法拉第籠在鐵路站房雷電防護中的應用

中建七局總承包公司 鄭州 450004

0 引言

法拉第籠最早是由英國物理學家法拉第根據靜電平衡原理利用金屬空腔隔離靜電場影響所采用的一種結構，當籠體放入電場中時，電荷只能分布在籠體的外表面。籠內沒有電場，籠體隔離了外電場的作用，使外電場不能進入內部，實現了靜電屏蔽。

在建筑工程中，經常應用法拉第籠來進行雷電防護。因為它主要有2個基本作用：一個是磁屏蔽，另一個是電磁屏蔽。在站房內，四電設備用房（通信機械室、信息機房、信號計算機房、信號繼電器室等）是鐵路站房的首腦部位，它必須時刻為高鐵列車信息系統傳輸與反饋精準的數據，為火車匝道上的制動系統發送及時的信號。為了保證高鐵列車的正常運行，四電用房內的設備儀器必須要屏蔽掉外來不良信號的干擾。如今，鋼結構和鋼筋混凝土建筑已十分接近籠式避雷網，為法拉第籠的屏蔽提供了良好條件，所以實行起來要容易得多，也經濟得多，現實意義十分明顯[1,2]。

1 工程概況

本項目的法拉第籠工程是新建鄭州至開封城際鐵路站房及附屬工程項目下的子分項工程，該項目位于鄭州市鄭開大道南側，由鄭信路（站房建筑面積：2 000.00 m2）、運糧河、綠博園（站房建筑面積：2 982.98 m2）、宋城路（站房建筑面積：2 000.00 m2）等4座車站站房組成，相關工程為鄭州東綜合維修工區綜合樓。

1.1 工程施工內容

本工程涉及共計4個車站的四電房間，根據圖紙和規范要求，本項目車站內屏蔽系統工程的主要內容如下：

1）通信機械室房屋的法拉第籠屏蔽；

2）信息機房及信號設備用房（含電源室、機械室、計算機機房）的電磁屏蔽和防靜電措施；

3）各房間設置供等電位連接使用的接地引接線端頭。

1.2 工程技術方案方向及具體工程范圍

采用屏蔽、共用接地、等電位連接、合理布線和設置防雷保安器等綜合防護技術，對信號設備進行分區、分級、分設備的系統防雷保護。

本工程的施工范圍包括：綜合地網；避雷帶、避雷網、引下線；接地匯集線及引上線（不包括室內設備接地）；室內屏蔽（信號機械室、計算機室、通信機械室整體屏蔽安裝）。

2 方案采用的施工工藝

2.1 綜合地網

綜合地網裝置由水平接地體和垂直接地體組成，環繞建筑物外墻閉合成環，受條件限制時可不環周鋪設，但應盡可能沿建筑物周圍設置，以便與地網連接的各種引線就近連接。水平接地體采用40 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼，距建筑物外墻間距不小于1.50 m（條件受限時按實際情況安裝），埋深不小于0.70 m。垂直接地體采用CTJDBφ14.20 mm×1 200.00 mm的專業接地棒。環形接地裝置必須與建筑物四角的主筋焊接，并應在地下每5～10 m就近與建筑物基礎接地網鋼筋焊接1次。地網應盡量避開既有使用的電纜溝槽，必須要交叉穿過時，應加PVC管絕緣護套管保護，長度超出電纜邊緣1 m以上。

綜合地網應設置永久明顯用途及去向標記，每組垂直接地體處設置地線標樁。綜合地網接地電阻值小于1 Ω。

2.2 避雷網、避雷帶及引下線

避雷網采用40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼鋪設成不大于3 m×3 m的網格，每3 m與避雷帶連接，網格交叉處應焊接；樓頂金屬建筑物應與避雷網連接；避雷網需用PVC管作支撐，避免與屋頂接觸。

樓頂避雷帶采用不小于φ8 mm的熱鍍鋅圓鋼，沿信號樓頂四周邊沿，支撐柱高度15 cm左右，支撐柱間距不大于1 m；金屬坡頂屋面可不另做避雷網、避雷帶，引下線與金屬板焊接或鉚接。

引下線采用40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼，沿機房建筑物外墻均勻垂直鋪設4～6根，間距應不大于18 m，上端與避雷帶焊接連通，焊接處不得出現急彎（彎角不小于R90°），下端與綜合地網焊接；引下線須用PVC管防護并與墻體絕緣；引下線處應設置永久明顯標記。引下線與分線盤（柜）間距應不小于5 m，與其他電氣線路距離大于1 m，與接地匯集線在水平接地體上的連接點間距應大于5 m；窗、門邊1 m內及運轉室外墻邊1 m內不宜設置引下線，當間距不足時可加絕緣管防護。焊接處防腐層應在焊點四周延伸20～25 mm。

2.3 接地匯集線及引上線

在室內分別設置電源防雷箱地線、防雷分線柜地線、信號電纜鎧裝屏蔽地線、設備綜合地線及計算機房屏蔽地線共5處接地匯流排，并分別用2根截面為25.00 mm2有絕緣外套的多芯銅導線與綜合地網冗余連接。接地匯流排接地線在環形接地裝置上的連接點間距宜大于5 m，當水平接地體長度受限時，應保證引下線與室內接地匯集線間的間距不小于5 m。接地匯集線設置在墻踢腳線上方并與墻體絕緣，用30 mm×3 mm的紫銅排沿室內鋪設成U形，每1.00～1.50 m預留1顆接地螺栓；接地匯集線連接處打磨后用3顆螺栓栓接，重合部分不小于銅排寬邊的2倍，固定螺栓不小于φ8 mm[3-5]。

2.4 室內屏蔽

墻面及頂面屏蔽采用不小于φ8 mm的熱鍍鋅圓鋼鋪設成600 mm×600 mm的網格，網格交叉處應焊接并防腐，四周墻上的圓鋼直接固定在墻面上，頂面設置在橫梁以下。

門、窗屏蔽材料采用網格不大于80 mm×80 mm、截面不小于9.00 mm2的鋁合金網，屏蔽網在內墻鋪設直接與屏蔽籠連接，屏蔽網在外墻鋪設直接與綜合地網連接。

地面屏蔽用0.20 mm×25.00 mm的銅箔帶鋪設成與靜電地板支架一致的600 mm×600 mm的網格，網格交叉點應施焊或與各支座卡接，并直接與墻面屏蔽層可靠連接；防靜電地板的支架間應與墻面屏蔽籠冷壓栓接或焊接，至少每個墻角處應連接，連接點間距應不大于5 m；銅箔帶與設備機架之間需絕緣（圖1）。

圖1 通信、信號設備房屋法拉第籠屏蔽網鋼筋及門窗布置示意

3 綜合防雷施工中的控制要點

3.1 綜合地網施工質量要求

1）地網埋設深度0.70 m以下，水平接地體距建筑物外墻距離不小于1 m、不大于5 m。

2）垂直接地體采用50 mm×50 mm×5 mm的熱鍍鋅角鋼、CTJD-B接地棒、石墨接地體。

3）水平接地體在地下與建筑物的基礎地網的鋼筋混凝土主筋焊接，并就近與建筑物基礎地網主鋼筋間隔焊接，間隔距離不大于10 m，不少于4處。

4）焊點刷防銹漆再刷瀝青，防腐層應在焊點四周延伸20～25 mm，埋入地下的焊點防腐層必須大于5 mm。

5）垂直接地體應設在引下線處，間距5 m以上且均勻分布至少6處。

3.2 室內等電位連接及引上線施工質量要求

1）室內等電位連接設備根據實際施工情況安裝。

2）引上線采用BV25.00 mm2的銅纜線，由地網單點冗余到室內的等電位匯流排、電源防雷箱、防雷分線柜、機房屏蔽、信號電纜鎧裝屏蔽。引上線在接地裝置上的連接點與引下線在接地裝置上的連接點間距大于5 m，電源引入處的引上線在接地裝置上的連接點與其余引上線在接地裝置上的連接點間距大于5 m。

3.3 避雷網及引下線施工質量控制重點

1）避雷網采用40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼鋪設成不大于3 m×3 m的網格，交叉點焊接。每3 m與避雷帶連通。

2）避雷帶采用φ10 mm的熱鍍鋅圓鋼沿屋頂周邊設置一圈，距離墻體高度0.15 m，并用熱鍍鋅圓鋼均勻設置避雷帶支撐柱，墻體四角必須和主鋼筋連接，支撐柱間距不大于1 m。

3）引下線采用40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼，沿墻面向下垂直鋪設（4～6根），上端與避雷帶焊接連通，焊接處不得出現急彎（彎角不小于R90°），下端與綜合地網焊接。引下線須與墻體絕緣，距墻體不小于15 mm，安裝平直、肉眼看不出彎曲起伏，卡釘布置均勻、牢固。

3.4 機房屏蔽施工質量控制重點

1）墻面屏蔽板固定：屏蔽采用厚度不小于0.60 mm的熱鍍鋅鋼板，將此鋼板固定在墻面上（搭接部位的寬度不得小于10 cm），并將輕鋼龍骨用射釘鉚接在鋼板上，外面鋪設石膏板并刷乳膠漆以保證銜接良好、整體外觀橫平豎直、無凹凸感（吊頂以上與頂面只固定鋼板）。如圖2所示。

2）窗戶屏蔽：窗戶屏蔽材料采用網格不大于80 mm×80 mm，截面不小于9.00 mm2的鋁合金網，窗網和金屬門與屏蔽板進行可靠連接。運轉室窗網則直接與地網相連接。

3）地面屏蔽：用0.20 mm×25.00 mm的銅箔帶鋪設成與靜電地板支架一致的600 mm×600 mm的網格，網格的一端用16.00 mm2的軟銅線用錫焊接或栓接，另一端加線鼻與屏蔽層至少栓接4處（圖3）。

圖2 墻面鋪設屏蔽鋼筋示意

圖3 地面屏蔽示意

4 效果分析

法拉第籠在四電設備用房按方案完成施工后，將在以后的使用過程中起到以下防護作用[6-8]：

1）分流作用明顯，由于引下線數量的大量增加，使得每根引下線上的雷電流大大減小，室內高科技設備受到脈沖電磁場效應顯著削弱。

2）屏蔽作用良好，雷電流的頻譜特性主要分布在0～10 kHz頻段范圍內，低頻電流的電磁效應很弱，電磁干擾主要來自高頻，根據高頻電流的特點，頻率越高，則趨膚效應越顯著，高頻雷電流將分布于籠體表面，對電磁脈沖起到很大的阻隔作用，電子設備受到的電磁干擾就會大大減弱。

3）避免了雷電的繞擊，由于建筑物的側面有防側擊雷帶、均壓環、金屬窗及護欄等防雷保護，對雷電的側擊及球形雷擊將起到防護作用。

4）減小反擊過電壓，建筑物的感抗在雷電流下瀉時的作用有正反兩方面的作用，正方面由于電感的感抗總是阻止雷電流的變化，可以削弱電流的峰值，延長電流的放電時間，大大減弱了LEMP（雷電電磁脈沖）的強度；反方面會產生反擊過電壓，使接閃點對地電壓增加；感抗是客觀存在的，通過增加引下線的數量降低雷電回路的總阻抗是可能的。

5）降低跨步電壓，由于本工程采用了均壓措施和利用整個基礎作為接地體，接地電阻能滿足設計要求并保持長期穩定，有利于均衡電位，使人身不會受到跨步電壓的傷害。

6）接地裝置與建筑物壽命同樣長久，大大減少了維護費用。