轨道交通地面车站综合接地及防雷设计

　　摘要:本文根据轨道交通实际工程经验，阐述了典型高架车站综合接地及防雷具体设计方案，同时结合实际工程综合接地及防雷设计及施工中可能出现的问题，对相关工程综合接地及防雷设计及施工提出几点建议。

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　　关键词:城市轨道交通;地面车站;综合接地;防雷;设计

　　中图分类号:TU856文献标识码:A文章编号:2095-2104(2013)

　　引言

　　随着城镇化不断扩大，我国大型城市交通的客运量急剧上升，为了解决市区交通堵塞及安全、行车速度下降、能源危机和环境污染等问题，像北京、上海、广州等一线城市逐步将城市人口向郊区疏散。为配合城市的发展，原本在城市中心的轨道交通也逐步向城市郊区延伸，在城市郊区，轨道交通也由地下线路逐渐过渡为地面或高架线路。

　　对于城市中心的地下轨道交通，由于地面高层建筑的存在，一般对防雷不做要求，车站综合接地系统满足设备安全及工作接地即可，但对于轨道交通地面车站，综合接地及防雷设计是否合理将直接影响到整座车站乃至整条轨道交通线路供电可靠性及安全性。

　　防雷设计

　　防雷设计可分为外部防雷和内部防雷两部份。外部防雷主要作用是为了保护设施或建筑物免受直击雷的危害;内部防雷则主要是为了防止雷电波侵入、雷电感应过电压及地电位反击。

　　1.建筑物年预计雷击次数

　　城市轨道交通地面车站属于人员密集的公共建筑物，按规范要求需要计算年预计雷击次数，以确定按哪类建筑物进行防雷设计。车站等效面积如下图:

　　车站等效面积图

　　L、W、H--分别为车站的长、宽、高(m)。

　　以北京地铁15号线一期工程高架站国展站为例，车站长L=120米、宽W=21米、高H=16米。

　　建筑物年预计雷击次数应按下式确定:

　　N=kNgAe(1)

　　Ng=0.024T1.3d(2)

　　Ae=[LW+2(L+W)·+πΗ(200-H)]·10-6(3)

　　式中:N-建筑物年预计雷击次数(次/a);

　　k-校正系数，在一般情况下取1;

　　Ng-建筑物所处地区雷击大地的年平均密度(次/km2/a);

　　Ae-与建筑物截收相同雷击次数的等效面积(km2);

　　Td-年平均雷暴日(北京地区Td=40)

　　将参数代入公式(1)、(2)、(3)，经计算N=0.156，按规范要求地铁地面车站应按第二类建筑物进行防雷设计。

　　2.外部防雷

　　外部防雷的主要措施包括在车站建筑物上设置防雷接闪器、引下线、接地装置。

　　(1)防雷接闪器

　　防雷接闪器是直击雷的防护措施中的一个重要环节，其作用是接引雷电流，通过引下线和接地装置向大地中泄放雷电流，以保护设施或建筑物免受雷电侵害，其类型包括避雷针、带、线等，对于地铁地面站防雷接闪器主要是在整个车站顶部屋面设置组成不大于10m×10m或12m×8m的防雷网格，防雷网格可选用铜、铝合金、铝或不锈钢。对于轨道交通项目而言，一般选用Φ10或Φ12圆钢。若车站为金属屋面，则可以直接利用金属屋面作为防雷接闪器。

　　北京地铁15号线一期工程高架国展站顶棚即为金属顶棚，在防雷设计时直接利用金属屋面作为防雷接闪器，金属屋面与钢立柱可靠焊接。若金属屋面有天窗等金属构件，则金属构建应与屋面牢固焊接，采用25×4(mm)的不锈钢带焊接。车站立面图如下图:

　　车站立面图

　　(2)防雷引下线

　　防雷引下线是连接接闪器和接地装置的金属导体，将避雷针或避雷带接收的雷电流引向接地装置的导体，以保护建筑物或设施免受雷害。按照材料可以分为:镀锌防雷引下线和镀铜防雷引下线、铜材防雷引下线(此引下线成本较高，一般不采用)、超绝缘防雷引下线。

　　在轨道交通行业中，防雷引下线一般采用镀锌圆钢或扁钢，但多采用镀锌圆钢。

　　防雷引下线敷设方式有两种，一种是专设防雷引下线应沿建筑物外墙外表面明敷，一种是利用建筑物的钢梁、钢柱、消防梯等金属构件以及幕墙的金属立柱作为防雷引下线。明敷的防雷引下线一般采用圆钢或扁钢组成，如有腐蚀性场所应当适当增大截面积。沿建筑物的外墙敷设时，敷设路线应尽量短而直，应固定牢固，固定支点不应大于1.5至2米。在地面连接处可用钢管穿管的办法，以防止外物对引下线的机械损伤和防腐蚀。为了检查测量的方便，一般在离地面1.5只1.8米处须设置断接卡。

　　北京地铁15号线一期工程由于高架车站屋面为金属屋面，且金属屋面通过钢立柱与站台层连接，所以直接利用钢立柱作为车站防雷引下线。按规范要求，第二类防雷建筑物防雷物防雷引下线间距不大于18米，但北京地铁15号线高架车站柱网间距一般大于9米，所以每个钢立柱都作为防雷引下线。

　　在有钢立柱的站台地面处预留2根接地螺栓，待车站钢立柱就位后，将钢立柱与接地螺栓可靠焊接。车站站台预留的接地螺栓与车站框架柱中选取的接地钢筋可靠焊接，接地螺栓及钢筋焊接示意图如下:

　　接地螺栓及钢筋焊接示意图

　　(3)接地装置

　　接地体包括接地装置和装置周围的土壤或混凝土，它的作用是把雷击电流有效地泄入大地。良好的接地可以避免地电位反击。

　　现在常用的接地装置有水平接地极、垂直接地极、延长接地极和基础接地极。目前轨道交通一般都是利用车站基础内的结构钢筋作为自然接地体，另外在变电所周围敷设人工接地体，自然接地体与人工接地体连接，构成统一的接地装置。接地装置的接地电阻不大于0.5Ω。当接地不能满足要求时，可采用环形接地极组和放射形接地极组的办法。对于土壤电阻较高的地区或车站，一般接地方式很难达到接地设计要求，对于这种情况，可采用人工办法来减小接地土壤的电阻率，即用换土法或化学处理法，从轨道交通工程的长远性考虑，宜采用换土法。

　　3.内部防雷

　　内部防雷的主要措施包括屏蔽、设置避雷器、等电位连接。

　　屏蔽的作用是防止建筑物内的电力设施遭受雷电感应的危害。主要做法是利用结构钢筋，包括柱子、梁、板内的钢筋，相互连接，共同构成一个网笼，实现屏蔽。

　　对于从建筑物外来的电力设施，在电力设施与接地装置之间设置避雷器，当雷电过电压波沿电力设施进入建筑物时，利用避雷器的特性，使雷电流分流入地，并限制过电压。

　　等电位连接是使建筑物内的各个部位都形成一个相等的电位，建筑物内不会产生不同的电位，保证建筑物内不会产生危及人身安全的接触电压或跨步电压。

　　综合接地设计

　　北京地铁15号线一期工程高架车站利用结构钢筋作为自然接地体，并在车站变电所周围设置辅助人工地网，自然接地网与人工接地网可靠连接，组成综合接地网。综合接地网如下表:

　　1)、自然接地网

　　每个结构桩钢筋笼放进桩孔前(包括车站主体的结构桩)选择6根均匀分布在外侧的纵向通长钢筋作垂直接地体，并用横向箍筋不大于2m的间距与该钢筋笼各垂直接地体焊接，保证电气连通。

　　桩基中用作垂直接地体的主筋与承台主筋网焊接，每根桩基每根垂直接地体至少有一点与承台钢筋网可靠焊接。选择地梁上侧两条主筋作水平接地体，选取的钢筋与承台钢筋网可靠焊接，同时，用作防雷引下线的柱内两根主筋与承台钢筋网可靠焊接。桩基、承台及地梁钢筋焊接图如下:

　　桩基、承台及地梁钢筋焊接图

　　2)、人工接地网

　　在高架车站变电所周围设置辅助人工接地网，人工接地网由水平接地体和垂直接地体构成。为确保车站整个地网等电位，水平接地体与自然接地体在墙面预埋的接地扁钢可靠焊接，人工接地网与自然接地网焊接点不少于2处。人工接地网平面图如下:

　　人工接地网平面图

　　对于北京地铁15号线一期工程中接地装置采用焊接连接，其搭接长度应符合下列规定:

　　a.扁钢与扁钢搭接为扁钢宽度的2倍，不少于三面焊接;

　　b.圆钢与圆钢的搭接为圆钢直径的6倍，双面焊接;

　　c.圆钢与扁钢搭接为圆钢直径的6倍，双面焊接;

　　d.扁钢和圆钢与钢管、角钢、互相焊接时，除应在接触部位两侧施焊外，还应增加圆钢搭接件;

　　e.所有焊缝应平整、光滑，并应做防腐处理。

　　(3)综合接地

　　由于不同工程接口划分不一致，综合接地及防雷设计方案也存在差异。有的工程只需要综合接地设计专业在车站站台板下设置总接地母排，其它设备专业自行设计本专业接地，并考虑本专业接地电缆路由;而有的工程需要综合接地设计专业将接地电缆送至各设备专业房间，并在设备专业房间内设置接地母排。

　　根据北京地铁15号线一期工程综合接地及防雷设计接口划分，由综合接地及防雷设计单位将接地电缆送至各设备专业房间，并在设备专业房间内设置接地母排。由于15号线为高架岛式车站，防雷与综合接地共同设置一综合接地网。在各设备房间内预埋接地钢板，接地钢板与结构钢筋可靠焊接，用于各设备专业接地。各设备房间接地钢板焊接图如下:

　　接地钢板焊接图

　　综上，北京地铁15号线车站综合接地及防雷是利用金属屋面作为防雷接闪器，利用钢立柱及机构钢筋为防雷引下，桩柱、承台及结构底梁钢筋作为自然接地网。自然接地网和人工接地网构成综合接地网，系统图如下:

　　车站综合接地及防雷系统图

　　工程问题及建议

　　车站综合接地及防雷施工一般都是由车站土建施工单位施工，但北京地铁15号线综合接地由供电专业施工，但车站防雷部分的自然地网利用的是结构钢筋，设备施工单位无法施工，只能由车站土建施工单位焊接钢筋和预埋接地钢板。针对北京地铁15号线综合接地及防雷在设计及施工工程中出现的问题，提出以下几点建议。

　　1、要求车站土建施工单位严格按图施工，避免忘记预埋接地钢板、接地预埋钢板埋设位置不对，或接地预埋钢板埋在墙面以内的情况，以至于设备在把人工地网与钢板焊接时找不到预埋钢板。

　　2、由于两个施工单位一起做综合接地及防雷，责任划分和任务分工一定要明确，避免出现同一件事情双方争着做或双方都不做的情况。如要明确人工地网与自然地网的连接由哪个来施工单位施工以及具体连接方式，并要明确屋面防雷接闪器由哪个施工单位来施工

　　3、综合接地及防雷总电阻要求不大于0.5欧姆，为避免后期施工方的争议，建议人工地网和自然地网分开测量接地电阻值，在分别满足要求的情况下再合起来测量一个总的电阻值，达到最终接地电阻值要求。

　　综合接地及防雷是个完全隐蔽的工程，在设计前期就需要考虑到后期施工过程中可能出现的问题，特别是综合接地与防雷设计由两个施工单位来完成的情况下，更应该分清两个施工单位的施工分界及接口，只有明确两个施工单位的分工后，才能各尽其责共同把综合接地与防雷这项工程做好。

　　土建施工专业和设备施工专业只有严格按图施工、互相协作，才能把防雷及综合接地这项工程做好。

　　结束语

　　轨道交通是客流量较大的公共交通，来往的乘客较多，确保乘客的安全及轨道交通的正常运行极为重要。车站综合接地及防雷设计是否合理及施工是否到位将直接影响乘客安全及轨道交通的正常运行。

　　本文结合北京地铁15号线工程，对综合接地及防雷设计方案、设计注意事项、施工中可能出现的问题及工程建议进行简单阐述，希望在后期类似工程设计中起到抛砖引玉的作用。