现代有轨电车车辆检修基地综合楼雷电防护措施分析

周雪君 陈吉艺 魏雪

摘  要：目前我国缺乏专门针对有轨电车的防雷技术规范，本文以我市待建的现代有轨电车一期工程T1线车辆检修基地综合楼为研究背景，利用雷电监测数据对项目地周围的地闪特征进行了分析。在此基础上结合项目地所处的地质条件及工程实际，通过对年预计雷击次数N1及防雷装置拦截效率E的估算，得出综合楼为第三类防雷建筑物，楼内弱电系统雷电防护等级为B级。最后，结合综合楼的结构特点、项目地周围地闪强度累积概率分布以及综合楼内弱电设备的布设情况，按照现代综合雷电防护理论，从接闪、引下、泄流入地、等电位连接与接地、屏蔽与合理布线、合理安装电涌保护器等方面提出了具体的防护措施、思路及方法。

关键词：有轨电车;基地综合楼;弱电设备;雷电灾害;防护技术;分析

引言

车辆基地是现代有轨电车的大本营。其中，基地内的运用库、联合检修库、洗车加砂库主要承担电车的停放、检修、保养、一般故障处理等工作。综合楼内的智能化集成系统是维系有轨电车正常运营及安全通行的中枢神经。一旦遭受雷击将危及有轨电车的正常运行，严重的会造成人员伤亡和经济损失，因此，对车辆检修基地综合楼的雷电防护显得尤为重要。下面以本市待建的现代有轨电车一期工程T1线车辆检修基地综合楼为研究背景，对其雷电灾害的防护措施作一简要分析。

1项目概况

现代有轨电车T1线全长18.5km。车辆检修基地于位于 T1 线中部接轨于正线应家山站。综合楼位于检修基地西侧，长175m，宽31 m，高33 m。地下一层设一座 10kV 降压跟随变电所，为基地内的动力照明提供全部电源，首层设有弱电设备机房及消防控制室，二层设有大楼弱电设备用房、培训室、弱电综合电源室、票务用房、系统维护管理用房，五层为调度中心对本线列车运行、电力供应、防灾报警和设备监控、票务等实行统一调度指挥。

2项目地周围地闪特征分析

选取车辆检修基地区块中心位置（28.681269°N，121.370937°E）为参考点，统计该参考点周围10km范围内的雷电数据。根据浙江省雷电监测定位系统（台州市终端）数据统计分析，近十四年（2007～2021年）该项目区块10km范围内年平均地闪密度Ng为4.33次/（km2·年），最大正地闪强度为209.2 kA，最大负地闪强度为325.29 kA，平均正地闪强度为26.45 kA，平均负地闪强度为30.36 kA，其地闪次数及地闪强度累积概率分布如图1所示。从图1中可以看出90%的雷电流强度≤50.7 kA，95%的雷电流强度≤62kA，99%的雷电流强度≤102kA。

3防雷类别划分和楼内弱电系统雷电防护等级的估算

3.1综合楼防雷类别划分

建筑物防雷类别根据其重要性、使用性质、遭雷击的可能性（年预计雷击次数N1）和后果，进行划分。年预计雷击次数按下式计算[1]：

N1=k×Ng×Ae                     式（1）

式中：k为校正系数。这里k取1; Ng为年平均地闪密度（次/km2·年）; Ae为与建筑物截收相同雷击次数的等效面积（km2）。

根据工程设计提供的尺寸，按照规范[1]附录A公式A.0.3-2及式（1）计算可得，综合楼年预计雷击次数N1=0.23（次/年），根据《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）3.0.4条第3款可知，综合楼为第三类防雷建筑物。

3.2电子电气系统雷电防护等级的估算

⑴入户设施年预计雷击次数N2的计算。

入户设施年预计雷击次数N2与入户设施截收面积有关。入户设施截收面积A’ e=A’ e1+A’ e2，其中，A’ e1、A’ e2分别为电源线缆、信号线缆入户设施的截收面积（km2）。根据工程实际综合楼内的电源线、信号线均为埋地引入。其中，供电电源为高压电缆埋地引入至地下一层10kV 降压跟随变电所内，埋地长度L取1000m。本项目地1.5m以下土壤主要成分为粘土，土壤电阻率ρ取100Ω.m。按照GB50343-2012附录A表A.1.4及公式N2=k×Ng×A’ e计算可得：综合楼A’ e=0.21km2，N2=0.9093次/年·km2。

⑵可接受的最大年平均雷击次数Nc的计算。根据工程实际综合楼C因子取值为10.2，则Nc=5.8×10-1/C=0.0569。

⑶由以上计算结果可得拦截效率E=1-Nc/（N1+N2）=0.95。由GB50343-2012第4.2.5条可知：综合楼内弱电系统雷电防护等级为B级。

4综合楼直击雷防护

综合楼为钢筋混凝土框架结构钻孔桩基础，屋面为钢筋混凝土结构外包铝镁锰板保温隔热构造，表面层铝镁锰板厚度为1mm。其防护措施如下：①利用自身金属屋面作为接闪器。②利用综合楼地梁上、下层二根Φ≥16的主筋作为水平接地体（若无地梁时，采用二根Φ≥16的热镀锌圆钢），利用部分桩内两条主钢筋作为垂直接地体，水平接地体与垂直接地體通过承台钢筋相互连通组成基础接地网，其接地电阻按接入设备中要求的最小值确定，一般不大于1Ω[2]。③在综合楼阳角及外墙四周利用建筑物柱内两根大于Φ16 mm主钢筋作为引下线，平均间距≤25m。

5综合楼弱电系统雷击电磁脉冲的防护

5.1综合楼内各设备等电位连接和接地

根据综合楼内各设备分布情况，具体措施如下： ⑴在地下一层10kV 降压跟随变电所内设置总等电位接地母排BME，从基础接地网中引出若干根接地引出线（P1～6）与总等电位接地母排BME电气连接。同时，将变配电设备的金属外壳、变压器中性点、电缆的金属外皮、电缆金属桥架、电源PE线等正常情况下不带电的金属物与总等电位接地母排电气连接。⑵在综合楼雷电防护区（LPZ0区与LPZ1区）的界面处预计有金属管线出入的地方，设置金属管线接地母排（PSCE）。从基础接地网中引出2根接地引出线（P7-8）与金属管线接地母排（PSCE）电气连接。⑶在综合楼东、西2组强（弱）电间内分别设置1条竖向接地干线，从基础接地网中引出2组接地引出线（P9～12），其中，P9、P11与强电间内竖向接地干线电气连接，P10、P12与弱电间内竖向接地干线电气连接。同时，在每层强（弱）电间内设置水平等电位接地母排（PCE、WCE），并与强（弱）电间内竖向接地干线、楼板钢筋或圈梁钢筋作等电位连接。⑷在首层弱电综合机房及消防控制室，二层大楼弱电设备用房、培训室、弱电综合电源室、票务用房、系统维护管理用房，五层调度中心等设备用房内设置局部等电位接地母排BLE或局部等电位接地网，同时，分别与本层强、弱电间内的接地母排（PCE 、WCE）连接;对于一层弱电综合机房、二层大楼弱电设备用房、五层调度中心等工作频率为MHz级的数字线路大型机房，采用M型等电位连接方式 [3]。⑸机房内的设备外壳、机柜、支架、桥架、电源PE线、各种屏蔽体等金属组件与局部等电位接地母排BLE或网连接。（如图2）

5.2屏蔽与合理布线

⑴空间屏蔽

研究表明当磁场强度大于5.6 A/ m时，计算机系统工作处于混乱状态;当磁场强度大于191 A/m时，就会产生永久性损坏[4]。按最坏情况考虑，当雷电直击建筑物时，雷电流在室内空间LPZ1及后续LPZn区内产生的磁场强度H1、Hn按以下公式计算[5]：

H1= kH· I0· w /（ dw· ）              式⑵

Hn=Hn-1/10SF/20                                                      式⑶

式中：kH为形状系数，取kH=0.01（1/ ）;I0为雷电流最大值（A）;w为屏蔽网格宽度（m）; dw为所确定的点至LPZ1区屏蔽墙的最短距离（m）;dr为所确定的点至LPZ1区屏蔽顶的最短距离（m）;SF为LPZn区屏蔽体的屏蔽系数，其计算公式如下[5]：

SF=20·lg（8.5/w）                             式⑷

综合楼为钢筋混凝土结构，具有初级屏蔽效果，所有设备均处于LPZ1。以综合楼顶五层调度中心为例估算其空间中心点处的磁场强度H1，调度中心高6.5m，进深16.2m，柱间距8.1m，则空间中心点离顶的距离dr=3.25m，离外墙的距离dw=8.1m，屏蔽网格宽度w=8.1m，根据项目地雷电流累积概率分布情况，取I0=102 kA，按照式⑵计算可得H1=566.7（A/m），远大于191 A/m。在空间有限、设备布设位置相对固定的情况下，要使空间磁场强度处于5.6 A/ m，必须进行屏蔽。设备的金属外壳可以作为第二级屏蔽体，设H2=5.6 A/ m，按照式⑶⑷计算可得屏蔽网格宽度w=8.4cm。从以上分析可得，当设备金属外壳的网格宽度大于8.4cm时，调度中心四周应增加空间屏蔽体。

⑵线路屏蔽

所有与通信设备相连的电源、信号等线缆包括均需进行线路屏蔽，其屏蔽层均应在入户处接地，当信号线为光缆时，其光缆的接头、护层、挡潮层、加强芯等金属物均应在入户处直接接地。

⑶合理布线

在综合楼中心部位设置强、弱电井，电源线、信号线沿强弱电井分开敷设在各自的金属线槽或金属桥架内。机房内布设电源线、信号线走向时尽量减少由电源线、信号线形成的电磁感应环路面积。同时，信号线缆与防雷引下线、电力电缆、水管等各种金属管线按照规范分开一定距离布设[5]。

5.3合理安装及选择电涌保护器（SPD）

根据综合楼内供配电设备的布设情况及B级雷电防护等级的要求，电源SPD的安装位置及技术参数选取如下：①地下一层10kV 降压跟随变电所低压配电柜内装设第一级SPD，主要技术参数：Iimp≥15kA，Up≤2.5kV;②在各楼层动力配电箱、潜水泵配电箱、消防风机配电箱、屋顶消防风机配电箱、屋顶稳压泵配电箱、屋顶动力配电箱、弱电综合电源室、培训室等二级配电箱内装设第二级SPD，主要技术参数：In≥30kA，Up≤2.0kV;③在弱电机房、消控室、调度大厅、电梯机房、票务系统等电源配电箱内装设第三级SPD，主要技术参数：In≥5kA，Up≤1.2kV;④对于特殊需要保护的信息设备电源终端箱内装设第四级SPD，Up≤0.8Uw[6]。同一线路上安装的电涌保护器应注意能量上的配合，前后级之间保持一定的线路长度[7]。

信号系统：SPD宜安装在信号线入户处或被保护设备的信号端口上。其技术参数根据线路的工作频率、工作电压、传输速率、传输带宽、接口形式、特性阻抗等进行合理选择。电压保护水平Up应低于被保护设备绝缘耐冲击电压Uw。（这里不作分析）

6结束语

本文利用浙江省雷电监测定位系统对我市待建的现代有轨电车一期工程T1线车辆检修基地综合楼周围的地闪特征进行了分析，按照现代综合雷电防护理论对车辆检修基地内综合楼的雷电防护进行了具体分析研究，得出以下结论：

⑴根据项目地所处的地质条件、综合楼的建筑规模，以及强弱电线缆的入户方式，通过对年预计雷击次数N1及防雷装置拦截效率E的估算，得出綜合楼为第三类防雷建筑物，楼内弱电系统雷电防护等级为B级。

⑵根据第三类防雷建筑物的防护要求，结合综合楼的结构特点，从接闪、引下、接地散流三方面对综合楼的直击雷防护措施提出了具体的方案。

⑶根据项目地周围地闪强度累积概率分布以及综合楼内弱电设备的布设情况和B级雷电防护等级的要求，从等电位连接和接地、屏蔽与合理布线、安装合适的电涌保护器等三方面对弱电系统设备雷击电磁脉冲的防护措施进行分析，提出了具体的防护思路及方法。

参考文献：

[1]GB50057-2010建筑物防雷设计规范[S].

[2]JGJ16-2008民用建筑电气设计规范[S].

[3]GB50174-2017数据中心设计规范[S].

[4]张鹃，林卓宏，严金芳.超高层电梯机房防雷区磁场强度分析及防御技术[J].气象科技，2014，42（5）：918-921.

[5]GB50343-2012建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].

[6]GB/T21431-2008 建筑物防雷装置检测技术规范[S].

[7]陈军.电气系统中电涌保护器的雷电流能量配合设计[J].气象科技，2007，35（5）：723-726.

作者简介：

周雪君，女（1964.12），汉族，浙江台州人，本科学历，职称：高级工程师，研究方向：雷电防护技术及雷电灾害风险评估

陈吉艺，女（1991.12），汉族，浙江台州人，本科学历，职称：工程师，研究方向：交通工程设计

魏雪，女（1985.10），汉族，黑龙江绥化人，研究生学历，职称：工程师，研究方向：雷达在短时强对流天气上的应用

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