铁路站房接地与防雷设计总结

2013-11-29陶云飞筑博设计集团北京股份有限公司北京100013

智能建筑电气技术 2013年5期

陶云飞 (筑博设计集团(北京)股份有限公司，北京 100013)

1 概述

铁路站房是广大旅客候车与集散的空间，属于人员密集场所，相比一般建筑物其重要性更高一些，而且属于一个地区的标志性建筑，其安全性必须予以重视。另外，站房内有许多信号设备用房，担负铁路列车的正常运行，要保持信号系统的准确运行，不受外界干扰，铁路站房需要构建有效的雷电防护系统。

本文以高铁安阳东站为例，介绍防雷、接地、等电位联结、低压电源系统接地、信号机房的屏蔽措施等做法。

2 铁路综合接地系统概念

铁路综合接地系统是用贯通地线将铁路沿线所有接地系统进行等电位连接，综合接地系统既是一个低电阻大地网，又是一个大等电位体。如图1所示，其中铁路站房、通信楼等建筑物的结构网接地又作为该综合接地系统的接地装置。

3 站房接地防雷系统

铁路站房内部必须采用总等电位接地系统，一方面是人身安全的防护要求，另一方面也是强弱电设备雷击电磁脉冲防护的要求。

通过将站房防雷系统接地、低压电源工作接地、建筑物基础基地、保护接地、弱电设备工作接地等通过等电位联结的方式构成联合接地系统，达到有效的防护效果。下面介绍这几个方面的具体做法。

3.1 接地系统

为减少人体同时接触不同电位引起的电击危险，在建筑物内部需对电气装置采用总等电位联结。主要通过在建筑物的电源进线处将下列可导电部分互相连通：

1)进线处的PE母排或PE干线；

2)接地极引入线；

3)水道干管；

4)燃气干管；

5)采暖和空调干管；

6)建筑物的金属结构。

图2所示为本工程联合接地的内容，由图2可以看出，除了上述各类内容外，各类强弱电机房的接地，防雷接地等均联结成一个大的等电位体，并与铁路贯通接地线联结。

具体做法包括：

1)利用桩、承台及基础底板内主钢筋相互焊通作为联合接地装置。在建筑物外墙四周的地下另设置环形接地装置，该环形接地装置距外墙面1m，埋深1m。环形接地装置采用60mmx6mm热镀锌扁钢，镀层≥60μm，与每处防雷引下线在地下连通。并在适当的位置与铁路贯通地线连接。

2)凡有防雷引下线和电气接地引上线的结构柱,要求该结构柱下方的桩内主筋(至少四根,且直径≥Φ10)与承台的面筋焊接，然后承台面筋再与所连接的基础梁面筋及所经过的接地连接线焊接连通。所有焊接长度须>6D。共用接地装置的接地电阻须≤1Ω。

3)在与防雷引下线相对应的室外埋深1.0m处由被利用作为引下线的钢筋上焊出一根 40mmX4mm热镀锌扁钢，此扁钢伸向室外，距外墙皮的距离≥1.5m，供加打人工接地体用。

4)进出建筑物的各种金属管道在进出处通过就近与防雷接地装置连接。

5)各类专业机房的工作接地或保护接地均引自建筑物的基础钢筋接地网。

3.2 防雷系统

站房的防雷包含外部防雷系统和内部防雷系统。外部防雷系统是防直击雷的外部防雷装置，内部防雷除了上述等电位联结外，还要为建筑物内的电气和电子设备提供雷击电磁脉冲的防护。

铁路站房的防雷等级确定，除了大型火车站直接按二类防雷设计外，需经计算雷击次数确定，注意要按人员密集场所考虑，本工程预计雷击次数N=0.085，应为二类防雷建筑建筑物。具体做法包括：

1)屋顶沿女儿墙设周圈避雷带和避雷网格，采用25mmx4mm热镀锌扁钢，屋面避雷网格的间距≤10mx10m或12mx8m。避雷带在女儿墙或屋脊上明敷，安装高度150mm，直线段支架1 000mm，拐角处支架间距300mm；避雷带在上人屋面暗敷设，暗敷深度≤30mm；避雷带在不上人屋面明敷，安装高度150mm。屋面避雷带搭接处焊接，并做防腐处理。

2)防雷引下线利用建筑周边的结构柱内两根>Φ16对角主筋，防雷引下线顶端与避雷带相焊连，底端与基础接地网相焊连，防雷引下线间距≤18m。部分防雷引下线的结构柱在距室外地坪以上0.5m处做接地电阻测试点,共4处。

3)本工程主入口处，结构柱的跨距达到24m，此时不可能在跨距中间设引下线，则首先在跨距两端均设引下线，并在其他地方增加引下线的数量，保证引下线的平均间距≤18m即可。

4)屋面所有电气设备及其他正常不带电的设备金属外壳与避雷带均做≥2点的金属性焊接；屋面所有金属性装饰物或构造物均与避雷带做金属性焊接；幕墙、金属门窗等外墙金属件的金属预埋件就近与避雷系统做电气连通。

3.3 金属屋面防雷

本站房屋面局部采用压型钢板作为屋顶，经核实，钢板厚度为3mm，且板下无可燃物。根据《建筑物防雷设计规范》GB 50057-2010，可以采用该屋面钢板作为接闪器。但要保证屋面钢板之间的连接是持久的电气贯通，一般采用卷边压接的办法，可以同时满足防水要求。

如果屋面金属板厚度不能满足要求，需在高出屋面的位置敷设网状接闪器。

3.4 金属雨棚防雷

雨棚屋面不单设防雷装置。利用雨棚金属屋面板互相连通作为防雷装置,要求钢板厚度>0.5mm，板下无易燃物品。

利用雨棚柱内上下相焊连的主筋作为防雷引下线，上端与雨棚金属屋面连通，下面与站台基础钢筋、贯通地线及站台通道结构钢筋网等互相连通。

引下线利用雨棚柱内两根大于Φ16对角主筋，防雷引下线设于每个柱子处。

每个雨棚柱底端与站台钢筋及路基下方的贯通地线可靠连接40mmx4mm热镀锌扁钢。

3.5 电源系统接地

供电系统有两个接地，一个是系统内电源端的带电导体的接地，称作系统接地，如变压器中性点的接地。另一个指保护接地，如电气装置内电气设备金属外壳等导电部分的接地，能有效防止人身电击。

1)低压电源系统接地与保护接地共用

10/0.4kV变电所既是低压系统的电源端，也是10kV系统的负荷端，因此他既有变压器低压中性点的系统接地，也有高低压电气设备外露导电部分的保护接地。

本工程10kV网络经小电阻接地系统，10/0.4kV变电所设在站房左侧地下一层，低压采用TN接地型式。变电所内将变压器中性点接地与设备外壳保护接地合为一体，如图3所示。

从图3可知，如果上级110/10kV总变电所采用小电阻接地，在下级10/0.4kV变电所内高压侧发生接地故障时，接地故障电流Id将通过设备外壳、RB、RB'和小电阻R等的通路返回电源，这样Id值可达数百安以至近千安(可以通过调节电阻R值来选择)。在如此大的故障电流情况下，电源侧的继电器和断路器将在很短的时间内迅速切断电源。由于10kV电源中性点接了地，非故障相的对地电压虽然有所升高，但不会像中性点不接地那样高至相电压的倍，此时由于继电保护将电源迅速切断，所以大大降低了对10kV供电系统的元件绝缘水平要求。

变电所接地电阻RB上产生的电压降为Uf=Id.RB，由于Id的增大Uf也将随之增大。如果低压系统电源中性点通过RB实现接地，由于共用同一RB接地极，此处上千伏的故障电压Uf将沿线路传导至低压电气装置内，引起电气装置对地暂时过电压，并引发各种电气事故。

故要求建筑物内采用总等电位联结，不但站房内如此，整个雨棚，站台，桥梁等均实现总等电位联结。由于采用总等电位联结，建筑物内将不会出现上述工频暂时过电压，但如果户外不具有等电位保护范围内的电气装置，需采取其他措施，如通过采取TT系统防人身电击及降低RB值防止其配电装置绝缘击穿。

2)低压电源系统接地采用一点接地

低压电源系统接地采用正确的接地方式，可以防止杂散电流引起电磁干扰。

对于电源中性点如何接地，《交流电气装置的接地设计规范》GB 50065-2011第7.1节有相关描述。

对于单电源系统，当采用TN-S系统，整个系统全部采用单独的PE，电源系统应有一点直接接地，如图4箭头所示，中性线上的不平衡电流直接流回电源中性点。

如果采用在装置的受电点低压柜内将PEN分离成PE和N的TN-C-S系统，如图5所示，中性线上的不平衡电流将有多条路径流回电源中性点，产生杂散电流引起电磁干扰。

本工程采用两台变压器供电，低压侧采用单母线分段中间设联络的配电方式。对于这种多电源的TN系统，避免杂散电流可以采用具有单独PE和N的多电源TN-C-S系统，如图6所示。图中应符合下列要求：

1)不应在变压器的中性点直接对地连接；

2)变压器的中性点之间相互连接的导体应绝缘，且不得将其与设备外壳连接；

3)中性点之间相互连接的导体与PE之间，应只一点连接，并应设在总配电屏内。

为杜绝杂散电流，IEC规定一建筑物内的PEN线需按可能遭受的最高电压加以绝缘，而全建筑物内的PEN线只能在变电所低压配电盘内或在低压供电的建筑物电源进线处通过与PE线的连接作一点接地，不得在其他处将PEN线或N线再接地。但对装置的PE导体则可以重复接地。

如果在建筑物内另有低压备用电源线路或自备柴油发电机电源，则该电源线路的PEN线或发电机的中性线也都不得再接地，他们都需通过与上述一点接地的接地处相连通而实现全建筑物内的一点接地。

附带说明，变电所变压器中性点套管引出的是PEN线，按IEC标准PEN线上是不允许装用开关电器来切断的，因此变电所低压配电盘内的总开关和分段开关只能采用三极开关。

4 信号机房综合防雷接地方案

根据需要，铁路线上会设置专用的铁路信号楼，其具有较高的防雷接地要求。而本工程为一中型站房，防雷要求远远达不到铁路信号楼防雷要求，故只在一些专业性要求较高的信号机房做特殊防雷处理。这些房间包括信号计算机室、信号电源室、继电器室、综合值班室及电缆引入室等。

4.1 防屏蔽设计

信号机房防雷接地设计主要根据“法拉第笼”均压及防屏蔽原理。

法拉第笼是基于古典电学原理，起着均压和屏蔽的作用。它可以保护笼内放置的设备,不论金属笼体附加多高的电压，其内置的设备都不会出现电压反击现象。

采用低阻抗等电位的搭接网络构筑两个完整的笼式屏蔽系统和一个完整的接地终端系统，这就是“内外两笼，上下两环及一立柱”，即“221模式”综合防护系统。

“外笼”指整个站房顶面、外墙面大空间屏蔽笼，它将整个建筑物屏蔽罩住，可以全方位地接闪保护被罩住的建筑物顶部，侧面免遭直击雷、感应雷及辐射电磁波干扰。它由基础地网(网格尺寸≤3m×3m)及四面墙体圈梁、立柱(基础柱、构造柱)、主筋(构成≤5m×5m网格)和屋顶面避雷网(网格尺寸≤3m×3m)的六面体构成。基础地网及屋顶面避雷网网格节点应进行焊接。如图7、图8所示。

外笼主要是对直击雷、感应雷电防护。同时，对室内设备形成初级屏蔽，初步改善室内设备电磁兼容环境。信号、信息及通信机房均设外笼。

“内笼”将信号机房内的信号设备罩住，对置于其中的信号电子信息系统来说，具有对电磁幅射干扰的屏蔽作用。其六面体由Φ8圆钢焊接成不大于600mm×600mm笼式网格，其中门窗屏蔽(包括室内微电子设备隔断墙)均为铝网格型材，截面积≥9mm，网格尺寸≤80mm×80mm。