悬挂式单轨区间防雷措施研究

刘宝轩，刘胤欣，王向东，李 程

（中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055）

0 引言

随着我国城市轨道交通的快速发展，各地对于系统制式的选择日趋多样化。悬挂式单轨最早起源于20 世纪初的德国，近年来，国内一些企业开始聚焦悬挂式单轨的研制开发。2016年，由中唐空铁集团牵头研制完成了具有独立知识产权的新能源悬挂式单轨列车，并于2016年9月成功在厂挂线。2017年，由中车四方设计制造的悬挂式单轨列车也正式下线，并于同年在成都成功挂线。截止目前，陕西韩城、贵州黔东南州等地已完成了悬挂式单轨可行性研究工作，四川大邑、乐山已展开悬挂式单轨施工图设计，可以预见悬挂式单轨具有广阔的市场前景。

目前，由于悬挂式单轨大规模投入工程运营较少，且不同于传统轨道交通模式，对于悬挂式单轨区间的防雷研究较少，其防雷措施大多参见民建规范相关内容，缺少针对性。

国内首个悬挂式单轨交通技术标准DBJ 41/T 217—2019《悬挂式单轨交通技术标准》中关于防雷接地内容为参见GB 50458—2008《跨座式单轨交通设计规范》相关章节。对于悬挂式单轨区间防雷标措施并无实际指导意义。

因此，结合悬挂式单轨的区间工程特性，探索研究适用于该类型工程防雷技术措施，对于保障运营安全，具有实际应用意义。

1 雷击防护

我国各地轨道交通系统自投入运营以来，雷电灾害事故对轨道交通运营安全造成了严重威胁。如2018年7月26日中午，上海地铁1 号线遭受雷击造成供电设备故障，莘庄站至上海南站区段列车限速运行，发车间隔延长；2019年4月9日下午2点左右，上海地铁浦江线汇臻路站站外区间设备遭到雷击，造成道岔故障，事发时现场无列车通行，浦江线全线列车限速运行，发车间隔延长。因此，必须加强轨道交通的雷击防护，以减少雷电灾害造成的损失。

悬挂式单轨轨道梁结构形式主要有两种：第一种形式轨道梁采用钢筋混凝土预制结构，以钢筋混凝土预制箱梁构件作为轨道梁，可大幅度地降低悬挂式单轨交通工程的建设成本，但其质量较大，施工运输和现场安装难度较大。另一种形式轨道梁采用钢结构，主体为底部断开的闭口截面形式，采用钢板焊接成型，其优点便于施工安装，提高施工效率。就这两种结构形式分别研究其防雷措施。

1.1 钢结构型轨道梁直击雷防护

《建筑物防雷设计规范》（GB 50057—2010），第5.2.7 条规定，除第一类防雷建筑物外，防雷接闪器应满足：连接应是持久的电气贯通，可采用铜锌合金焊、熔焊、卷边压接、缝接、螺钉或螺栓连接；金属板下方无易燃物品时，不锈钢、热镀锌钢和钛和铜板的厚度≥0.5 mm，铝板的厚度≥0.65 mm,锌板的厚度≥0.7 mm。

悬挂式单轨区间防雷措施按重要等级定义为“第二类防雷”实施，根据实际工程经验及文献[3]钢结构轨道梁材料国内外普遍采用：钢材Q345qD 型号，钢材厚度在10 mm 以上，标准断面如图1 所示。当轨道梁采用钢结构形式时，轨道梁顶板及侧板钢厚度远大于规范要求的0.5 mm，因此，可直接将其作为接闪装置。

根据《建筑物防雷设计规范》（GB 50057—2010）第4.3.5 规定：对于钢结构建构筑物来说，只要主钢架、次构件、围护系统在施工中已经作了可靠的连接，形成了持久可靠的电气通路，就可以按跨度将钢柱作为引下线。目前，根据设计经验对于钢结构轨道梁结构，其桥墩亦为钢结构形式，桥墩钢板厚度按市场通用的28 mm、30 mm、32 mm 和36 mm 四种，利用其桥墩钢结构作为防雷引下线，完全满足规范要求。

综上，钢结构轨道梁、桥墩形式的悬挂式单轨其区间防雷接闪及引下线装置完全可以利用其结构本身，无需额外设置独立接闪及引下线装置。

1.2 钢筋混凝土结构型轨道梁直击雷防护

轨道梁为钢筋混凝土结构型悬挂式单轨，其轨道梁以钢筋混凝土预制箱梁构件组成，可大幅度地降低悬挂式单轨交通工程的建设成本。该型式直击雷防护措施主要有两种，一种为轨道梁顶部安装避雷针，另一种为轨道梁顶部敷设避雷带。

图1 钢结构型轨道梁标准断面

1.2.1 轨道梁顶部安装避雷针

悬挂式单轨交通轨道梁不同于普通的构筑物，其特点是跨度大、距离长。轨道梁参照第二类防雷建筑物，滚球半径hr=45 m。为便于防雷设计和施工，可沿轨道梁顶部或旁侧敷设安装一根40 mm×4 mm 的贯通镀锌扁钢，并且在每个避雷针处做局部接地处理，将其作为避雷针的悬浮接地点。安装避雷针示意见图2、图3。

图2 避雷针安装平面、立面示意

图3 避雷针安装断面示意

本研究取轨道梁高度平均值14 m，标准跨度为30 m[3]进行计算。根据GB 50057—2010 附录D 滚球法确定接闪器的保护范围，计算公式见式（1）。

式中 h——避雷针高度，m

hr——滚球半径，m

r0——避雷针在参考地面上的保护半径，m

以轨道梁顶部平面作为避雷针地面保护平面，按hr=45 m，r0=15 m，高度h 约为2.56 m。

根据计算分析避雷针高度可按2.6 m 设置，这样轨道梁可完全置于保护范围内，将避雷针的引下线与悬浮接地扁钢相连接，然后沿墩柱引下，利用墩柱内部2 根直径大于16 mm 的主筋作为引下线，并利用墩柱的基础钢筋作接地装置。

1.2.2 轨道梁顶部安装避雷带

根据GB 50057—2010 第4.3.1 规定：第二类防雷建筑物外部的防雷措施，宜采用装设在建筑物上的接闪网、接闪带或接闪杆。沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等容易遭受雷击的部位敷设，并应在整个屋面组成不大于10 m×10 m 或12 m×8 m的网格。

结合悬挂式单轨工程特性，利用轨道梁顶部安装避雷带保护轨道梁。实际施工安装过程中避雷带支持卡高度0.1～0.3 m，避雷带材料为Φ10 圆钢，避雷带安装示意见图4。标准跨距轨道梁顶部敷设避雷带平面示意见图5。利用混凝土桥墩墩柱内2 根直径＞16 mm 的主筋作为防雷引下线。并利用墩柱的基础钢筋作接地装置。

图4 明装接闪带安装做法示意

图5 轨道梁顶部避雷带敷设平面示意

1.3 雷电电磁脉冲防护

国际电工委员会（IEC1024—1）将建筑物防雷分为两部分：外部防雷装置和内部防雷装置。外部防雷装置由接闪器、引下线和接地装置三部分组成。但外部防雷装置再完善,没有配套的内部防雷装置,仍无法获得好的防雷效果。雷击接闪后,建筑物引下线附近的设备会受到雷电流的感应,即雷电电磁脉冲干扰。雷电电磁脉冲对建筑物、人身和各种电气设备及管线都会造成不同程度的危害。

因此，良好的内部防雷措施能减小建筑物内的雷电流和所产生的电磁效应，并能防止反击、接触电压、跨步电压等雷电电磁脉冲所造成的危害。内部防雷主要为采取等电位连接设施、合理设置电涌保护器（SPD）以及良好接地等措施。

结合悬挂式单轨区间工程特性，其区间主要用电设备为区间检修电源箱、道岔电源箱及其他相关弱电通信类设备。低压配电系统采用TN-S 系统，PE 线、屏蔽层、穿线钢管、电源箱外壳以及一切正常情况下不带电设备均与区间设置的局部等电位接地端子可靠连接。

当雷电防护区建立后,进出此区域的线缆则破坏的防护区的完整性,雷电电磁会在线缆上感应出过电压,进入防护区,对防护区内的设备造成影响。因此,除需将进出防护区域的线缆进行可靠的等电位连接外,在进出线缆处界面加装浪涌保护器（SPD）,实现对带电导体防护。

2 接地及防雷预警监控系统

悬挂式单轨区间防雷接地、系统接地和保护接地共用接地装置，且应优先利用墩柱基础钢筋作为接地装置，现行国家标准规定每处冲击接地电阻不应大于10 Ω[5]。

2.1 区间接地系统实施方案

区间桥墩墩柱基础接地示意见图6，区间墩柱（钢柱或混凝土柱墩柱基础类似）接地示意图中预留人工接地装置引接条件。当墩柱基础接地电阻不满足要求时，应增设人工接地体，人工接地体在土壤中的埋设深度不宜小于0.6 m。

图6 桥墩墩柱基础接地示意

人工接地装置分为水平接地体和垂直接地体。埋于土壤中的垂直接地体宜采用热镀锌角钢、钢管或圆钢；埋于土壤中的水平接地体宜采用热镀锌扁钢或圆钢。垂直接地体的间距及按5 m 设计，当场所受限时可适当调整。图7 为桥墩基础周边增设人工接地装置实施方案。

悬挂式单轨区间线路大多位于市区主干道或主干道绿化带内，为降低跨步电压，人工接地装置距人行道不宜小于3 m，当小于3 m 时，应采取下列措施之一：①水平接地体局部深埋不应小于1 m；②水平接地体局部应包以绝缘物；③宜采用沥青碎石地面或在接地网上面敷设50～80 mm 沥青层，其宽度不宜小于接地网两侧各2 m。

2.2 防雷接地预警监控系统

良好的接地是防雷中至关重要的一环，接地性能的好坏直接影响设备的运行状态以及人身安全。直接体现悬挂式单轨区间防雷性能的指标是接地及等电位连接电阻的大小，接地电阻值越小雷电过电压值就越低。工程实施过程中接地为隐蔽工程，一般仅在竣工时进行接地电阻和等电位的测量，而随着时间的推移，接地装置是否失效（含接地极材料腐蚀断裂）、周边地质条件是否发生变化而导致接地电阻不满足功能要求的情况则无法把控。因此,及时并准确地监控接地及等电位连接电阻值是否在合理的范围内，对于保证系统及人员安全的重要性是显而易见的。

图7 墩柱基础与人工接地装置实施方案

浪涌保护器（SPD）的作用是对电网上的雷电流进行泄放和抑制其瞬态过压幅值，有效保护电路和用电设备的安全。目前，现场运营维护自动化程度较低，因此无法实现对悬挂式单轨系统区间设备内部的浪涌保护器（SPD）劣化状态信息（剩余电流）的及时有效监控。

基于上述现状并结合悬挂式单轨工程实际，研究并开发了一套悬挂式单轨区间防雷接地预警监控系统，该系统既能实现悬挂式单轨区间接地电阻状态的在线监测，又可实现对浪涌保护器（SPD）状态信息、后备保护器脱扣信号、雷击次数、雷击强度等实施全方位监测。系统原理如图8 所示。

在车站综合控制室配置监测平台通信主机及配套软件，良好的人机交互界面为运营人员提供直观、高效的工作环境。系统数据通信网络采用RS485 工业通信协议，硬件接口采用光电隔离元件，实现就地测试数据远程传输，同时具有隔离浪涌的功能；具备在复杂工况下通过4G 通信协议传输数据的无线通信方式。防雷接地预警监控系统软件功能如下：

（1）可就地显示系统接地电阻值、浪涌保护器（SPD）状态数据、雷击次数、雷击强度、雷击发生时间，设定接地电阻值报警门限值，监测值高于设定值时就地报警。

图8 悬挂式单轨区间防雷接地预警监控系统

（2）可远程设置硬件设备通信地址，便于集成组网。

（3）记录数据自动存储报表，方便历史查询、分析监测点接地阻值的变化情况。

（4）可根据被监测设备或系统不同的接地工程标准分别设定接地电阻值报警门限值，便于系统内部差异化监测。

（5）直观、动态显示被监测设备接地工况。软件显示界面见图9。

3 结语

图9 防雷接地预警监控系统软件显示界面

研究了悬挂式单轨区间防雷接地措施，针对不同形式材料轨道梁分别提出对应的雷击防护措施，同时对雷电电磁脉冲防护进行分析研究。建立一套可追溯的智能化防雷接地预警监控系统，可实现对防雷装置的远程监控及故障预警，将被动性的防雷体系提升为可视化的智能防雷网络，可有效协助轨道交通运营单位提升运维管理水平及效率。