某大渡河特大桥防雷设计与分析

曾凡

摘要：通过对xx大渡河特大桥环境与防雷系统的设计，全面地介绍大型的跨河拉索桥环境与雷电感应防护的工程设计。在分析设计的过程中，以现场的报告作为切入，分析了xx大渡河特大桥的环境与雷电防护结构的特点，从直击雷防护、接地及等电位置的连接、雷电感应的防护这几方面的角度出发，探究具体的雷电感应防护的设计方案，提出合理的建议，以期最大程度地减少建成大桥后的雷电灾害风险。

关键词：大渡河特大桥;防雷工程;直击雷;雷电感应

前言：

随着我国经济发展，建设基础设施已经迈入高速发展阶段，桥梁作为跨越峡谷、江河，解决城市交通问题的重要设施，其数量与规模也逐渐增加。但是，对于部分大型跨江、跨海桥梁而言，由于跨度大、主塔高，且多数位于沿江空旷地，受到地形影响，极易造成雷击破坏，雷击强度与发生雷击情况相较于周围地区概率更高，需做好防雷设计工作。

一、设计依据

IEC 61312《雷电电磁脉冲的防护》

DB50/T279-2008《桥梁工程防雷技术规范》

GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》

GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》

IEC 62305-2006《雷电防护》

GB50169—92《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》

二、现场报告

xx大渡河特大桥为拉索桥，在大渡河的南、北两岸各分别修筑了离地面高度为180米高的承重索塔，是附近最高的建筑物，直击雷的机率较大，故大桥防雷工程设计上以防直击雷为重中之重。

主拉索的两端锚碇是通过两侧锚碇与主缆索进行固定的，主缆索在其中的拉力通过两侧锚碇直接传入锚碇基础。xx大渡河特大桥A岸锚碇的防护是将主缆掩埋在陡峭的地平线下，可以不用担心直接考虑对锚碇的直击雷进行防护;而特大桥B岸的锚碇离索塔地面的高度为19米，锚碇两端距离索塔的直击雷距离大约为253米，超出了避雷针滚球半径的直击雷保护范围，考虑到特大桥锚碇与主缆的重要关系，因此，对特大桥锚碇的两侧直击雷的防护也是必不可少的。

根据图纸可知，索塔基础工程A岸最深为60米，B岸为70米。索塔为单梁双塔或单门式，桥梁的顶面主体结构全部采用了双层钢筋混凝土的整体焊接结构方式将塔门的两个索塔连接在一起。根据我国GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》第4.2.1第一类中的冲击放电防雷接地措施以及建筑物的各种防直击雷接地措施第二款中称的有关事项规定，独立的防雷接地电闪杆、架空防雷接闪线或独立的非架空防雷接闪网等接地装置上均应设独立的一个冲击防雷接地装置，每一个在引脚上下线的应设冲击防雷接地装置电阻范围不宜长度大于10Ω";以及DB50/t279-2008《桥梁工程防雷技术规范》"4.2.13接地装置的应设冲击防雷接地装置电阻范围不得长度大于10Ω"。

主缆拉索采用了高强度镀锌的钢丝拉索组成，整个拉索由成千根直径ф5左右的高强度镀锌钢丝分组与拉索结合而成，整个拉索的直径约60cm，拉索表面有一層缠绕钢丝并涂有防腐层。横跨桥面行车采用横跨钢箱梁框架结构的行车方式，双向四车道，设计行车时速为80公里，整个横跨桥面的钢箱梁在传感器的安装工作完毕后采用焊接的方式将独立的横跨钢箱梁框架连接成一个整体。由于整个横跨桥梁内部配备了众多的传感器和电气设备，桥梁两侧的鞍罩内部分别安装有雷电除湿机、鞍罩顶上安装有航空障碍灯、桥上还设有雷电照明防护设施等。这些传感器设备在遭受到雷击时可能会因为对雷电的感应而对自身造成的损坏，所以除了需要做好横跨大桥的直击雷防护的措施，同时也要做好应对横跨大桥上的其他设施进行对雷电感应的直击雷防护。

三、设计方案

1.直击雷防护

1.1 A、B岸主塔直击雷防护

塔柱为钢筋砼空心箱型截面，两岸塔柱同高，均为180.352m;顶面标高均为1739.583m，尺寸为8.60m（纵向）×5.80m（横向）;标高1638.583m以上（第三道横梁底面）塔柱等截面，以下双向变宽，塔柱底面标高为1547.651m，尺寸为12.20m（纵向）×7.80m（横向）;第二道横梁以上塔柱壁厚0.80m，第二道与第三道横梁之间塔柱壁厚0.90m，第四道横梁以下塔柱壁厚1.00m;整个塔柱四角切去0.40m×0.40m的矩形。

对于桥梁拉索桥而言，拉索桥的特殊连接位置往往可能会直接造成索塔易感地遭受较大直击性的雷击，根据国标db50/t279-2008《桥梁工程防雷技术规范》，为了有效地保护使索塔免遭较大的直接雷击和爆炸破坏，应在索塔横梁的连接处顶部安装明式的圆形避雷网（或钢带），且明式避雷丝与网格的连接尺寸一般不不得大于6m×4m。

在索塔顶部边缘的两侧地方均应安装尖端提前放电的避雷针，避雷针有效的保护索塔以及上面的航空跑道以及障碍灯等航空设备.。由于索塔高度为180.352米，已经很少有超过二类建筑物采用滚球计算半径45米的避雷针高度，不能直接采用滚球计算半径的避雷针方法来重新计算索塔对避雷针的保护高度。鞍罩顶部为纯金属外壳，与索塔柱顶部的钢筋可靠紧密连接，根据尖端提前放电的避雷针原理，应在索塔鞍罩顶部边缘安装滚球避雷针。由于索塔顶部边缘是一个需要避雷针保护的一个平面，在这里将索塔顶部以及索塔鞍罩等的局部两侧地方通过采用了滚球计算法的的避雷针计算半径方式来重新考虑是否进行避雷针保护，计算公式：

公式中：r0=11.5、hr=45、h×=1.5，通过这样的计算可知道避雷针接闪器的高度为5米。该系列避雷针的接闪采用了xx-awbo-ts的型号。每个避雷针内部分别配备了一整套的脉冲发生器，该系列的脉冲发生器能同时产生一个比普通的避雷针更快的电流作为上行先导，此上行先导向上快速传播一直到与下行的先导直接会合。此时，闪电的电流便会快速流过所形成的闪电通道。此时地面上的其他建筑物可能会同时生成好几个地点作为上行的先导，与下行的先导直接会合的第一个地点是上行的先导位置就决定了发生闪电电击的时间和地点，根据避雷针规范的要求，避雷针必须安装在被闪电保护物的边沿处，因此，需要在避雷针鞍罩的边缘和外沿角各分别安装一根避雷针，共在外沿角安装8根。

避雷针索塔支撑杆平台底座内部采用了优质高强度的优质不锈钢管，避雷针索托支撑杆索塔底座的外部法兰盘与内部避雷针索塔鞍罩之间分别采用了无缝焊接的处理方式对其内部进行了无缝连接，焊接处理工作进行完毕后对所有的连接焊点都进行做了一层防腐防蚀处理。用40×4的钢筋扁钢将保护避雷针鞍罩与索塔上的保护避雷网相互连接，同时将索塔横梁上的保护避雷网、避雷针与索塔内部的专门钢筋用于保护避雷针相互接地的索塔主筋和钢筋之间可以做多点等压和电位的相互连接。

1.2、主塔顶部障碍警示灯安装

索塔高度大约有180.352米，因此必须在索塔顶部的鞍罩上安装一个航空障碍警示灯。由于索塔主缆中心距离的鞍罩宽度为29米，鞍罩的顶部尺寸大约为5×6米，因此，需要在鞍罩顶上安装一个高光墙的航空障碍警示灯。在高光墙鞍罩的四个角上需要安装中光墙的航空障碍警示灯，由于鞍罩顶部有四个角的鞍罩，高光墙的航空障碍警示灯的总鞍罩数量为4个，中光墙的航空障碍警示灯的总鞍罩数量大约为16个。高光墙的航空障碍警示灯的底座采用2m高的三角形支撑杆，支撑杆的钢材采用了高强度的不锈钢;鞍罩底座的法兰盘与鞍罩用焊接的施工方式对鞍罩进行了施工。由于室内航空跑道上的障碍警示灯在塔顶上工作时需要在室外用电，这样就涉及连接到塔顶上供电的线路，因此在塔顶上敷设供电线路时，采用焊接穿钢管的鞍罩屏蔽方式对供电线路的鞍罩进行屏蔽，钢管与塔顶上的鞍罩多点进行无缝焊接。由于考虑到室内雷电感应对塔顶上的航空障碍警示灯的外壳造成损坏，因此，每个塔顶上的航空障碍警示灯都需要在塔顶上加装一台xxxx220-20pn型的防雷箱对塔顶上的航空跑道障碍警示灯外壳进行了保护。防雷箱将塔顶上的各种金属物与室内避雷带进行可靠的无缝焊接，并且外壳应同时处于接闪器的雷电感应保护作用范围内。为了有效防止室外的雷电流通过室内航空跑道上的障碍灯外壳进入室内，航空障碍灯的金属配管外壳可不和塔顶上通往室内的pen型无线接闪器相连;为了有效防止室外电源的相线碰壳造成室内航空障碍灯的外壳长期无法带电，可以把金属配管外壳和室内避雷带的外壳相连，航空障碍灯的金属配管外壳应与室内避雷带的外壳相连，且通过金属配管的电流进入避雷人室内后外壳应及时断开，避免把室内的雷电感应引流入室内。

1.3、B侧锚碇直击雷防护方案

B侧的锚碇离主塔的距离为253米，超出主塔的保护范围，考虑到锚碇与主缆的重要关系，需要对B侧的锚碇做防直击雷的措施，根据规范可知，采用避雷针对锚碇进行防护。避雷针底座与锚碇顶部钢板采用焊接的方式进行可靠连接，根据避雷针高度公式计算可知避雷针的高度为10米，在B侧的两个锚碇顶端分别安装一根该避雷针，共计2根。

1.4主缆的防护

主缆拉索采用高强度的钢丝拉索组成，整个拉索的直径约60cm，拉索表面紧密缠绕有防腐层。索甲、主缆采用在缆套、鞍罩上焊接压接螺钉的方法使连接片可靠进行焊接;用钢丝编织的铜带将焊接后的索甲、主缆与缆套、鞍罩紧密连通，保证其电气连接通路;塔顶主缆接地引出的电线与缆套鞍罩可靠紧密焊接。

2.接地及等电位连接

大桥的电气接地与防雷大桥电气接地一般采用共用的接地装置，利用桥台桩、墩柱、承台及桥面钢筋等构件自然形成的接地体作为电气接地装置、接地电阻一般要求≤4ω。主桥、引桥互相连接、桥台、装置全部互相连接即可连通。

2.1、人工接地网的设置

通过桥梁的设计图纸资料可知：索塔基础a岸最深为52米，b岸为60米。索塔为双塔门式，桥梁的顶面结构采用钢筋混凝土的方式将塔门的两个索塔连接在一起。根据gb50057-2010《建筑物防雷设计规范》第4.3第二类的防雷措施建筑物的外部防雷措施第二款中"4.3.6共用接地装置的接地电阻应按50hz电气装置的接地电阻确定，以不大于其按人身安全所确定的接地电阻值为准。在土壤电阻率小于或等于3000ωm的条件下，外部防雷装置的接地体当符合下列规定之一以及环形接地体所包围面积的等效圆半径等于或大于所规定的值时可不计及冲击接地电阻;但当每根专设引下线的冲击接地电阻不大于10ω时，可不按本条1、2款敷设接地体。"

由于长江大桥锚碇两岸的塔基和大桥锚碇基础部份的土壤主要由卵石和砾石以及半成岩等主要成份土壤组成，加之两岸距离河床水位的落差较大，土壤对土质的导电和硬化性能都比较差，所以主塔及大桥锚碇基础的接地和电阻不能完全满足要求，需要直接采用大桥新增的人工地网与大桥基础地网进行连接，以满足基础地网的要求。由于新增的人工地网需要直接采用长江大桥传统的水平接地安装方式和直接打孔或深井式的接地相结合的接地方法，即新建人工地网，在长江大桥的各部分桥基和锚碇础的四周新建人工地网。长江大桥地网的垂直水平高效离子接地体主要采用40*4mm的优质镀锌扁钢，地网的垂直水平接地体主要采用高效离子接地棒，安装的方式为直接打深井式的安装，把离子接地棒在打孔后放入一个深井内，打孔的基底孔径为110mm，打孔的基底深度一般为30米;高效离子降阻剂接地棒放入直接打孔的基底后，在一個深井内填充高效离子降阻剂，将填充稀释后的高效降阻剂直接注入一个装有离子接地棒的孔内。

根据图纸可知，需要在大桥的两个桥塔的基础外围新增设2个人工地网，B侧锚碇基础处新增设1个人工地网，A锚碇的隧道口处新增设1个人工地网。

2.2、主塔侧击雷防护措施

根据标准GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》第4.3.9条高度不得超过45米的大型高层结构建筑物，除了建筑屋顶的外部保护结构和其他防雷保护装置及其设计要求应当必须完全符合本建筑设计规范第4.3.1条的其他有关设计规定外，尚应完全并应当符合下列的有关规定：

高于60m的高层建筑物，其上部占高度20%并下部超过60m的部位应防侧击。

主塔侧击雷防护措施：

（1）从塔顶至上而下在大桥的塔柱内每间隔10米做一个均压环，以防侧击雷，均压环的塔柱内的主筋形成可靠连接，并利用主筋连接避雷针引下至地网。

（2）所有接地钢筋除接地引出线使用?16的圆钢外，其余均利用不小于?16的结构钢筋。接地引出线长度不小于1米。塔顶接地引出线与避雷针底座可靠焊接，型材良好的电气通路。

2.3、塔顶设备等电位连接

塔顶有鞍罩及锚碇等地方设有除湿机等设备，考虑到设备的安全运行，需要对电气设备进行可靠的接地处理，接地线采用16mm2的黄绿线。将设备的外壳与防雷地进行可靠连接。在桥面的两端做接地处理，接地采用40×4的镀锌扁钢进行连接;伸缩缝附近的金属物需要做好等电位跨接处理，伸缩缝附近的等电位连接导体采用25mm2的编织铜带进行连接。

3.雷电感应的防护

根据IEC 61312《雷电电磁脉冲的防护》、GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》、JGJj/T 16-92《民用建筑电气设计规范》及GBJ 64-83《工业与民用电力装置的过电压保护设计规范》中关于防雷及过电压的规范以及有关的防雷及过电压分区的划分和各级电源保护系统对于雷电及过电压的保护设计要求，针对现场勘测设计报告中关于配电系统的相关描述，将其防雷区划分为三个主要防雷区分别进行加以设计和考虑。

3.1电源一级防护

由于线路上的高压电采用了架空线的传输方式直接进入，在线路上极易对高压电产生强烈的雷电感应和直击雷引起的雷电侵入。因此是否需要在电源变压器的低压电源输出端安装浪流电涌保护器是非常重要的一个技术环节，根据GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》"5.4.1电源线路防雷与接地应符合下列规定"表5.4.1-2电源线路浪涌电流保护器的标称放电浪涌电流的参数值由如下可知：

在变压器的低压输出侧需要安装的是一台带有冲击放电泄漏电流iimp≥15ka的一级电源防雷器。同时考虑到实际安装的情况，选用一台由四川百石科技有限公司自主研发生产的xxxx380-50w型一级电源防雷器，该系列产品的安装方便，具体的参数为：冲击放电泄漏电流（10/350μs）：15ka/线;限制电压：≤2500v;泄漏电流：<10ua;冲击响应电流持续时间：≤25ns;采用模块式并联电路安装，具有良好的工作控制和状态指示功能。

该产品在安装时要求电源防雷器相线的连接导线采用不小于16mm2多股铜线，接地连接线采用不小于25mm2双色多股绝缘铜线。

3.2电源二级防护

电源传输线路上的第一级电源防雷器传输线路可以对于直接发生感应雷击电流的能量进行泄放，或者是当直接通过电源传输的线路有可能遭受直接的雷击时对其所传导的巨大雷击能量传输线路进行泄放对于那些有可能感应雷击发生直接的雷击电流可能的地方，必须同时需要对防雷器进行class-i的防雷。第二级的防雷器主要是针对于前级电源防雷器的内部残余雷击电压以及区内发生感应雷击的能量进行防护设备，对于前级防雷器发生较大的雷击电流进行能量的吸收时，会仍然有一部分对防护设备或第三级的防雷器而言，仍然有一部分是相当巨大的雷击能量从电源传导了过来，需要第二级的防雷器进一步的吸收。同时，经过了第一级防雷器的电源传输线路也有可能会发生感应雷击电磁脉冲的辐射lemp，当电源传输线路距离足够长时（通常超过15米）经过雷电脉冲感应的雷击能量就会自然地变的非常足够大，需要第二级的防雷器进一步对感应雷击的能量进行实施了泄放。第二级的防雷器可直接安装在次级配电箱内，采用中国四川百石科技有限公司自主生产的xxxx380-60pn型防雷器。该防雷器主要具有以下的特点：标称通流容量（8/20μs）：30/60ka/s无线;泄漏温度限制电流响应工作电压：≤2000v;电源泄漏温度限制响应电流：<10ua;电源泄漏温度限制电流响应工作电流状态持续时间：≤25ns;箱式并联电源安装，具有极为人性化的电源工作电流状态自动指示设置功能，无需担心产生工作续流和电源插入损耗。

二级电源的防雷器在二级电源安装时如有不便，可以直接并到三级电源的防护端，做成b+c型二级电源的电涌保护器进行电涌防护。二级电源防雷器的相线的连接导线一般采用不小于10mm2多股绝缘铜线，接地的连接线一般采用不小于16mm2双色多股绝缘铜地的连接导线。

3.3电源三级防护

经过了第二级电磁脉冲防雷器的传输线路也一定会产生感应第二级防雷击电磁脉冲的辐射能量lemp，当传输线路足够长时感应第二级防雷的电磁脉冲能量就一定会变的足够大，第三级的防雷器主要是对于lemp和通过第二级电磁脉冲防雷器的传输线路残余雷击电磁脉冲能量都进行了保护。第三级的防雷器主要能够将设备在线路上的过电压承受限制范围减小到<1.5kv，保证了线路上的过电压在增加了设备的工作耐受线路过电压的程度和承受限制范围之内。第三级的防雷器主要是用于保护桥梁上的电气设备，保证了电气设备的工作不会因为增加了线路上的过电压而停止引起的损坏。针对于南溪长江大桥而言，整个南溪桥梁上的空气除湿机、照明等各种用电设备的传输线路前端都应该同时安装第三级的防雷器，确保了设备的工作不会因为线路上的过电压而自动停止正常工作，保证了桥梁的正常工作使用。而建设用电设备在线路上采用的如果是三相交流电，则可以选用xxxx380-20pn型第二级防雷器，设备在线路上使用的如果是单相电，则可以选用xxxx220-20pn型第三级防雷器。

第三级电流防雷器的主要技术特点功能分别为：箱式标称限制通流泄漏容量（8/20μs）：20/40ka/4直线;标称限制通流电压：≤1500v电流泄漏响应工作时间电流：<10ua;自动响应工作电流泄漏持续时间：≤25ns;箱式并联自动安装，具有泄漏工作时间电流泄漏状态自动指示装置功能。

第三级无线网络电源线路防雷器在日常使用和维护安装时对各相线的供电连接线路导线均应采用不超过小于6mm2多股柔性绝缘彩色铜线，接地的供电连接线路应采用不超过小于10mm2双色多股柔性绝缘彩色铜线。

总结：综上所述，xx大渡江特大桥设计难度大，施工难度高，在防雷设计中吸收国内外诸多防雷设计經验，利用桥梁钢筋结构，与各种措施相配合，且同时考虑特大桥特点，在避雷针中选择不锈钢等具有较强仿佛能力材料，且适当将截面积增加。并且，对大桥移动部分进行处理，通过做好大桥防雷措施，以提高社会和经济效益。

参考文献：

[1]张合清，程龙.谦迈河特大桥抗震设计与分析[J].公路，2019，64（10）：99-104.

[2]任虔英.铁路斜拉桥防雷接地应用研究[J].自动化与仪器仪表，2019（02）：46-48.

[3]赵通，黄兵，李光白，范安军.泸定大渡河兴康特大桥的工程设计特点与技术创新[J].西南公路，2018（04）：7-10.

[4]伏冠西.雅康高速泸定大渡河特大桥施工便道总体规划与施工[J].工程建设与设计，2018（05）：142-145.

[5]文丽娜，程谦恭，程强，郭喜峰.泸定大渡河特大桥隧道锚模型变形试验研究[J].铁道工程学报，2017，34（01）：52-59.