城市軌道交通防雷接地設(shè)計策略與方案

隨著我國城市化進程的不斷加快,城市軌道交通對現(xiàn)代居民的生活出行越來越重要,安全、快速、經(jīng)濟、便捷的城市軌道交通已成為城市建設(shè)不可或缺的一部分。軌道交通設(shè)備及設(shè)施的防雷與接地系統(tǒng)是保護人身安全和設(shè)備安全的重要設(shè)施，城市軌道交通供電和弱電系統(tǒng)的重要組成部分,是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。防雷與接地系統(tǒng)的設(shè)計將直接影響整條軌道交通線路的供電可靠性及安全性。城市軌道交通系統(tǒng)的組成復(fù)雜、構(gòu)成多樣,與一般電力系統(tǒng)及建筑物的防雷存在差異,其防雷及接地系統(tǒng)的設(shè)計需結(jié)合城市軌道交通系統(tǒng)的實際情況進行考慮。

1城市軌道交通綜合接地系統(tǒng)構(gòu)成城市軌道交通工程多采用綜合接地系統(tǒng)。綜合接地系統(tǒng)是指供電系統(tǒng)和需要接地的其他設(shè)備系統(tǒng)的工作接地、保護接地、電磁兼容接地和防雷接地等采用共同的接地裝置,并實施等電位聯(lián)結(jié)措施。供電系統(tǒng)中,同時存在多個用于不同目的、不同用途的接地系統(tǒng),如在交流系統(tǒng)中任一電壓等級都同時存在工作接地和保護接地的問題,像110/35kV主變電所中就存在110kV設(shè)備的保護接地、35kV系統(tǒng)的工作接地、35kV設(shè)備的保護接地等。在分開設(shè)置不同的接地裝置時,若距離不能滿足要求,將導(dǎo)致由于接地裝置電位不同而帶來的不安全影響,不同接地導(dǎo)體之間的耦合影響也難以避免,從而引起相互干擾,因此,目前城市軌道交通工程多采用綜合接地系統(tǒng)。在綜合接地系統(tǒng)中,這些不同類型的接地都被相互連接在一起。軌道交通設(shè)備及設(shè)施的綜合接地系統(tǒng)涉及的專業(yè)有信號、通信、供電、橋梁、隧道、路基、軌道、給排水等。從接地的種類來看,主要包括建筑物的防雷接地及強弱電系統(tǒng)的工作接地、保護接地、屏蔽接地等,交流牽引供電制式下接地系統(tǒng)還承擔(dān)一定比例電流回流的作用。從接地的組成來看,一部分為車站主體結(jié)構(gòu)鋼筋和附屬結(jié)構(gòu)鋼筋組成的自然接地網(wǎng),一部分為預(yù)埋在車站結(jié)構(gòu)底板下的人工綜合接地網(wǎng),人工接地網(wǎng)與自然接地裝置應(yīng)能分別測量。綜合接地系統(tǒng)不但要滿足供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)等所有設(shè)備系統(tǒng)的工作接地要求和安全接地要求,還要滿足地面車站的防雷要求和雜散電流的防護要求,同時需保證地鐵能長期、安全地使用,防止或降低地鐵乘客或地鐵工作人員在供電系統(tǒng)發(fā)生故障時出現(xiàn)電擊危險的可能性。城市軌道交通綜合接地系統(tǒng)概念圖如圖1所示。2地下車站接地裝置設(shè)計對于城市軌道交通地下車站,不需考慮建筑物的防雷接地問題,但城市軌道交通綜合接地裝置的設(shè)計應(yīng)保證人身安全、設(shè)備安全及運營可靠性。城市軌道交通綜合接地系統(tǒng)的主體是車站的接地,一般利用車站結(jié)構(gòu)鋼筋或變電所結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)鋼筋等自然接地極作為接地裝置,結(jié)構(gòu)底板、中板、頂板、結(jié)構(gòu)柱、結(jié)構(gòu)墻等鋼筋均按要求可靠焊接,焊點的數(shù)量不低于斷面示意圖,各層結(jié)構(gòu)墻及結(jié)構(gòu)板,各選不少于6根縱向鋼筋(平行線路的鋼筋)同所有的交叉鋼筋焊接,形成的鋼筋圈與所有平行線路的鋼筋進行焊接,若結(jié)構(gòu)柱間距超過5m,應(yīng)在兩個結(jié)構(gòu)柱之間增加一個鋼筋圈同所有平行線路的鋼筋進行焊接,在每個車站站臺板夾層內(nèi)的結(jié)構(gòu)柱或上翻梁上預(yù)留接地鋼板。目前城市軌道交通工程普遍采用多種接地合用一個人工接地網(wǎng)的型式(圖2),人工接地網(wǎng)以水平接地極為主,垂直接地極為輔,外緣閉合,內(nèi)部敷設(shè)多條水平網(wǎng)格帶組成。圖2中P1~P3為變電所設(shè)備接地引出線,P4~P6為弱電設(shè)備接地引出線。當(dāng)車站有跟隨所或因其他原因?qū)е伦冸娝环指畛伤骄嚯x較遠的兩部分時,應(yīng)就近增設(shè)一組變電所設(shè)備引出線。如車站為臨近隧道口的地下站,則需另設(shè)接觸網(wǎng)架空地線接地引出線P7~P9。每組引出線間沿接地網(wǎng)的距離應(yīng)大于20m,每組引出線包括3個引出線端子。接地引出線(P1~Pn)通過電纜分別引至變電所接地設(shè)備母排、弱電設(shè)備接地母排或接觸網(wǎng)架空地線接地母排。人工接地網(wǎng)一般采用等間距設(shè)置,城市軌道交通地下車站人工接地網(wǎng)水平接地體的敷設(shè)可結(jié)合車站結(jié)構(gòu)特點進行靈活設(shè)置,以避開車站下翻梁、扶梯基坑等突出結(jié)構(gòu)底板的區(qū)域,保證車站水平接地網(wǎng)埋深深度一致,以廣州十三號線二期朝陽站為例(圖3),為避開扶梯基坑,局部水平接地體間距適當(dāng)調(diào)整為9500mm。如果車站為換乘站,需同時考慮兩條線所在車站的接地網(wǎng),在兩條線車站主體結(jié)構(gòu)底板下方800mm處分別設(shè)置接地網(wǎng),采用電纜將兩個接地網(wǎng)連接起來,以保證整個建筑的接地網(wǎng)等電位,可參考圖4。3城市軌道交通防雷及接地保護措施3.1高架區(qū)段牽引網(wǎng)防雷接地保護近年來,隨著城市軌道交通高架橋和地面線路的開通,地鐵和輕軌供電設(shè)備及車輛都有遭受雷擊的現(xiàn)象發(fā)生,如香港機場線、廣州地鐵1號線、上海地鐵3號線等,所以防雷問題應(yīng)引起重視。采用接觸軌形式的牽引網(wǎng),位于聲屏障或欄桿保護范圍內(nèi),不需專門采取防雷措施。采用架空接觸網(wǎng)形式的牽引網(wǎng),在高架和場段區(qū)段應(yīng)重點防護直擊雷、雷電反擊和感應(yīng)過電壓等。根據(jù)不同區(qū)段可采取相應(yīng)防雷措施:隧道外饋線上網(wǎng)點處設(shè)避雷器;進入隧道的接觸網(wǎng)在隧道入口處設(shè)置避雷器;進入封閉式雨棚高架車站的接觸網(wǎng)在車站兩端設(shè)置避雷器;在地面、高架、出入段線、試車線每隔約200m設(shè)一處避雷器,雙線區(qū)段交錯布置,雷害嚴重區(qū)段適當(dāng)減少避雷器間隔距離;高架區(qū)段利用橋墩做自然接地體,接地電阻不大于10Ω。架空地線抬高兼做避雷線,且與每個橋墩進行接地連接;接觸網(wǎng)上網(wǎng)開關(guān)處設(shè)避雷器,以盡量避免雷害現(xiàn)象對供電系統(tǒng)中接觸網(wǎng)、變電所設(shè)備以及機車車輛設(shè)備產(chǎn)生危害;高架段架空地線上下行設(shè)置避雷器的支柱通過電壓均衡器接地,達到正常運行狀態(tài)下減少雜散電流泄漏、雷電或過電壓情況下迅速泄流的目的;為了避免系統(tǒng)額定電壓長期施加在避雷器閥片上,延長避雷器的使用壽命,在支柱腕臂絕緣子處采用串聯(lián)外間隙金屬氧化物避雷器。車輛段試車線及出入段線每根支柱腕臂絕緣子安裝一臺帶間隙金屬氧化物避雷器。接地措施:上、下行分別設(shè)置貫通的架空地線,車輛段內(nèi)成排支柱設(shè)置架空地線,零散支柱通過跳線或電纜與架空地線相連;架空地線引至牽引變電所的接地母排上,構(gòu)成閃絡(luò)保護回路;接觸網(wǎng)各絕緣子接地端的金屬底座、開關(guān)底座、腕臂底座等均與架空地線連通;車場內(nèi)裝有設(shè)備的支柱,設(shè)置接地極,接地電阻應(yīng)小于10Ω;車場庫房內(nèi)設(shè)置帶接地刀閘的隔離開關(guān),應(yīng)考慮在土建結(jié)構(gòu)體預(yù)留接地極,保證接觸網(wǎng)檢修的安全需要;為了便于架空剛性接觸網(wǎng)維修時接地,在架空剛性懸掛接觸網(wǎng)機械分段、電分段兩端、每一個車站(設(shè)備站臺以外)兩端、線路終端分別設(shè)置匯流排接地線夾一套。人身安全防護:地面上人員活動容易接觸到接觸網(wǎng)帶電體的地方采取有效的防護措施;在車站設(shè)置鋼軌電位限制裝置,當(dāng)鋼軌與保護地之間的電位差大于規(guī)定值時,短路裝置在0.1s內(nèi)短路,以確保障人身安全。3.2高架車站防雷接地保護高架車站主要有兩種形式,一種是車站屋面全部采用金屬材料;二是車站屋面采用金屬材料與大面積玻璃相結(jié)合。當(dāng)高架車站采用金屬物屋面板時,屋面板厚度應(yīng)大于0.5mm,屋面板之間以及屋面板與車站主體鋼構(gòu)應(yīng)保證良好的電氣連接。當(dāng)高架車站采用金屬材料與大面積玻璃組合時,考慮到車站的美觀以及減少維護,可直接利用玻璃框架的金屬邊框作為接閃網(wǎng)格,此時需要保證玻璃邊框的厚度大于0.5mm并且與車站主體鋼構(gòu)具有良好的電氣連通性。高架車站一般利用金屬結(jié)構(gòu)柱或柱內(nèi)鋼筋作為引下線,與接地裝置電氣連接。利用車站基礎(chǔ)內(nèi)的結(jié)構(gòu)鋼筋作為自然接地體,另在變電所下方敷設(shè)人工接地網(wǎng),自然接地體與人工接地網(wǎng)連接,構(gòu)成統(tǒng)一的接地裝置,接地裝置電阻宜不大于0.5Ω。高架車站防雷接地剖面圖如圖5所示。3.3停車場、車輛段防雷接地保護停車場、車輛段防雷接地保護設(shè)計與民用建筑工程基本一致,接地裝置與車站設(shè)計原則相同,采用自然接地體與人工接地網(wǎng)相結(jié)合的方式。停車場、車輛段防雷接地保護需要值得關(guān)注和思考的是與上蓋開發(fā)的接口以及與雜散電流防護的配合。車輛基地防雷接地主要范圍為蓋板及蓋下建筑(主要有聯(lián)合檢修庫、運用庫、調(diào)機車庫、運轉(zhuǎn)綜合樓等)整體防雷接地,不含蓋板上的物業(yè)開發(fā)防雷接地。蓋板下的建筑按二類防雷建筑進行整體防雷接地,按規(guī)范要求間隔布置防雷引下點,并沿蓋板外檐敷設(shè)接閃器,蓋板下總體接地電阻不大于1Ω;在蓋板的上部,與物業(yè)開發(fā)接口處預(yù)留防雷引下,即:利用結(jié)構(gòu)柱內(nèi)靠外側(cè)兩對角主鋼筋作為上蓋物業(yè)防雷引下線,下與承臺、樁基作為自然接地體的主鋼筋相連,柱頭上方預(yù)留接地鋼板與柱內(nèi)作為自然接地體的結(jié)構(gòu)主鋼筋相連,并按圖紙要求設(shè)置上蓋物業(yè)開發(fā)預(yù)留防雷接地測量端子。上蓋預(yù)留結(jié)構(gòu)柱頭內(nèi),作為引下線的兩對角主鋼筋涂以顯著顏色標記處理,以便上蓋物業(yè)的防雷引下線接駁。蓋板外的建筑,在屋面設(shè)置避雷網(wǎng),避雷網(wǎng)沿屋角、屋脊、屋檐敷設(shè),利用建筑柱內(nèi)主鋼筋作為防雷引下線,基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋網(wǎng)作為自然接地體,接地電阻根據(jù)各建筑物的屬性而定。實際工程中,既有蓋板防雷接地預(yù)留工程易出現(xiàn)諸如蓋板同步實施工程未按圖紙要求預(yù)留上蓋物業(yè)的防雷引下線,或部分引下線未與自然接地體的結(jié)構(gòu)主鋼筋相連,導(dǎo)致部分引下線所在結(jié)構(gòu)柱接地電阻檢測值大于1Ω,不滿足設(shè)計要求等情況;亦或是蓋板同步實施工程未按圖紙要求對預(yù)留引下線的兩對角主鋼筋涂顯著顏色,導(dǎo)致后期施工方無法準確找到正確的引下線位置,需要通過檢測接地電阻來確定引下線所在的柱鋼筋。城市軌道交通主要采用以鋼軌回流的直流牽引供電系統(tǒng),不可避免產(chǎn)生雜散電流,為加強雜散電流監(jiān)測與防護,停車場、車輛段根據(jù)結(jié)構(gòu)形式考慮將主體結(jié)構(gòu)的底板、中板、頂板等結(jié)構(gòu)鋼筋電氣焊接,作為雜散電流監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測結(jié)構(gòu)鋼筋極化電位,監(jiān)測網(wǎng)應(yīng)與防雷接地電氣隔離,要求作為防雷引下的上蓋結(jié)構(gòu)立柱與主體結(jié)構(gòu)鋼筋電氣隔離。上蓋結(jié)構(gòu)的雜散電流防護應(yīng)結(jié)合工程實際,針對上蓋結(jié)構(gòu)停車場、車輛段主體結(jié)構(gòu)的關(guān)系統(tǒng)籌考慮。4防雷接地工程設(shè)計建議地下車站人工接地網(wǎng)設(shè)置:水平接地體應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)特點進行靈活設(shè)置,避開下翻梁、扶梯基坑等突出結(jié)構(gòu)。換乘車站人工接地網(wǎng)應(yīng)進行電氣連接,避免地電位出現(xiàn)電位差。高架區(qū)間的防雷應(yīng)結(jié)合接觸網(wǎng)型式統(tǒng)籌考慮,采用接觸軌形式的牽引網(wǎng),位于聲屏障或欄桿保護范圍內(nèi)不需專門采取防雷措施。采用架空接觸網(wǎng)形式的牽引網(wǎng),在高架和場段區(qū)段應(yīng)重點防護直擊雷、雷電反擊和感應(yīng)過電壓等。蓋板同步實施工程應(yīng)按包容性原則預(yù)留上蓋防雷引下線,同