到所要求的范圍，就必須增設(shè)垂直接地極，并與水平接地極進(jìn)行可靠焊接，垂直接地極應(yīng)均勻布置且間距不小于其自身長(zhǎng)度的2倍。

人工垂直接地極應(yīng)優(yōu)先采用熱鍍鋅角鋼、鋼管或圓鋼，水平接地極應(yīng)優(yōu)先采用熱鍍鋅扁鋼或圓鋼。如果由于建筑物所處自然環(huán)境的原因，接地電阻值仍然難以達(dá)到要求，需在接地極周圍采取添加降阻劑等措施。

湛江西信號(hào)綜合樓接地裝置利用自身的混凝土基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋，其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)體積為558 m3，附近土壤電阻率約為200W·m，接地電阻為

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，鐵路信號(hào)樓接地電阻值應(yīng)不大于1W，因此應(yīng)增設(shè)人工接地極。

該信號(hào)樓人工接地裝置具體做法：在室外距外墻3 m，地面下1 m處埋設(shè)水平接地極（40 mm× 4 mm鍍鋅扁鋼）及垂直接地極（鍍鋅角鋼，= 2 500 mm）；水平接地極與垂直接地極可靠焊接，焊接處涂漆做防腐處理，并在建筑物4個(gè)角與基礎(chǔ)主筋可靠焊接；室外人工接地裝置壓接成閉合的環(huán)，垂直接地極間距不小于5 m。

邊緣閉合的接地網(wǎng)的電阻值計(jì)算式[11，12]為

n=1e（6）

式中，n為邊緣閉合接地網(wǎng)的沖擊接地電阻，W；e為接地網(wǎng)的工頻接地電阻，W；為接地網(wǎng)的總面積，m2；為接地極的等效直徑，m；為水平接地極的埋深，m；0為接地網(wǎng)的外邊緣總長(zhǎng)度，m；為水平接地極的總長(zhǎng)度，m；為中間變量。

經(jīng)計(jì)算，增設(shè)接地極后信號(hào)樓接地電阻值n為2.8W，仍不滿足規(guī)范要求，需在建筑物周圍添加降阻劑。根據(jù)式（6）—式（9）進(jìn)行推導(dǎo)，如果接地電阻小于1W，則需要將土壤電阻率降至80W·m。施工現(xiàn)場(chǎng)采取上述一系列措施后，實(shí)測(cè)信號(hào)綜合樓接地電阻為0.96W，滿足規(guī)范要求。

2.2 雷擊電磁脈沖防護(hù)

雷電是危害弱電設(shè)備系統(tǒng)最主要的因素，建筑物內(nèi)部防雷保護(hù)主要是為了防止雷擊電磁脈沖干擾。雷擊電磁脈沖會(huì)通過(guò)導(dǎo)線和輻射的方式進(jìn)行傳播，但在實(shí)際工況中，雷擊電磁脈沖的導(dǎo)線傳播和輻射傳播往往同時(shí)發(fā)生，造成對(duì)弱電系統(tǒng)的危害。

2.2.1 雷電防護(hù)分區(qū)

雷電防護(hù)分區(qū)包括：直擊雷非防護(hù)區(qū)（LPZ0A）、直擊雷防護(hù)區(qū)（LPZ0B）、第一防護(hù)區(qū)（LPZ1）及后續(xù)防護(hù)區(qū)（LPZ）。建筑物的防雷區(qū)劃分如圖3所示。

圖3 建筑物防雷分區(qū)

通常在LPZ1區(qū)域內(nèi)放置具有高抗雷擊電磁脈沖水平的弱電設(shè)備和強(qiáng)電設(shè)備；在LPZ2區(qū)域內(nèi)的房間均設(shè)有屏蔽網(wǎng)，通常放置抗干擾能力較弱的弱電設(shè)備；在LPZ3區(qū)域內(nèi)放置抗干擾水平極差的弱電設(shè)備，例如機(jī)柜等。在各區(qū)域界面處應(yīng)設(shè)置SPD和等電位端子箱。

2.2.2 等電位聯(lián)結(jié)

隨著現(xiàn)代電氣技術(shù)的發(fā)展，信號(hào)樓內(nèi)許多信號(hào)、信息、電氣設(shè)備已不再以大地的電位作為參考電壓，而是將建筑物內(nèi)部的等電位面電位作為參考電壓。采用合理的等電位聯(lián)結(jié)措施不僅能夠防止雷電流入地引起的地電位升高，而且能夠防止信號(hào)樓內(nèi)強(qiáng)/弱電設(shè)備的導(dǎo)電部件之間產(chǎn)生電位差，引起旁側(cè)閃絡(luò)放電。因此，信號(hào)樓內(nèi)的等電位聯(lián)結(jié)是影響強(qiáng)/弱電設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行安全的重要因素。

結(jié)合國(guó)家及鐵路總公司發(fā)布的相關(guān)文件要求，等電位聯(lián)結(jié)應(yīng)符合以下規(guī)定：

（1）接地線應(yīng)以最短距離就近與接地端子排可靠連接；

（2）在信號(hào)機(jī)械室、通信機(jī)械室、控制室、繼電器室、電源室和機(jī)房等重要處所須設(shè)置接地端子排。接地端子排應(yīng)為大于30 mm×3 mm的紫銅排，且各接地端子排應(yīng)相互連接，連接為環(huán)形時(shí)不應(yīng)形成閉合回路。

湛江西信號(hào)樓在總配電箱處設(shè)置總等電位聯(lián)結(jié)板，其材質(zhì)為紫銅板。將配電箱的PE母排、建筑物內(nèi)的金屬管道及建筑物的金屬結(jié)構(gòu)等電位聯(lián)結(jié)，等電位聯(lián)結(jié)線采用-40×4鍍鋅扁鋼。設(shè)備的預(yù)留接地端子、采暖管及進(jìn)入室內(nèi)的PE線與各局部等電位端子箱聯(lián)結(jié)，聯(lián)結(jié)線均采用WDZB-BYJ- 6m2導(dǎo)線在地面內(nèi)或在墻內(nèi)穿塑料管暗敷。圖4為信號(hào)樓等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)圖。

圖4 信號(hào)樓等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)圖

2.2.3 電磁屏蔽

電磁屏蔽的主要目的是為了防止建筑物內(nèi)的通信設(shè)備、信號(hào)設(shè)備、精密儀器以及自動(dòng)控制系統(tǒng)受到雷電電磁脈沖危害。

鐵路通信機(jī)械室、信號(hào)機(jī)械室的電磁屏蔽主要由“法拉第籠”實(shí)現(xiàn)。法拉第籠具有屏蔽及均壓的作用，不僅可以保護(hù)其內(nèi)部的弱電設(shè)備，還可以防止內(nèi)部設(shè)備出現(xiàn)電壓反擊現(xiàn)象。信號(hào)樓法拉第籠如圖5所示。

圖5 信號(hào)樓法拉第籠

2.2.4 浪涌保護(hù)器

進(jìn)入內(nèi)部防雷區(qū)的線路其防雷擊電磁脈沖主要通過(guò)設(shè)置浪涌保護(hù)器（SPD）實(shí)現(xiàn)[13，14]。浪涌保護(hù)器是一種用于限制瞬時(shí)過(guò)電壓和泄放電涌電流的電器，其至少包含一個(gè)非線性元件，利用放電間隙、氣體放電管或壓敏電阻的特性，通過(guò)將過(guò)電流導(dǎo)入大地以限制過(guò)電壓，限制器上的電壓等于系統(tǒng)端的電壓，也等于限制器導(dǎo)通后的殘余電壓。浪涌保護(hù)器防雷原理如圖6所示。

圖6 浪涌保護(hù)器防雷原理

湛江西信號(hào)綜合樓SPD設(shè)置方案為：

（1）在總照明配電箱處安裝沖擊放電電流imp≥12.5 kA（10/350ms波形）的開關(guān)型SPD，也可安裝標(biāo)稱放電電流n≥50 kA（8/20ms波形）的限壓型SPD作為一級(jí)防護(hù)，有效電壓保護(hù)水平不大于2.5 kV，最大持續(xù)運(yùn)行電壓不小于253 V。

（2）在樓層分配電箱安裝標(biāo)稱放電電流n≥10 kA（8/20ms波形）的限壓型SPD作為二級(jí)防護(hù)，有效電壓保護(hù)水平不大于2.5 kV，最大持續(xù)運(yùn)行電壓不小于253 V。

（3）在通信、信號(hào)配電箱處安裝標(biāo)稱放電電流n≥5 kA（8/20ms波形）的限壓型SPD，有效電壓保護(hù)水平不大于2.5 kV。

（4）在弱電配電箱內(nèi)通信、信號(hào)等電子系統(tǒng)的引入端裝設(shè)的SPD由系統(tǒng)供應(yīng)商負(fù)責(zé)提供。

3 結(jié)語(yǔ)

信號(hào)綜合樓作為鐵路正常運(yùn)營(yíng)的重要保障，預(yù)防直擊雷和感應(yīng)雷危害極其重要。本文以湛江西信號(hào)樓為例，基于理論計(jì)算確定其屬于第三類防雷建筑物，參照相關(guān)規(guī)程、規(guī)范，通過(guò)理論計(jì)算，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)計(jì)了合理的接閃器、引下線及接地裝置等防直擊雷方案，經(jīng)過(guò)研究分析得出合理的防感應(yīng)雷措施，并明確了SPD的設(shè)置方案，對(duì)實(shí)際工程防雷及接地設(shè)計(jì)和施工具有一定的參考作用。

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The signal building in station is crucial to the railway safety operation; however, the lightning striking will cause severe impact to the signal building and its internal equipment, which require setting feasible lightning protection and earthing system for comprehensive protection of signal building. The paper, taking Zhanjiang West signal complex building as an example, illustrates the calculation and researches of lightning receptor, earthing network, earthing shield, SPD and lightning arrestor, and puts forward effective measures for protection of direct lightning striking and induced lightning striking.

Signal building; lightning protection; earthing

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.023

U284.93

B

1007-936X(2018)06-0090-05

2018-03-31

韓 成.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，工程師；

馬峰超.京津冀城際鐵路投資有限公司，高級(jí)工程師。