地铁项目综合防雷设计的探讨

简介：本文针对地铁项目防雷设计现状，结合《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343-2004），对地铁项目防雷模型进行了深入地分析和探讨，并对适合地铁项目的综合防雷设计方法进行了研究。
关键字：地铁，防雷，设计
一．问题的提出
　　目前各大城市轨道交通项目不断上马，轨道交通及大型民用建筑中电子信息系统设备越来越多，2000年国家对《建筑防雷设计规范》（GB50057-94）进行补充，2004年又颁布了《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343-2004），使得防雷设计更易于操作。对于轨道交通项目的地面站和高架站完全可以按上述规范进行设计。但由于地铁建筑主体位于地下，处于大地的保护之下，因此长期以来，人们对地铁建筑的防雷设计远不象地面建筑那样给予应有的重视，并非所有地铁建筑均采取了防直击雷措施，部分项目根据规范设置了浪涌保护，但目前的规范一般都是以地面建筑为例进行叙述的，如果不领会规范的精神、不研究地铁项目的特点、死搬硬套，显然不能收到预期的效果。然而，地铁建筑是投资巨大、人员密集的公共场所，通信、信号、FAS、BAS、AFC、SCADA等电子信息类设备系统众多且构成复杂，这些系统是维系地铁正常运营的中枢神经，一旦遭受雷击或雷电波侵入，将危及地铁正常的运输秩序，甚至造成重大的人员伤亡和巨大的经济损失。另外，雷击如果引起地铁火灾，后果不堪设想。其实地铁建筑并不是完全位于地下，仍存在雷害的威胁，因此很有必要对地铁项目雷害评估模型进行探讨并研究适合地铁项目的综合防雷设计方法。
二．地铁项目防雷评估模型的探讨
　　1．地铁项目划分雷电防护区的探讨
　　地铁建筑主体位于地下，但出入口罩棚、风亭、冷却塔等设施位于地面，因此这些部位成为雷电波入侵的突破口。对于高层林立的老城区，这些部位可能处于周围建筑物的保护范围内，但在马路宽阔的区域、城郊结合地区等空旷区域是得不到保护的，但不论位于什么地区，地铁是否能得到周围建筑物的保护，均需要根据地铁建筑物的重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性、当地的气象条件及周围地形地貌通过计算确定。
　　下面以出入口罩棚为例，分析雷电防护区的划分。显然，出入口罩棚的外部空间属于直击雷非防护区LPZ0A和LPZ0B，出入口罩棚的内部空间为第一防护区LPZ1。对于典型地铁车站，降压变电所位于车站内部，且电源进线来自地下环网，从雷电波的活动规律来看，变电所应为第二防护区LPZ2，这是和地面建筑不同的地方。而需要进一步保护的电子信息设备房屋所处的空间则属于后续防护区LPZ3。如图1所示。
　　2．地铁电子信息系统雷电防护等级的确定
　　根据国家标准《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343-2004）规定，电子信息系统的雷电防护等级按防雷装置的拦截效率划分为A、BAS、C、D四级，防护等级的划分方法有雷击风险评估法和按信息系统的重要性及使用性质确定两种。对于特殊重要的建筑物宜按两种方法分级且取较高的等级。关于雷击风险评估法可以按规范提供的方法计算，这里只讨论按重要性和使用性质确定防护等级的方法。查阅规范可以看出，规范主要是针对地面建筑进行了划分，未涉及地铁车站这样的特殊建筑物。规范将机场、大型港口、火车枢纽站的电子信息系统列为最高防护等级A级，从地铁车站所拥有的电子信息系统及电子信息系统对于维系地铁正常运营所发挥的作用看，其重要性都不低于火车枢纽站。因此将地铁车站的电子信息系统的防护等级定为A级并不为过。
三．地铁项目综合防雷设计的考虑
　　根据《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343-2004）规定，电子信息系统应采用外部防雷和内部防雷等措施进行综合防护。如图2所示。
　　下面就从地铁项目的特点出发对外部防雷和内部防雷进行讨论，与地面建筑相同的问题，不在次赘述。
　　1．外部防雷措施
　　对于地铁建筑，其主体位于地下，出入口罩棚、风亭、冷却塔等部位暴露在地面上，但这些部位一般建筑面积很小，高度较低，孤立地看这些部位，通常三类防雷建筑物也不够。但根据《建筑物防雷设计规范》（GB50057-942000版）第6.1.3条规定：“在设有信息系统的建筑物需防雷击电磁脉冲的情况下，当该建筑物没有装设防直击雷装置和不处于其它建筑物或物体的保护范围内时，宜按第三类防雷建筑物采取防直击雷的防雷措施。”也就是说，如果不处于其它建筑物或物体的保护范围内时，即便不够三类防雷建筑物也宜按三类防雷建筑物采取防直击雷措施。但从车站整体来看，根据《建筑物防雷设计规范》（GB50057-942000版），作为人员密集的公共建筑，应按二类防雷建筑物考虑。本着就高不就低的原则，建议地铁车站的出入口罩棚、风亭、冷却塔等按二类防雷建筑物采取防直击雷措施。
由于地铁一般采用DC750V或DC1500V直流电作为牵引电源，处于防杂散电流的要求，地铁防雷装置不宜利用结构钢筋，接闪器、引下线均应采用人工装置。另外车站综合接地网位于车站结构底版下方，距离地面较远，为了防止对地网上的其他系统造成反击，上述部位的防雷装置宜在地面单独做接地装置。
　　关于接闪器，对于出入口罩棚和风亭宜采用避雷网或避雷线，但对于冷却塔，显然无法实施避雷网或避雷线，采用传统的避雷针通常与周围的环境又不协调。不过目前市场上有具有预放电功能的接闪器，通过预放电功能，有效地吸引向下先导，以便作到很低的安装高度保护较大的范围。外型如图3所示。
　　如果采取接闪器与冷却塔结合的安装方法，使接闪器略高于冷却塔就可以收到很好地保护效果，而且其造型非常美，不会与周围环境产生不协调的情况。不失为一种很好地选择。
　　2．等电位联接
　　目前大部分地铁项目都实施了等电位联接，但等电位联接的设置在一定程度上还存在一些误区，主要表现为：
　　一是部分项目电子信息系统的接地端子单独设置，意图是避免其他系统对信息系统产生影响，但根据《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343-2004）规定，建筑物的总等电位和各处的局部等电位端子均应联接在一起，显然公共等电位端子才能更好地实现等电位。
　　二是地铁的等电位网络多采用放射型，既S型，但从《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343-2004）有关条文解释看，S型结构只适用与信息系统设备较少或局部的系统中，且除了联接点ERP外，其他点均应与公共接地系统保持足够的绝缘，显然较难实现。因此对于地铁项目，信息系统众多，层建筑面积较大，每层需要多处设置等电位端子板的场所，其等电位网络宜应采用主体M型，局部采用S型的复合结构。M型结构中信息系统的所有金属组件不应与公共接地系统绝缘，而是通过多点与公共接地系统联接。采用M型结构时，每层的诸多等电位端子板之间应有横向的联接，这是工程中易被忽视的地方。如图4所示。
　　三是在出入口罩棚、冷却塔等管线引入地铁的LPZ0与LPZ1的交界面处，多数项目没有设置等电位端子板，而这些部位正是防雷击电磁脉冲的重要关口。需引起工程设计的高度重视。
　　3．浪涌保护的设置
　　目前地铁项目中的浪涌保护也存在误区，其主要表现是：通常在变电所低压母线设置第一级浪涌保护，而引入、引出创造建筑的LPZ0与LPZ1的交界面处却没有设置浪涌保护。根据《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343-2004）规定及本文对地铁防雷模型的探讨，典型地铁变电所低压进线并不处于LPZ0与LPZ1的交界面处，而出入口罩棚、冷却塔等管线引入地铁等处才是真正的电磁脉冲引入处。所以对于典型地铁项目，在出入口罩棚、冷却塔等管线引入地铁处应安装第一级浪涌保护。变电所低压母线按装第二级浪涌保护，信息设备房屋内的配电箱安装第三级浪涌保护。见图5。
四．几个防雷设计特例
　　1．上海9号线佘山站防雷设计
　　上海9号线佘山站为一高架站，长14.15m，宽17.15m。站台层采用钢结构、金属屋面。本来利用金属屋面做接闪器、利用钢柱做引下线是很理想的防雷方案，但从图6的车站断面图可以看出，其站台层为中间立柱的伞型结构，且立柱大部分位于乘客密集的公共区，从保护乘客人身安全的角度看来，显然不宜做引下线，而且钢柱下的钢筋混凝土柱也没有延续到地下，难以胜任引下线的作用。采用传统的避雷针又与建筑风格不协调。为此我们为分包设计单位提出了在车站两端哥安装一个预放电功能的接闪器，接闪器搞出建筑物不足2m，就满足了保护整个车站的要求，其引下线采用接闪器配套提供的高压屏蔽电缆与车站的公共接地网联接。见图6。
　　2．上海9号线松江新城站防雷设计
　　上海9号线松江新城站为地下一层，地上一层站，且预留地上2~5层作为开发用房的条件，以后实施。由于地下结构防杂散电流的要求，车站底板下做了人工公共接地网，且与结构绝缘。既然结构不接地，其结构钢筋也就无法被利用做防雷装置。设独立避雷针也与建筑风格和周围环境不协调。为此我们也采用了在屋顶安装两处预放电功能的避雷针，接闪器高出屋顶不足2m，对建筑风格基本没有造成影响。采用高压屏蔽电缆做引下线，在地面单独做人工接地。后期带开发层续建时，接闪器可以拆下来移到开发层屋顶，并对更换引下线即可。如图7所示。
　以上两个车站建筑外均有广场照明和景观照明供电回路从车站引出，我们均设置了第一级浪涌保护
本文转自:赛尔社区
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