法拉第笼在铁路站房雷电防护中的应用

中建七局总承包公司 郑州 450004

0 引言

法拉第笼最早是由英国物理学家法拉第根据静电平衡原理利用金属空腔隔离静电场影响所采用的一种结构，当笼体放入电场中时，电荷只能分布在笼体的外表面。笼内没有电场，笼体隔离了外电场的作用，使外电场不能进入内部，实现了静电屏蔽。

在建筑工程中，经常应用法拉第笼来进行雷电防护。因为它主要有2个基本作用：一个是磁屏蔽，另一个是电磁屏蔽。在站房内，四电设备用房（通信机械室、信息机房、信号计算机房、信号继电器室等）是铁路站房的首脑部位，它必须时刻为高铁列车信息系统传输与反馈精准的数据，为火车匝道上的制动系统发送及时的信号。为了保证高铁列车的正常运行，四电用房内的设备仪器必须要屏蔽掉外来不良信号的干扰。如今，钢结构和钢筋混凝土建筑已十分接近笼式避雷网，为法拉第笼的屏蔽提供了良好条件，所以实行起来要容易得多，也经济得多，现实意义十分明显[1,2]。

1 工程概况

本项目的法拉第笼工程是新建郑州至开封城际铁路站房及附属工程项目下的子分项工程，该项目位于郑州市郑开大道南侧，由郑信路（站房建筑面积：2 000.00 m2）、运粮河、绿博园（站房建筑面积：2 982.98 m2）、宋城路（站房建筑面积：2 000.00 m2）等4座车站站房组成，相关工程为郑州东综合维修工区综合楼。

1.1 工程施工内容

本工程涉及共计4个车站的四电房间，根据图纸和规范要求，本项目车站内屏蔽系统工程的主要内容如下：

1）通信机械室房屋的法拉第笼屏蔽；

2）信息机房及信号设备用房（含电源室、机械室、计算机机房）的电磁屏蔽和防静电措施；

3）各房间设置供等电位连接使用的接地引接线端头。

1.2 工程技术方案方向及具体工程范围

采用屏蔽、共用接地、等电位连接、合理布线和设置防雷保安器等综合防护技术，对信号设备进行分区、分级、分设备的系统防雷保护。

本工程的施工范围包括：综合地网；避雷带、避雷网、引下线；接地汇集线及引上线（不包括室内设备接地）；室内屏蔽（信号机械室、计算机室、通信机械室整体屏蔽安装）。

2 方案采用的施工工艺

2.1 综合地网

综合地网装置由水平接地体和垂直接地体组成，环绕建筑物外墙闭合成环，受条件限制时可不环周铺设，但应尽可能沿建筑物周围设置，以便与地网连接的各种引线就近连接。水平接地体采用40 mm×4 mm热镀锌扁钢，距建筑物外墙间距不小于1.50 m（条件受限时按实际情况安装），埋深不小于0.70 m。垂直接地体采用CTJDBφ14.20 mm×1 200.00 mm的专业接地棒。环形接地装置必须与建筑物四角的主筋焊接，并应在地下每5～10 m就近与建筑物基础接地网钢筋焊接1次。地网应尽量避开既有使用的电缆沟槽，必须要交叉穿过时，应加PVC管绝缘护套管保护，长度超出电缆边缘1 m以上。

综合地网应设置永久明显用途及去向标记，每组垂直接地体处设置地线标桩。综合地网接地电阻值小于1 Ω。

2.2 避雷网、避雷带及引下线

避雷网采用40 mm×4 mm的热镀锌扁钢铺设成不大于3 m×3 m的网格，每3 m与避雷带连接，网格交叉处应焊接；楼顶金属建筑物应与避雷网连接；避雷网需用PVC管作支撑，避免与屋顶接触。

楼顶避雷带采用不小于φ8 mm的热镀锌圆钢，沿信号楼顶四周边沿，支撑柱高度15 cm左右，支撑柱间距不大于1 m；金属坡顶屋面可不另做避雷网、避雷带，引下线与金属板焊接或铆接。

引下线采用40 mm×4 mm的热镀锌扁钢，沿机房建筑物外墙均匀垂直铺设4～6根，间距应不大于18 m，上端与避雷带焊接连通，焊接处不得出现急弯（弯角不小于R90°），下端与综合地网焊接；引下线须用PVC管防护并与墙体绝缘；引下线处应设置永久明显标记。引下线与分线盘（柜）间距应不小于5 m，与其他电气线路距离大于1 m，与接地汇集线在水平接地体上的连接点间距应大于5 m；窗、门边1 m内及运转室外墙边1 m内不宜设置引下线，当间距不足时可加绝缘管防护。焊接处防腐层应在焊点四周延伸20～25 mm。

2.3 接地汇集线及引上线

在室内分别设置电源防雷箱地线、防雷分线柜地线、信号电缆铠装屏蔽地线、设备综合地线及计算机房屏蔽地线共5处接地汇流排，并分别用2根截面为25.00 mm2有绝缘外套的多芯铜导线与综合地网冗余连接。接地汇流排接地线在环形接地装置上的连接点间距宜大于5 m，当水平接地体长度受限时，应保证引下线与室内接地汇集线间的间距不小于5 m。接地汇集线设置在墙踢脚线上方并与墙体绝缘，用30 mm×3 mm的紫铜排沿室内铺设成U形，每1.00～1.50 m预留1颗接地螺栓；接地汇集线连接处打磨后用3颗螺栓栓接，重合部分不小于铜排宽边的2倍，固定螺栓不小于φ8 mm[3-5]。

2.4 室内屏蔽

墙面及顶面屏蔽采用不小于φ8 mm的热镀锌圆钢铺设成600 mm×600 mm的网格，网格交叉处应焊接并防腐，四周墙上的圆钢直接固定在墙面上，顶面设置在横梁以下。

门、窗屏蔽材料采用网格不大于80 mm×80 mm、截面不小于9.00 mm2的铝合金网，屏蔽网在内墙铺设直接与屏蔽笼连接，屏蔽网在外墙铺设直接与综合地网连接。

地面屏蔽用0.20 mm×25.00 mm的铜箔带铺设成与静电地板支架一致的600 mm×600 mm的网格，网格交叉点应施焊或与各支座卡接，并直接与墙面屏蔽层可靠连接；防静电地板的支架间应与墙面屏蔽笼冷压栓接或焊接，至少每个墙角处应连接，连接点间距应不大于5 m；铜箔带与设备机架之间需绝缘（图1）。

图1 通信、信号设备房屋法拉第笼屏蔽网钢筋及门窗布置示意

3 综合防雷施工中的控制要点

3.1 综合地网施工质量要求

1）地网埋设深度0.70 m以下，水平接地体距建筑物外墙距离不小于1 m、不大于5 m。

2）垂直接地体采用50 mm×50 mm×5 mm的热镀锌角钢、CTJD-B接地棒、石墨接地体。

3）水平接地体在地下与建筑物的基础地网的钢筋混凝土主筋焊接，并就近与建筑物基础地网主钢筋间隔焊接，间隔距离不大于10 m，不少于4处。

4）焊点刷防锈漆再刷沥青，防腐层应在焊点四周延伸20～25 mm，埋入地下的焊点防腐层必须大于5 mm。

5）垂直接地体应设在引下线处，间距5 m以上且均匀分布至少6处。

3.2 室内等电位连接及引上线施工质量要求

1）室内等电位连接设备根据实际施工情况安装。

2）引上线采用BV25.00 mm2的铜缆线，由地网单点冗余到室内的等电位汇流排、电源防雷箱、防雷分线柜、机房屏蔽、信号电缆铠装屏蔽。引上线在接地装置上的连接点与引下线在接地装置上的连接点间距大于5 m，电源引入处的引上线在接地装置上的连接点与其余引上线在接地装置上的连接点间距大于5 m。

3.3 避雷网及引下线施工质量控制重点

1）避雷网采用40 mm×4 mm的热镀锌扁钢铺设成不大于3 m×3 m的网格，交叉点焊接。每3 m与避雷带连通。

2）避雷带采用φ10 mm的热镀锌圆钢沿屋顶周边设置一圈，距离墙体高度0.15 m，并用热镀锌圆钢均匀设置避雷带支撑柱，墙体四角必须和主钢筋连接，支撑柱间距不大于1 m。

3）引下线采用40 mm×4 mm的热镀锌扁钢，沿墙面向下垂直铺设（4～6根），上端与避雷带焊接连通，焊接处不得出现急弯（弯角不小于R90°），下端与综合地网焊接。引下线须与墙体绝缘，距墙体不小于15 mm，安装平直、肉眼看不出弯曲起伏，卡钉布置均匀、牢固。

3.4 机房屏蔽施工质量控制重点

1）墙面屏蔽板固定：屏蔽采用厚度不小于0.60 mm的热镀锌钢板，将此钢板固定在墙面上（搭接部位的宽度不得小于10 cm），并将轻钢龙骨用射钉铆接在钢板上，外面铺设石膏板并刷乳胶漆以保证衔接良好、整体外观横平竖直、无凹凸感（吊顶以上与顶面只固定钢板）。如图2所示。

2）窗户屏蔽：窗户屏蔽材料采用网格不大于80 mm×80 mm，截面不小于9.00 mm2的铝合金网，窗网和金属门与屏蔽板进行可靠连接。运转室窗网则直接与地网相连接。

3）地面屏蔽：用0.20 mm×25.00 mm的铜箔带铺设成与静电地板支架一致的600 mm×600 mm的网格，网格的一端用16.00 mm2的软铜线用锡焊接或栓接，另一端加线鼻与屏蔽层至少栓接4处（图3）。

图2 墙面铺设屏蔽钢筋示意

图3 地面屏蔽示意

4 效果分析

法拉第笼在四电设备用房按方案完成施工后，将在以后的使用过程中起到以下防护作用[6-8]：

1）分流作用明显，由于引下线数量的大量增加，使得每根引下线上的雷电流大大减小，室内高科技设备受到脉冲电磁场效应显著削弱。

2）屏蔽作用良好，雷电流的频谱特性主要分布在0～10 kHz频段范围内，低频电流的电磁效应很弱，电磁干扰主要来自高频，根据高频电流的特点，频率越高，则趋肤效应越显著，高频雷电流将分布于笼体表面，对电磁脉冲起到很大的阻隔作用，电子设备受到的电磁干扰就会大大减弱。

3）避免了雷电的绕击，由于建筑物的侧面有防侧击雷带、均压环、金属窗及护栏等防雷保护，对雷电的侧击及球形雷击将起到防护作用。

4）减小反击过电压，建筑物的感抗在雷电流下泻时的作用有正反两方面的作用，正方面由于电感的感抗总是阻止雷电流的变化，可以削弱电流的峰值，延长电流的放电时间，大大减弱了LEMP（雷电电磁脉冲）的强度；反方面会产生反击过电压，使接闪点对地电压增加；感抗是客观存在的，通过增加引下线的数量降低雷电回路的总阻抗是可能的。

5）降低跨步电压，由于本工程采用了均压措施和利用整个基础作为接地体，接地电阻能满足设计要求并保持长期稳定，有利于均衡电位，使人身不会受到跨步电压的伤害。

6）接地装置与建筑物寿命同样长久，大大减少了维护费用。