广州地铁四号线高架防雷设计

 

摘要：阐述了广州地铁四号线高架车站和区间防雷设计的总体思路,总结出适用于广州地铁各条新线的高架车站和区间的防雷设计的注意要点,包括:①以黄阁北站高架车站为例说明了金属屋面、玻璃屋顶、接地网的防雷设计做法;②高架区间的防雷措施;③屏蔽、等电位联结、防雷电波侵入与SPD的设计,合理布线;④施工安全指导。

关键词：防雷设 计广州地铁四号线 高架车站和区间 金属屋面 玻璃屋顶 钢立柱 引下线 热镀锌扁钢

 

1概述

      广州地铁四号线在广州地铁建设中第一次含有高架。如何使地铁高架防雷设计更加安全、科学、合理,摆在设计者的面前。广州地铁四号线穿越目前的空旷地区,属于高雷区(年平均雷暴日为Td=76.1d/a)。为了保障人身、设备和建筑物的安全,根据高架车站和区间的结构特性,依据《地铁设计规范》(GB50157-2003)、《建筑物防雷设计规范》(GB 50057-94,2000年版)、《民用建筑电气设计规范》(JGJ/T16-92),并结合各种雷电危害类型,谈谈地铁高架车站和区间防雷设计的总体思路。

2高架车站

      高架车站按建筑二类防雷等级设置防雷措施。广州地铁四号线高架车站主要有两种类型:①车站屋面是金属材料和大面积玻璃的组合;②车站屋面全部采用金属材料。以后广州地铁各条新线的高架车站基本上都会采用这两种类型。图1是其中的一个典型高架车站:黄阁北站。它属于上文中类型①。

2.1金属屋面部分的防雷

      a.金属屋面作为防雷接闪器。金属屋面采用的是铝镁锰合金板,厚度1mm,满足金属板厚度大于等于0.5mm的规范的要求。

      b.金属屋面通过镀锌钢带引下线将电流引到屋面下的钢檩条上,钢檩条再和支撑整个车站的钢结构连成一个整体,钢结构同时与车站的基础钢筋可靠连接。引下线纵横间距小于10m。

      c.突出屋面的金属物体(如钢爬梯、水管等),均与就近的金属屋面相连。

      d.金属屋面板之间的搭接长度不小于100mm,满足规范的要求。

      e.金属屋面板与钢结构之间电气连接需要符合下列要求:①扁钢与扁钢的连接为扁钢宽度的2倍,不少于三面焊接;②圆钢与圆钢的连接为圆钢直径的6倍,双面焊接;③圆钢与扁钢的连接为圆钢直径的6倍,双面焊接;④扁钢、圆钢与钢管、角钢互相连接时,除应在接触部位两侧施焊外,还应增加圆钢搭接件;⑤所有焊接应平整、光滑,并应做防腐处理。

2.2玻璃屋顶的防雷

      在凸出屋面的玻璃处增加避雷带作为接闪器。避雷带采用不锈钢,具体做法如下:

      a.玻璃架构上表面四周最边沿,紧贴玻璃敷设宽度为25mm、厚度为4mm的不锈钢带。玻璃包边采用宽度能将玻璃侧面挡住、厚度为4mm的不锈钢带,并回包宽度为25mm、厚度为4mm的不锈钢带。三面的不锈钢带为一整体。

      b.在龙骨架构处玻璃上表面敷设宽度为25mm、厚度为4mm的不锈钢带,形成网格。玻璃架构上表面避雷网格尺寸小于10m×10m或12m×8m。整个避雷网格先做好后,再放置在屋顶,减少在屋面点焊。不锈钢带需紧固在玻璃上。

      c.四周最边沿的不锈钢带与龙骨架构处玻璃上的不锈钢带焊接。

      d.避雷网格与龙骨采用宽度为25mm、厚度为4mm的不锈钢带焊接。

      典型站台玻璃屋面防雷平面图见图2。

2.3接地网的设置

      a.广州地铁地下车站采用在车站结构底板下设置人工接地网的形式作为车站综合接地网。车站主体结构与人工接地网不连接,实现绝缘隔离。强、弱电、等电位等各电气连接只与人工接地网连接,与主体结构不连接。若主体结构与人工接地网连接,会造成杂散电流经人工接地网流入大地,对人工接地网造成腐蚀,不能满足杂散电流防护的要求。与主体结构隔离的人工接地网可以避免杂散电流的腐蚀。

      b.高架车站主体建筑、高架桥桥箱、高架桥立柱三者是绝缘分离的。这为利用车站结构钢筋网做接地网创造了条件,所以高架车站利用车站结构钢筋网做接地网。高架桥桥箱与高架桥立柱的绝缘也更好地保证了钢轨的回流功能。

      c.高架车站利用车站结构钢筋网做接地网。车站接地网接地电阻不大于0.5Ω。满足联合接地网接地电阻不大于1Ω的规范要求。

      d.高架车站强、弱电系统应分别设接地引出线。每组接地引出线不得少于两条。每个强、弱电排还需要与就近从钢筋笼预留出的接地端子相连。

      e.采用共用接地网。

3高架区间

      高架区间构筑物按三类防雷设计。当雷击发生时,由于乘客集中在车辆法拉第笼的保护范围内部,没有雷击危险,所以高架区间的防雷,主要是保护高架区间、区间设备和区间维修人员的安全。

3.1避雷带

      间隔30m将桥护栏顶上的避雷带与另一侧护栏上设置的避雷带用热镀锌扁钢连接,用绝缘膨胀螺栓将避雷带固定在梁端部,热镀锌扁钢连接带的规格与避雷带的规格相同。

3.2接闪器

      利用疏散平台角钢横梁作避雷接闪器。

3.3引下线

      a.高架区间利用桥墩结构钢筋作引下线,要求每个桥墩都做引下。

      b.每个桥墩处,热镀锌扁钢沿梁缝引下,与桥墩处预留的防雷接地端子焊接。

      c.接地电阻小于10Ω。

3.4电气连接

      a.将一条热镀锌扁钢设置在疏散平台底座板处,此热镀锌扁钢只起电气连接的作用。

      b.疏散平台下热镀锌扁钢与底板螺栓连接处,固定螺栓需紧固,以保证接地电阻的要求。

      c.疏散平台底座板处的热镀锌扁钢与粱端部两护栏间的热镀锌扁钢连接带相连。

3.5焊接要求

      疏散平台角钢横梁、钢立柱、底座板三者需可靠焊接;底座板与底座板处热镀锌扁钢用螺栓固定,做防锈处理,并保持良好的电气通路。

3.6热镀锌扁钢的防锈处理

      高架桥梁上热镀锌扁钢的防锈处理方法如下:

      a.安装的扁钢需全部采用热镀锌方式,镀锌层重量不小于550g/m²,即镀锌厚度大于等于100μm;安装孔需先开孔后,再进行热镀锌处理,螺栓固定处、焊接处采用与下文b中相同的工

艺。

      b.防锈工艺:每年热镀锌扁钢锈蚀的部分采用钢丝刷刷净锈迹,除锈后刷铁红防锈漆两道,每道漆膜厚度不小于40μm;然后再刷银粉面漆两道,每道漆膜厚度不小于40μm。

3.7防雷计算

      采用滚球法进行防雷范围计算。由于高架桥的对称结构,仅对高架桥左侧的防雷范围进行计算。左侧桥翼避雷带和中间疏散平台角钢横梁可以等效为两个不等高避雷针的保护范围。经校核,高架桥面及其桥面设施均处于两避雷针的保护范围之内。打雷时,维修人员应不去区间进行维修。如已在区间,又无法迅速到达车站或地面时,可躲在疏散平台下,并应设法尽早离开。

       高架区间防雷立面图见图3。

4其他注意要点

4.1屏蔽设计

      弱电设备机房内磁场干扰强度不能满足不大于800A/m的要求时,需采用一定规格的屏蔽网格对设备机房内空间进行屏蔽。屏蔽网格暗敷于设备机房墙体内,采用25mm×4mm紫铜带或直径不小于Ф10的圆钢。计算磁场干扰强度的公式为:Hl=i/(2πSa)(A/m)。其中i为引下线中的分雷电流强度(A);Sa为所考虑点至引下线的水平距离(m)。

4.2等电位联结

      应根据弱电系统的工作方式、工作频率及接地要求,分别选择S型、M型或其组合型等电位联结网络,将系统内的金属部件等电位联结,并良好接地。

4.3防雷电波侵入与电涌保护器SPD设计

      为防止雷电波侵入,凡进入车站主体建筑的铠装电缆金属外皮、金属线槽和金属管道应就近与防雷接地装置连接并接地;距离车站100m内的架空金属管道,应每隔25m左右接地一次,其冲击接地电阻不大于10Ω;变压器高、低压侧各相分别装设适配的SPD。

      低压系统安装三级SPD,通流量分别为100kA、50kA、15kA(8/20μs)。各级SPD的电压保护水平应满足设备最低耐压水平要求,且留有20%裕量。为确保安全,第一级为开关型,其余两级为限压型。

4.4合理布线

      为了避免在线路敷设过程中产生较大的环路,导致因环路感应产生较高的过电压、过电流而损坏设备,应采用合理的布线方式。

      车站内敷设的各种电力电缆、通信、信号电缆、控制电缆等敷设时宜避开防雷引下线等LEMP(雷击电磁脉冲)强的区域,无法避开时,应采用屏蔽措施。为避免干扰,电力电缆与通信、信号电缆、控制电缆等应分开敷设。

4.5施工安全指导

      a.设计应科学指导施工。

      b.广州地区的雷暴高发期是每年的5~8月,雷电活动主要集中在午后的13~22时,14~20时最强烈。

      c.通过合理安排工期,尤其是高空作业、弱电系统的安装、调试都应避开雷暴高发期和时段。如应将施工安排在每日12时之前。

      d.施工现场需采取可靠的防雷措施。

      e.重大天气变化,要实施雷电预警。

      f.总体目标是施工阶段的雷灾危险度降低到1‰以下。

5总结

      广州地铁四号线工程高架段运营已近半年,期间未发生任何雷击引起的安全事故,因此笔者认为广州地铁的防雷做法还是很完善的。当然广州地铁四号线高架防雷要求是考虑了技术和经济的最大效益,根据国内防雷规范标准制定的,但需要说明的是,超出规范范围的雷击损坏也是可能存在的。