鍍銅鋼系列
合金接地極
鍍錫銅系列
鋅包鋼系列
放熱焊接系列
石墨烯系列
接地五金件摘要:本文根據軌道交通實際工程經驗，闡述了典型高架車站綜合接地及防雷具體設計方案，同時結合實際工程綜合接地及防雷設計及施工中可能出現的問題，對相關工程綜合接地及防雷設計及施工提出幾點建議。
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關鍵詞:城市軌道交通;地面車站;綜合接地;防雷;設計
中圖分類號:TU856文獻標識碼:A文章編號:2095-2104(2013)
引言
隨著城鎮化不斷擴大，我國大型城市交通的客運量急劇上升，為了解決市區交通堵塞及安全、行車速度下降、能源危機和環境污染等問題，像北京、上海、廣州等一線城市逐步將城市人口向郊區疏散。為配合城市的發展，原本在城市中心的軌道交通也逐步向城市郊區延伸，在城市郊區，軌道交通也由地下線路逐漸過渡為地面或高架線路。
對于城市中心的地下軌道交通，由于地面高層建筑的存在，一般對防雷不做要求，車站綜合接地系統滿足設備安全及工作接地即可，但對于軌道交通地面車站，綜合接地及防雷設計是否合理將直接影響到整座車站乃至整條軌道交通線路供電可靠性及安全性。
防雷設計
防雷設計可分為外部防雷和內部防雷兩部份。外部防雷主要作用是為了保護設施或建筑物免受直擊雷的危害;內部防雷則主要是為了防止雷電波侵入、雷電感應過電壓及地電位反擊。
1.建筑物年預計雷擊次數
城市軌道交通地面車站屬于人員密集的公共建筑物，按規范要求需要計算年預計雷擊次數，以確定按哪類建筑物進行防雷設計。車站等效面積如下圖:
車站等效面積圖
L、W、H--分別為車站的長、寬、高(m)。
以北京地鐵15號線一期工程高架站國展站為例，車站長L=120米、寬W=21米、高H=16米。
建筑物年預計雷擊次數應按下式確定:
N=kNgAe(1)
Ng=0.024T1.3d(2)
Ae=[LW+2(L+W)·+πΗ(200-H)]·10-6(3)
式中:N-建筑物年預計雷擊次數(次/a);
k-校正系數，在一般情況下取1;
Ng-建筑物所處地區雷擊大地的年平均密度(次/km2/a);
Ae-與建筑物截收相同雷擊次數的等效面積(km2);
Td-年平均雷暴日(北京地區Td=40)
將參數代入公式(1)、(2)、(3)，經計算N=0.156，按規范要求地鐵地面車站應按第二類建筑物進行防雷設計。
2.外部防雷
外部防雷的主要措施包括在車站建筑物上設置防雷接閃器、引下線、接地裝置。
(1)防雷接閃器
防雷接閃器是直擊雷的防護措施中的一個重要環節，其作用是接引雷電流，通過引下線和接地裝置向大地中泄放雷電流，以保護設施或建筑物免受雷電侵害，其類型包括避雷針、帶、線等，對于地鐵地面站防雷接閃器主要是在整個車站頂部屋面設置組成不大于10m×10m或12m×8m的防雷網格，防雷網格可選用銅、鋁合金、鋁或不銹鋼。對于軌道交通項目而言，一般選用Φ10或Φ12圓鋼。若車站為金屬屋面，則可以直接利用金屬屋面作為防雷接閃器。
北京地鐵15號線一期工程高架國展站頂棚即為金屬頂棚，在防雷設計時直接利用金屬屋面作為防雷接閃器，金屬屋面與鋼立柱可靠焊接。若金屬屋面有天窗等金屬構件，則金屬構建應與屋面牢固焊接，采用25×4(mm)的不銹鋼帶焊接。車站立面圖如下圖:
車站立面圖
(2)防雷引下線
防雷引下線是連接接閃器和接地裝置的金屬導體，將避雷針或避雷帶接收的雷電流引向接地裝置的導體，以保護建筑物或設施免受雷害。按照材料可以分為:鍍鋅防雷引下線和鍍銅防雷引下線、銅材防雷引下線(此引下線成本較高，一般不采用)、超絕緣防雷引下線。
在軌道交通行業中，防雷引下線一般采用鍍鋅圓鋼或扁鋼，但多采用鍍鋅圓鋼。
防雷引下線敷設方式有兩種，一種是專設防雷引下線應沿建筑物外墻外表面明敷，一種是利用建筑物的鋼梁、鋼柱、消防梯等金屬構件以及幕墻的金屬立柱作為防雷引下線。明敷的防雷引下線一般采用圓鋼或扁鋼組成，如有腐蝕性場所應當適當增大截面積。沿建筑物的外墻敷設時，敷設路線應盡量短而直，應固定牢固，固定支點不應大于1.5至2米。在地面連接處可用鋼管穿管的辦法，以防止外物對引下線的機械損傷和防腐蝕。為了檢查測量的方便，一般在離地面1.5只1.8米處須設置斷接卡。
北京地鐵15號線一期工程由于高架車站屋面為金屬屋面，且金屬屋面通過鋼立柱與站臺層連接，所以直接利用鋼立柱作為車站防雷引下線。按規范要求，第二類防雷建筑物防雷物防雷引下線間距不大于18米，但北京地鐵15號線高架車站柱網間距一般大于9米，所以每個鋼立柱都作為防雷引下線。
在有鋼立柱的站臺地面處預留2根接地螺栓，待車站鋼立柱就位后，將鋼立柱與接地螺栓可靠焊接。車站站臺預留的接地螺栓與車站框架柱中選取的接地鋼筋可靠焊接，接地螺栓及鋼筋焊接示意圖如下:
接地螺栓及鋼筋焊接示意圖
(3)接地裝置
接地體包括接地裝置和裝置周圍的土壤或混凝土，它的作用是把雷擊電流有效地泄入大地。良好的接地可以避免地電位反擊。
現在常用的接地裝置有水平接地極、垂直接地極、延長接地極和基礎接地極。目前軌道交通一般都是利用車站基礎內的結構鋼筋作為自然接地體，另外在變電所周圍敷設人工接地體，自然接地體與人工接地體連接，構成統一的接地裝置。接地裝置的接地電阻不大于0.5Ω。當接地不能滿足要求時，可采用環形接地極組和放射形接地極組的辦法。對于土壤電阻較高的地區或車站，一般接地方式很難達到接地設計要求，對于這種情況，可采用人工辦法來減小接地土壤的電阻率，即用換土法或化學處理法，從軌道交通工程的長遠性考慮，宜采用換土法。
3.內部防雷
內部防雷的主要措施包括屏蔽、設置避雷器、等電位連接。
屏蔽的作用是防止建筑物內的電力設施遭受雷電感應的危害。主要做法是利用結構鋼筋，包括柱子、梁、板內的鋼筋，相互連接，共同構成一個網籠，實現屏蔽。
對于從建筑物外來的電力設施，在電力設施與接地裝置之間設置避雷器，當雷電過電壓波沿電力設施進入建筑物時，利用避雷器的特性，使雷電流分流入地，并限制過電壓。
等電位連接是使建筑物內的各個部位都形成一個相等的電位，建筑物內不會產生不同的電位，保證建筑物內不會產生危及人身安全的接觸電壓或跨步電壓。
綜合接地設計
北京地鐵15號線一期工程高架車站利用結構鋼筋作為自然接地體，并在車站變電所周圍設置輔助人工地網，自然接地網與人工接地網可靠連接，組成綜合接地網。綜合接地網如下表:
1)、自然接地網
每個結構樁鋼筋籠放進樁孔前(包括車站主體的結構樁)選擇6根均勻分布在外側的縱向通長鋼筋作垂直接地體，并用橫向箍筋不大于2m的間距與該鋼筋籠各垂直接地體焊接，保證電氣連通。
樁基中用作垂直接地體的主筋與承臺主筋網焊接，每根樁基每根垂直接地體至少有一點與承臺鋼筋網可靠焊接。選擇地梁上側兩條主筋作水平接地體，選取的鋼筋與承臺鋼筋網可靠焊接，同時，用作防雷引下線的柱內兩根主筋與承臺鋼筋網可靠焊接。樁基、承臺及地梁鋼筋焊接圖如下:
樁基、承臺及地梁鋼筋焊接圖
2)、人工接地網
在高架車站變電所周圍設置輔助人工接地網，人工接地網由水平接地體和垂直接地體構成。為確保車站整個地網等電位，水平接地體與自然接地體在墻面預埋的接地扁鋼可靠焊接，人工接地網與自然接地網焊接點不少于2處。人工接地網平面圖如下:
人工接地網平面圖
對于北京地鐵15號線一期工程中接地裝置采用焊接連接，其搭接長度應符合下列規定:
a.扁鋼與扁鋼搭接為扁鋼寬度的2倍，不少于三面焊接;
b.圓鋼與圓鋼的搭接為圓鋼直徑的6倍，雙面焊接;
c.圓鋼與扁鋼搭接為圓鋼直徑的6倍，雙面焊接;
d.扁鋼和圓鋼與鋼管、角鋼、互相焊接時，除應在接觸部位兩側施焊外，還應增加圓鋼搭接件;
e.所有焊縫應平整、光滑，并應做防腐處理。
(3)綜合接地
由于不同工程接口劃分不一致，綜合接地及防雷設計方案也存在差異。有的工程只需要綜合接地設計專業在車站站臺板下設置總接地母排，其它設備專業自行設計本專業接地，并考慮本專業接地電纜路由;而有的工程需要綜合接地設計專業將接地電纜送至各設備專業房間，并在設備專業房間內設置接地母排。
根據北京地鐵15號線一期工程綜合接地及防雷設計接口劃分，由綜合接地及防雷設計單位將接地電纜送至各設備專業房間，并在設備專業房間內設置接地母排。由于15號線為高架島式車站，防雷與綜合接地共同設置一綜合接地網。在各設備房間內預埋接地鋼板，接地鋼板與結構鋼筋可靠焊接，用于各設備專業接地。各設備房間接地鋼板焊接圖如下:
接地鋼板焊接圖
綜上，北京地鐵15號線車站綜合接地及防雷是利用金屬屋面作為防雷接閃器，利用鋼立柱及機構鋼筋為防雷引下，樁柱、承臺及結構底梁鋼筋作為自然接地網。自然接地網和人工接地網構成綜合接地網，系統圖如下:
車站綜合接地及防雷系統圖
工程問題及建議
車站綜合接地及防雷施工一般都是由車站土建施工單位施工，但北京地鐵15號線綜合接地由供電專業施工，但車站防雷部分的自然地網利用的是結構鋼筋，設備施工單位無法施工，只能由車站土建施工單位焊接鋼筋和預埋接地鋼板。針對北京地鐵15號線綜合接地及防雷在設計及施工工程中出現的問題，提出以下幾點建議。
1、要求車站土建施工單位嚴格按圖施工，避免忘記預埋接地鋼板、接地預埋鋼板埋設位置不對，或接地預埋鋼板埋在墻面以內的情況，以至于設備在把人工地網與鋼板焊接時找不到預埋鋼板。
2、由于兩個施工單位一起做綜合接地及防雷，責任劃分和任務分工一定要明確，避免出現同一件事情雙方爭著做或雙方都不做的情況。如要明確人工地網與自然地網的連接由哪個來施工單位施工以及具體連接方式，并要明確屋面防雷接閃器由哪個施工單位來施工
3、綜合接地及防雷總電阻要求不大于0.5歐姆，為避免后期施工方的爭議，建議人工地網和自然地網分開測量接地電阻值，在分別滿足要求的情況下再合起來測量一個總的電阻值，達到最終接地電阻值要求。
綜合接地及防雷是個完全隱蔽的工程，在設計前期就需要考慮到后期施工過程中可能出現的問題，特別是綜合接地與防雷設計由兩個施工單位來完成的情況下，更應該分清兩個施工單位的施工分界及接口，只有明確兩個施工單位的分工后，才能各盡其責共同把綜合接地與防雷這項工程做好。
土建施工專業和設備施工專業只有嚴格按圖施工、互相協作，才能把防雷及綜合接地這項工程做好。
結束語
軌道交通是客流量較大的公共交通，來往的乘客較多，確保乘客的安全及軌道交通的正常運行極為重要。車站綜合接地及防雷設計是否合理及施工是否到位將直接影響乘客安全及軌道交通的正常運行。
本文結合北京地鐵15號線工程，對綜合接地及防雷設計方案、設計注意事項、施工中可能出現的問題及工程建議進行簡單闡述，希望在后期類似工程設計中起到拋磚引玉的作用。
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