鐵路站房接地與防雷設計總結

陶云飛 (筑博設計集團(北京)股份有限公司， 北京 100013)

1 概述

鐵路站房是廣大旅客候車與集散的空間，屬于人員密集場所，相比一般建筑物其重要性更高一些，而且屬于一個地區的標志性建筑，其安全性必須予以重視。另外，站房內有許多信號設備用房，擔負鐵路列車的正常運行，要保持信號系統的準確運行，不受外界干擾，鐵路站房需要構建有效的雷電防護系統。

本文以高鐵安陽東站為例，介紹防雷、接地、等電位聯結、低壓電源系統接地、信號機房的屏蔽措施等做法。

2 鐵路綜合接地系統概念

鐵路綜合接地系統是用貫通地線將鐵路沿線所有接地系統進行等電位連接，綜合接地系統既是一個低電阻大地網，又是一個大等電位體。如圖1所示，其中鐵路站房、通信樓等建筑物的結構網接地又作為該綜合接地系統的接地裝置。

3 站房接地防雷系統

鐵路站房內部必須采用總等電位接地系統，一方面是人身安全的防護要求，另一方面也是強弱電設備雷擊電磁脈沖防護的要求。

通過將站房防雷系統接地、低壓電源工作接地、建筑物基礎基地、保護接地、弱電設備工作接地等通過等電位聯結的方式構成聯合接地系統，達到有效的防護效果。下面介紹這幾個方面的具體做法。

3.1 接地系統

為減少人體同時接觸不同電位引起的電擊危險，在建筑物內部需對電氣裝置采用總等電位聯結。主要通過在建筑物的電源進線處將下列可導電部分互相連通：

1)進線處的PE母排或PE干線；

2)接地極引入線；

3)水道干管；

4)燃氣干管；

5)采暖和空調干管；

6)建筑物的金屬結構。

圖2所示為本工程聯合接地的內容，由圖2可以看出，除了上述各類內容外，各類強弱電機房的接地，防雷接地等均聯結成一個大的等電位體，并與鐵路貫通接地線聯結。

具體做法包括：

1)利用樁、承臺及基礎底板內主鋼筋相互焊通作為聯合接地裝置。在建筑物外墻四周的地下另設置環形接地裝置，該環形接地裝置距外墻面1m，埋深1m。環形接地裝置采用60mmx6mm熱鍍鋅扁鋼，鍍層≥60μm，與每處防雷引下線在地下連通。并在適當的位置與鐵路貫通地線連接。

2)凡有防雷引下線和電氣接地引上線的結構柱,要求該結構柱下方的樁內主筋(至少四根,且直徑≥Φ10)與承臺的面筋焊接，然后承臺面筋再與所連接的基礎梁面筋及所經過的接地連接線焊接連通。所有焊接長度須>6D。共用接地裝置的接地電阻須≤1Ω。

3)在與防雷引下線相對應的室外埋深1.0m處由被利用作為引下線的鋼筋上焊出一根 40mmX4mm熱鍍鋅扁鋼，此扁鋼伸向室外，距外墻皮的距離≥1.5m，供加打人工接地體用。

4)進出建筑物的各種金屬管道在進出處通過就近與防雷接地裝置連接。

5)各類專業機房的工作接地或保護接地均引自建筑物的基礎鋼筋接地網。

3.2 防雷系統

站房的防雷包含外部防雷系統和內部防雷系統。外部防雷系統是防直擊雷的外部防雷裝置，內部防雷除了上述等電位聯結外，還要為建筑物內的電氣和電子設備提供雷擊電磁脈沖的防護。

鐵路站房的防雷等級確定，除了大型火車站直接按二類防雷設計外，需經計算雷擊次數確定，注意要按人員密集場所考慮，本工程預計雷擊次數N=0.085，應為二類防雷建筑建筑物。具體做法包括：

1)屋頂沿女兒墻設周圈避雷帶和避雷網格，采用25mmx4mm熱鍍鋅扁鋼，屋面避雷網格的間距≤10mx10m或12mx8m。避雷帶在女兒墻或屋脊上明敷，安裝高度150mm，直線段支架1 000mm，拐角處支架間距300mm；避雷帶在上人屋面暗敷設，暗敷深度≤30mm；避雷帶在不上人屋面明敷，安裝高度150mm。屋面避雷帶搭接處焊接，并做防腐處理。

2)防雷引下線利用建筑周邊的結構柱內兩根>Φ16對角主筋，防雷引下線頂端與避雷帶相焊連，底端與基礎接地網相焊連，防雷引下線間距≤18m。部分防雷引下線的結構柱在距室外地坪以上0.5m處做接地電阻測試點,共4處。

3)本工程主入口處，結構柱的跨距達到24m，此時不可能在跨距中間設引下線，則首先在跨距兩端均設引下線，并在其他地方增加引下線的數量，保證引下線的平均間距≤18m即可。

4)屋面所有電氣設備及其他正常不帶電的設備金屬外殼與避雷帶均做≥2點的金屬性焊接；屋面所有金屬性裝飾物或構造物均與避雷帶做金屬性焊接；幕墻、金屬門窗等外墻金屬件的金屬預埋件就近與避雷系統做電氣連通。

3.3 金屬屋面防雷

本站房屋面局部采用壓型鋼板作為屋頂，經核實，鋼板厚度為3mm，且板下無可燃物。根據《建筑物防雷設計規范》GB 50057-2010，可以采用該屋面鋼板作為接閃器。但要保證屋面鋼板之間的連接是持久的電氣貫通，一般采用卷邊壓接的辦法，可以同時滿足防水要求。

如果屋面金屬板厚度不能滿足要求，需在高出屋面的位置敷設網狀接閃器。

3.4 金屬雨棚防雷

雨棚屋面不單設防雷裝置。利用雨棚金屬屋面板互相連通作為防雷裝置,要求鋼板厚度>0.5mm，板下無易燃物品。

利用雨棚柱內上下相焊連的主筋作為防雷引下線，上端與雨棚金屬屋面連通，下面與站臺基礎鋼筋、貫通地線及站臺通道結構鋼筋網等互相連通。

引下線利用雨棚柱內兩根大于Φ16對角主筋，防雷引下線設于每個柱子處。

每個雨棚柱底端與站臺鋼筋及路基下方的貫通地線可靠連接40mmx4mm熱鍍鋅扁鋼。

3.5 電源系統接地

供電系統有兩個接地，一個是系統內電源端的帶電導體的接地，稱作系統接地，如變壓器中性點的接地。另一個指保護接地，如電氣裝置內電氣設備金屬外殼等導電部分的接地，能有效防止人身電擊。

1)低壓電源系統接地與保護接地共用

10/0.4kV變電所既是低壓系統的電源端，也是10kV系統的負荷端，因此他既有變壓器低壓中性點的系統接地，也有高低壓電氣設備外露導電部分的保護接地。

本工程10kV網絡經小電阻接地系統，10/0.4kV變電所設在站房左側地下一層，低壓采用TN接地型式。變電所內將變壓器中性點接地與設備外殼保護接地合為一體，如圖3所示。

從圖3可知，如果上級110/10kV總變電所采用小電阻接地，在下級10/0.4kV變電所內高壓側發生接地故障時，接地故障電流Id將通過設備外殼、RB、RB'和小電阻R等的通路返回電源，這樣Id值可達數百安以至近千安(可以通過調節電阻R值來選擇)。在如此大的故障電流情況下，電源側的繼電器和斷路器將在很短的時間內迅速切斷電源。由于10kV電源中性點接了地，非故障相的對地電壓雖然有所升高，但不會像中性點不接地那樣高至相電壓的倍，此時由于繼電保護將電源迅速切斷，所以大大降低了對10kV供電系統的元件絕緣水平要求。

變電所接地電阻RB上產生的電壓降為Uf=Id.RB，由于Id的增大Uf也將隨之增大。如果低壓系統電源中性點通過RB實現接地，由于共用同一RB接地極，此處上千伏的故障電壓Uf將沿線路傳導至低壓電氣裝置內，引起電氣裝置對地暫時過電壓，并引發各種電氣事故。

故要求建筑物內采用總等電位聯結，不但站房內如此，整個雨棚，站臺，橋梁等均實現總等電位聯結。由于采用總等電位聯結，建筑物內將不會出現上述工頻暫時過電壓，但如果戶外不具有等電位保護范圍內的電氣裝置，需采取其他措施，如通過采取TT系統防人身電擊及降低RB值防止其配電裝置絕緣擊穿。

2)低壓電源系統接地采用一點接地

低壓電源系統接地采用正確的接地方式，可以防止雜散電流引起電磁干擾。

對于電源中性點如何接地，《交流電氣裝置的接地設計規范》GB 50065-2011第7.1節有相關描述。

對于單電源系統，當采用TN-S系統，整個系統全部采用單獨的PE，電源系統應有一點直接接地，如圖4箭頭所示，中性線上的不平衡電流直接流回電源中性點。

如果采用在裝置的受電點低壓柜內將PEN分離成PE和N的TN-C-S系統，如圖5所示，中性線上的不平衡電流將有多條路徑流回電源中性點，產生雜散電流引起電磁干擾。

本工程采用兩臺變壓器供電，低壓側采用單母線分段中間設聯絡的配電方式。對于這種多電源的TN系統，避免雜散電流可以采用具有單獨PE和N的多電源TN-C-S系統，如圖6所示。圖中應符合下列要求：

1)不應在變壓器的中性點直接對地連接；

2)變壓器的中性點之間相互連接的導體應絕緣，且不得將其與設備外殼連接；

3)中性點之間相互連接的導體與PE之間，應只一點連接，并應設在總配電屏內。

為杜絕雜散電流，IEC規定一建筑物內的PEN線需按可能遭受的最高電壓加以絕緣，而全建筑物內的PEN線只能在變電所低壓配電盤內或在低壓供電的建筑物電源進線處通過與PE線的連接作一點接地，不得在其他處將PEN線或N線再接地。但對裝置的PE導體則可以重復接地。

如果在建筑物內另有低壓備用電源線路或自備柴油發電機電源，則該電源線路的PEN線或發電機的中性線也都不得再接地，他們都需通過與上述一點接地的接地處相連通而實現全建筑物內的一點接地。

附帶說明，變電所變壓器中性點套管引出的是PEN線，按IEC標準PEN線上是不允許裝用開關電器來切斷的，因此變電所低壓配電盤內的總開關和分段開關只能采用三極開關。

4 信號機房綜合防雷接地方案

根據需要，鐵路線上會設置專用的鐵路信號樓，其具有較高的防雷接地要求。而本工程為一中型站房，防雷要求遠遠達不到鐵路信號樓防雷要求，故只在一些專業性要求較高的信號機房做特殊防雷處理。這些房間包括信號計算機室、信號電源室、繼電器室、綜合值班室及電纜引入室等。

4.1 防屏蔽設計

信號機房防雷接地設計主要根據“法拉第籠”均壓及防屏蔽原理。

法拉第籠是基于古典電學原理，起著均壓和屏蔽的作用。它可以保護籠內放置的設備,不論金屬籠體附加多高的電壓，其內置的設備都不會出現電壓反擊現象。

采用低阻抗等電位的搭接網絡構筑兩個完整的籠式屏蔽系統和一個完整的接地終端系統，這就是“內外兩籠，上下兩環及一立柱”，即“221模式”綜合防護系統。

“外籠”指整個站房頂面、外墻面大空間屏蔽籠，它將整個建筑物屏蔽罩住，可以全方位地接閃保護被罩住的建筑物頂部，側面免遭直擊雷、感應雷及輻射電磁波干擾。它由基礎地網(網格尺寸≤3m×3m)及四面墻體圈梁、立柱(基礎柱、構造柱)、主筋(構成≤5m×5m網格)和屋頂面避雷網(網格尺寸≤3m×3m)的六面體構成。基礎地網及屋頂面避雷網網格節點應進行焊接。如圖7、圖8所示。

外籠主要是對直擊雷、感應雷電防護。同時，對室內設備形成初級屏蔽，初步改善室內設備電磁兼容環境。信號、信息及通信機房均設外籠。

“內籠”將信號機房內的信號設備罩住，對置于其中的信號電子信息系統來說，具有對電磁幅射干擾的屏蔽作用。其六面體由Φ8圓鋼焊接成不大于600mm×600mm籠式網格，其中門窗屏蔽(包括室內微電子設備隔斷墻)均為鋁網格型材，截面積≥9mm，網格尺寸≤80mm×80mm。

內籠是為了進一步改善信號電子設備電磁兼容環境條件而設。

上環“避雷帶”為雷電接閃裝置。它是連接屋頂面上部立柱主筋、避雷網和外墻干掛石材鋼結構的紐帶。

下環指“環形接地裝置”。它通過連接立柱主筋與基礎地網構成共用接地系統。下環外與立柱主筋、貫通地纜和外墻干掛鋼結構連接，內與引向室內功能接地匯集線連接，所以下環是連接接地系統紐帶。如圖8所示。

立柱不僅是外籠主干，又是暗設輔助引下線，同時它還有連接內外兩籠接地作用。機房周邊的結構柱均作為外籠主干立柱。對于部分區域由于外墻為窗戶，需在兩個柱子之間窗框內上下敷設一根結構主筋，以滿足外籠網格≤5mx5m。

4.2 信號機房接地設計

在鐵路綜合接地系統中，應將強電設備與弱電設備分開接地。強電接地及防雷引下線接地均就近接至建筑物基礎鋼筋網，通訊及信號系統接地均接至室外環形接地體，并要保證各弱電系統之間的接地點距離>5m。如圖8所示。

引入機房的功能地線均引自室外環形接地體。在機房內四角距離地面0.15m處(在防靜電地板下0.1m左右)各設置接地端子(采用綜合接地用橋隧型接地端子，表面與墻面平齊)，接地端子應與機房屏蔽層及防靜電地板下的金屬支架等栓接。如圖9所示。

信號機房防屏蔽立體示意圖見圖10，內籠做法見表1。

5 雷擊電磁脈沖的防護

在防雷擊電磁脈沖的措施中，建筑物自然屏蔽物及各種金屬物之間采用等電位連接，并合理選用和安裝SPD，具有這些合理的措施才能保證建筑物及內部設備的安全。

表1 內籠制作做法表

建筑物的雷電防護需劃分為不同區域，可能遭到直接雷擊的劃分為LPZ0A區，不大可能遭到直接雷擊或在防直擊雷保護范圍內，但是雷擊電磁場強度沒有衰減的區域劃分為LPZ0B區。其次，在建筑物內部雷擊電磁場強度進一步減弱的區域可以劃分為LPZ1、LPZ2等后續防雷區。

強電設備通常抗干擾能力較強，電子設備抗干擾能力較差，應分別設置在LPZ1、LPZ2等區。本工程的信號機房等都置于LPZ2區。

進入內部防雷區的線路防雷擊電磁脈沖主要通過設置SPD加以控制。從LPZ0區進入LPZ1區的線路和電纜，如引入本建筑的外部電源，應在LPZ1區的入口處安裝相應的浪涌保護器；從LPZ1區進入LPZ2區的線路和電纜，如從配電室引入弱電機房的電源，應在機房的入口處配電箱內安裝相應的浪涌保護器。

對于本工程電氣設備，為防止雷電入侵，將浪涌保護器(SPD)主要設置在下列場所：

1)在變電所變壓器高壓側裝設避雷器；在低壓側母線上裝設I級試驗的限壓型浪涌保護器，沖擊電流值60kA，電壓保護水平2.5kV。

2)在由樓內引出室外的配電箱、柜處(屋頂風機、室外照明等)加裝II級試驗的限壓型浪涌保護器，沖擊電流值40kA，電壓保護水平2.5kV。

3)在電梯配電箱以及消防、安防、通信、網絡及有線電視等弱電機房的配電箱內加裝II級試驗的限壓型浪涌保護器，沖擊電流值40kA，電壓保護水平2.5kV。

4)在消防、安防、通信、網絡及有線電視等電子系統的引入端弱電箱內裝設的浪涌保護器由系統供應商負責提供。

對于電子系統的電涌保護器安裝按下述要求：

1)當電子系統的室外線路采用金屬線時，如電話電纜、有線電視同軸電纜等，在引入的箱內安裝D1類高能量試驗類型的電涌保護器，可以根據設備要求選擇短路電流，無法確定時短路電流可選用1.5kA；

2)當電子系統的室外線路采用光纜時，在引入的弱電箱內電氣線路可以安裝B2類慢上升率試驗類型的電涌保護器，可以根據設備要求選擇短路電流，當無法確定時短路電流可選用75A。

3)鐵路信號系統專用浪涌保護器需根據信號設備要求安裝自帶的產品。

6 結束語

完善的接地防雷措施，需要采用多種方法從不同角度進行綜合保護。針對具體工程，需要仔細分析，只有做好最基本的防護措施—總等電位聯結，再結合先進的防雷電子產品，才能將雷害減少到最低限度。

[1]中國航空工業規劃設計研究院組編,工業與民用配電設計手冊( 3版)[M].北京：中國電力出版社，2005.

[2]王厚余等.低壓電氣裝置的設計安裝和檢驗(2版)[M].北京：中國電力出版社，2007.

[3]鐵運(2006)26號，鐵路信號設備雷電及電磁兼容綜合防護實施指導意見.

[4]中華人民共和國機械工業部.GB 50057-2000建筑物防雷設計規范 [S].北京：中國計劃出版社，2001.