防雷及接地設計

作者：謝寶軍 劉立峰 吳歆彥

解讀《鐵路防雷及接地工程技術規范》的防雷及接地設計，主要包括一般規定、建筑物防雷、設備及設施物防雷、接地及等電位連接等內容。

1概述

《鐵路防雷及接地工程技術規范》中第二部分工程設計章節包括“防雷及接地設計”和“綜合接地設計”２節內容，本篇重點對“防雷及接地設計”的規定進行解讀。

“防雷及接地設計”一章是在認真總結近年來鐵路工程建設實踐和運營管理經驗基礎上，參考了《建筑物防雷設計規范》（ＧＢ　５００５７－２０１０）、《建筑物電子信息系統防雷技術規范》（ＧＢ　５０３４３－２０１２）、以及《雷電防護》（ＧＢ／Ｔ　２１７１４－２０１５）等相關標準修編而成，主要對鐵路地區雷暴日等級劃分、防雷建筑物的分類、建筑物雷電防護區劃分、電子信息設備雷電防護等級分類、建筑物防雷設計、構筑物防雷設計、設備及設施防雷設計、接地及等電位連接設計等內容進行了闡述。

相對于《鐵路防雷、電磁兼容及接地工程技術暫行規定》（鐵建設［２００７］３９號）中“防雷設計”節，本規范修訂了鐵路建筑物及電子信息系統雷電防護等級劃分的原則和建筑物內電氣裝置接地及等電位連接設計；補充完善了電子信息系統設備房屋室內屏蔽網設計；增加了接觸網防雷設計；提出了獨立設置的信號設備房屋外部雷電防護措施等，同時弱化了雷電防護規范之間共性標準的規定。

2一般規定

２．１　鐵路綜合防雷措施

本規范第３．１．２條給出了鐵路綜合防雷措施的組成內容，如圖所示。

圖１　鐵路綜合防雷措施 

雷電發生時，在建筑物內電氣及電子信息設備上產生瞬態沖擊過電壓的傳導路徑一般有３種：一是當遠處發生雷擊時，雷電產生的瞬態電磁場在線路上感應，產生瞬態沖擊過電壓，沿著電源線和信號線傳至建筑物內設備上，導致設備損害失效；二是當雷擊建筑物時，在防雷引下線周圍產生瞬變電磁場，它直接在建筑物內部設備和線路上感應產生瞬態沖擊過電壓而擊壞設備；三是因接地裝置的電阻性耦合和磁場耦合，雷電沖擊過電壓沿線路傳導至鄰近建筑物內而導致設備損壞。因此，針對以上雷電瞬態過電壓產生的機理，鐵路建筑物雷電防護應采取外部和內部防雷措施，即分流、屏蔽、等電位連接、接地、正確布線，以及線路上安裝適配的浪涌保護器（ＳＰＤ）等。

２．２　鐵路地區雷暴日等級及鐵路建筑物雷電防護區（ＬＰＺ）劃分

第３．１．３條“鐵路地區雷暴日等級劃分應符合《建筑物電子信息系統防雷技術規范》（ＧＢ　５０３４３－２０１２）的有關規定。”本條是對鐵路地區雷暴日等級劃分的規定。雷暴日是鐵路建筑物、構筑物防雷分類和采取適宜防雷措施的重要參數，是對地區雷害概率的宏觀數據。根據ＧＢ　５０３４３－２０１２的規定，按照地區年平均雷暴日數，將雷暴日等級劃分為少雷區、中雷區、多雷區、強雷區４個等級。鐵路地區的年平均雷暴日數則以氣象部門公布的數據為準。

第３．１．５條“鐵路建筑物雷電防護區（ＬＰＺ）劃分應符合《建筑物電子信息系統防雷技術規范》（ＧＢ　５０３４３－２０１２）中的有關規定。”本條是對鐵路建筑物雷電防護區劃分的規定。防雷分區是將需要保護的空間劃分為不同的防雷區，以規定各部分空間不同的雷擊脈沖磁場強度的嚴重程度和明確各區交界處的等電位連接點的位置。通常防雷區的數值越高，其電磁場強度越小。雷電防護區按照雷電嚴重程度和該空間內部設備的耐受水平進行劃分。在鐵路建筑物防雷設計中，雷電防護區劃分為ＬＰＺ０Ａ、ＬＰＺ０Ｂ、ＬＰＺ１、ＬＰＺ２～ＬＰＺｎ，其中，前二者區域受直接雷擊和全部雷電電磁場威脅，ＬＰＺ０Ｂ內部系統受雷電浪涌影響的程度小于ＬＰＺ０Ａ；后續防雷區不受直接雷擊，可通過空間屏蔽使雷電電磁場進一步遞減。

２．３　鐵路防雷建筑物的分類

第３．１．４條規定了鐵路防雷建筑物的分類，除應符合ＧＢ　５００５７－２０１０的有關規定外，針對鐵路特有的建筑物情況，增加了表１所述的內容。

表１　鐵路防雷建筑物的分類：

第一類：裝卸炸藥的站臺和儲存炸藥的倉庫

第二類：特大型、大型客運站站房及雨棚、鐵路通信、信號、信息、災害監測、車輛安全防范預警等電子信息設備房屋所屬的建筑物

第三類：中小型客運站站房及雨棚 

《雷電防護第２部分：風險管理》（ＧＢ／Ｔ２１７１４．２－２０１５）規定，在防雷工程設計時應通過風險評估來確定是否需要采取防護措施，以及防護程度。ＧＢ／Ｔ　２１７１４．２－２０１５的做法很復雜，需結合我國歷史以來的損失數據，并建立數學模型。但ＧＢ／Ｔ　２１７１４．２－２０１５也規定了“當預期風險無法預測時，可直接決定采取各種防雷措施，而不用考慮風險評估的結果”。目前我國工業和民用防雷建筑物的分類，執行的是ＧＢ　５００５７－２０１０標準，不考慮以風險評估作為分類的基礎，按照建筑物的重要性、使用性質、發生雷擊事故的后果確定。

在本規范的編寫中，鐵路防雷建筑物的分類也遵循了國內的普遍做法。根據ＧＢ５００５７－２０１０對防雷建筑物分類的有關規定，并結合鐵路工程建設實際經驗，鐵路防雷建筑物應按不同建（構）筑物的重要性以及雷擊后影響鐵路運輸的嚴重程度，劃分為３類；對于其他與鐵路相關的建（構）筑物，按照ＧＢ　５００５７－２０１０中的規定進行防雷建筑物分類。

鐵路建筑物外部防雷設計可根據以上分類，參照ＧＢ　５００５７－２０１０中一、二、三類防雷建筑物防雷措施的規定，采取不同的雷電防護措施。

２．４　鐵路電子信息設備雷電防護等級劃分

第３．１．６條規定了鐵路電子信息系統雷電防護等級劃分，如表２所述。在參照ＧＢ　５０３４３－２０１２劃分原則的同時，按照影響運輸效率及危及行車安全的程度來確定其等級，將其劃分為Ａ、Ｂ、Ｃ三級。其中，鐵路調度指揮中心、大型計算中心、樞紐通信站等作為鐵路運輸組織的中樞，信號設備作為列車“眼睛”的關鍵安全設備，將其列為Ａ 級進行雷電防護。

表２　鐵路電子信息系統防雷等級分類：

Ａ級

涉及行車安全及嚴重影響運輸效率的設備，包括調度指揮中心、大型計算中心、樞紐通信站、信號設備機房等內部的電子信息設備

Ｂ級

影響運輸效率的設備，包括中小型通信站、計算中心的設備，災害監測設備，車輛安全防范預警設備，車號自動識別設備等

Ｃ級除Ａ、Ｂ級以外為Ｃ級 

建筑物電子信息系統防護等級確定的方式主要有２種：一是按照防雷裝置的攔截效率確定；二是按照電子信息系統重要性、使用性質和價值確定。前者的計算涉及參數較多，對防雷資料數據準確性要求高，計算過程較為復雜。按照標準維護的通用原則，對于非常復雜的現象及資料數據不完整或難以保證準確的情況，盡可能避免采用復雜公式計算，造成虛假精度的結果，可采用常規的和近似的方法解釋或規定。

3建筑物防雷

第３．２．２條“獨立設置的信號樓或行車室、信號中繼站屋頂室外避雷網網格應不大于３ｍ×３ｍ。”

第３．２．４條“安裝有通信信號設備建筑物的專設引下線宜優先采用熱鍍鋅圓鋼，直徑應不小于１２ｍｍ；也可采用熱鍍鋅扁鋼，截面積不應小于１００ｍｍ２，厚度不應小于４ｍｍ。混凝土框架結構的建筑物可利用結構主筋作為自然引下線。”

對于信號中繼站、通信基站等區間設備房屋和車站行車室等獨立設置的設備房屋，占地面積較小，結構荷載要求較低，且一般為單層的磚混結構，也有少數鋼筋混凝土框架結構。對于磚混結構的設備房屋，因其四周結構柱內的結構鋼筋直徑較小，鋼筋密集度不夠，與其他鋼筋連接的表面積不滿足自然引下線的要求，且無法保證作為自然引下線時的電氣連續性，因此，對于第二類防雷建筑物的防雷須采用專設引下線的方式。

第３．２．２條規定了“獨立設備房屋防直擊雷的避雷網應為不大于３ｍ ×３ｍ 的網格”， 而ＧＢ５００５７－２０１０對第二類防雷建筑物的避雷網網格規定為不大于１０ｍ×１０ｍ 或１２ｍ×８ｍ。對于上述獨立設置的鐵路設備房屋，若按照ＧＢ５００５７－２０１０的規定設置避雷網，則不能形成有效的防護。因此，本規范對ＧＢ５００５７－２０１０中的第二類防雷建筑物的避雷網設計標準進行了提升。

第３．２．４條規定了專設引下線的材質和規格，宜采用直徑不小于１２ｍｍ 的熱鍍鋅圓鋼和截面積不大于１００ｍｍ２、厚度不小于４ｍｍ的扁鋼，其間距應符合ＧＢ５００５７－２０１０中第二類防雷建筑物專設引線間距的規定。當信號設備房屋采用綜合站房時，其土建結構一般為鋼筋混凝土框架結構。防雷引下線應首先利用鋼立柱、鋼筋混凝土柱子等全部鋼筋作為引下線。此做法開始階段成本較高，但在整個建筑物使用期內，不僅有良好的接地泄流效果，而且具有免維護、與建筑物同使用壽命及后期維護成本大幅降低等優點。

4設備及設施防雷

４．１　接觸網防雷設計

我國接觸網防雷技術均是參照電力系統的防雷技術措施，主要在重雷區、高架橋及隧道口等重點地段安裝氧化鋅避雷器，接觸網下錨絕緣子、分段絕緣子及復合棒形絕緣子等。但由于避雷器保護距離有限，對接觸網線路防雷效果不明顯。在防雷設計時，按照風險管理要求對保護對象進行風險評估，已成為雷電防護的最新趨勢。因此，需提出科學合理的接觸網防雷評估辦法及經濟可行的防雷措施和建議。

４．１．１　接觸網防雷情況評估方法

第３．４．２條“接觸網防雷應根據大地土壤電阻率、走廊沿線雷電分布、接觸網導體對地高度影響等因素，按照安全可靠、經濟適用原則實施差異化設計。”接觸網雷擊過電壓的產生途徑主要有３種，分別是雷擊附近物體產生的感應過電壓、雷擊導體接地部分產生的反擊過電壓和雷擊高壓導線時產生的繞擊過電壓。結合鐵路工程建設標準科研項目《鐵路防雷及接地工程有關技術標準》的成果：接觸網的耐雷水平的計算與以上３種過電壓的大小密切相關，其中高架橋的高度、支柱接地電阻、避雷線分流作用等是影響接觸網雷電過電壓最重要的因素。

通過以上３種過電壓的計算結果，可以對接觸網耐雷水平進行有效評估。本條規定了接觸網耐雷水平計算需考慮的幾個主要因素。

４．１．２　接觸網雷擊跳閘率評估

第３．４．３條“多雷區、強雷區的接觸網防雷設計應合理選擇防雷措施，并根據沿線雷暴日及各區段雷擊跳閘率綜合評估計算結果，按接觸網每百公里·年的雷擊跳閘次數限值分段設計。”結合鐵路工程建設標準科研項目《鐵路防雷及接地工程有關技術標準》的成果：雷暴日、回流線升高、屏蔽系數、耐雷水平等是影響接觸網跳閘率最重要的因素。通過給出接觸網雷擊類型與作用范圍，可以根據線路所處位置，計算其雷擊情況；再結合接觸網的耐雷水平計算結果，可以對接觸網線路雷擊跳閘率進行評估，從而選擇合理的防雷措施。本條對上述問題及跳閘率設計原則進行了規定。

４．２　電子信息設備房屋室內屏蔽網設計

第３．４．５條和第３．４．６條分別對新建房屋和既有改建房屋的屏蔽網設計標準，進行了原則性規定，并提出了不同于其他建筑物的定量指標。對于雷電電磁脈沖在電氣和電子系統上產生的瞬態沖擊過電壓，最基本的防護措施是磁屏蔽和協調配合的ＳＰＤ方式；而室內屏蔽網作為磁屏蔽最重要的措施之一，可以有效減少電磁場及內部系統電磁感應產生的浪涌過電壓。因為鐵路電子信息系統對于電磁環境要求嚴格，所以必須從屏蔽材料、可利用的金屬構件、網格寬度及屏蔽網等電位連接等方面綜合考慮。本規范結合近年來的工程建設經驗，對屏蔽網設計做出了規定：新建房屋采用格柵型空間屏蔽網；改建房屋采用金屬板型屏蔽網。各專業設備是否需要設計屏蔽網由各專業規范做出規定，即各專業需根據室內電子設備所處的電磁環境和設備本身所能承受的電磁干擾場強來確定。

４．２．１　屏蔽材料

屏蔽材料選用導磁率高的小密度金屬網、金屬板和混凝土內的結構鋼筋等。本規范總結了近年來鐵路信號等弱電設備雷電防護的工程經驗，提出了可實施的室內屏蔽網設計規定。新建建筑物應在前期設計階段，首先考慮利用其結構內的鋼筋網格作為主要屏蔽措施；既有房屋改建的建筑物，在墻面和頂面采用厚度為０．６ｍｍ的鍍鋅鐵板網格，在防靜電地板下敷設一層厚０．２ｍｍ、寬２０ｍｍ的銅箔帶，其網格大小同地板結構單元大小。

４．２．２　屏蔽網寬度

屏蔽網格的典型寬度一般為５ｍ，磁場強度可減少一半。對于鐵路綜合站房結構的自然構件，如金屬天花板、地板金屬構架、金屬屋頂等，與混凝土中重疊的鋼筋網格，共同構成有效屏蔽網格，寬度一般小于５ｍ，使得進入室內的磁場強度干擾大大降低。因此，對于電磁環境要求嚴格的鐵路電子信息系統，采用屏蔽網寬度為５ｍ 的低阻連接網格和網格內部設置的不大于６００ｍｍ×６００ｍｍ 的網格，能夠起到有效的防護作用。

４．２．３　屏蔽網等電位連接

接地裝置和連接網絡構成一個完整的接地系統。第３．４．５條第４款和第３．４．６條第４款都規定了屏蔽網需與建筑物內部及建筑物上的金屬構件，如金屬門窗框架、金屬屋頂、防靜電地板金屬網格等進行多重連接，同樣需對接地端子板、接地裝置等進行類似的連接，使其構成一個電氣連接的低阻抗網格狀結構，對于最大程度上降低電位差和減少磁場強度起到了很好的防護作用。

5接地及等電位連接

第３．５．２條“設備的接地引入線、接地干線或等電位連接帶不應與防雷引下線直接共用，并避免從防雷引下線所在的建筑物結構柱引入。”本條規定了接地線和等電位連接帶與防雷引下線等電位連接的要求。雷擊建筑物時，雷電流經引下線泄入大地，因雷電流為非周期脈沖波形，它會在引下線上產生強大瞬變電磁場。如果建筑物內部電氣及電子信息設備離引下線較近，會在設備上感應產生沖擊過電壓，導致設備失效。為減少因雷電流產生的電位差和避免不同部件間出現危險火花，接地線和等電位連接帶不應直接從引下線引入，設備及線路應與引下線保持一定間隔距離（電氣貫通的鋼筋混凝土框架結構的建筑物除外），防雷引下線與建筑物內部系統等電位連接應在建筑物基礎或接近地平面位置。

第３．５．７條“應利用鐵路建筑物內部或建筑物上的金屬部件進行多重等電位連接，組成網格狀低阻抗等電位連接網絡，并與接地裝置電氣連接。”本條規定了接地裝置應與建筑物內部的金屬部件進行多重連接。隨著計算機電子信息技術的發展，綜合站房內不僅有電氣系統，而且還有眾多重要的電子信息系統，如涉及行車安全的調度集中、計算機聯鎖、列控系統等信號設備。在有電子系統的建筑物內接地應采用網狀方式，并與建筑物內部搭接網絡電氣連接，使高頻信息設備功能性接地，以最短路徑連接至等電位網絡。

6小結

《鐵路防雷及接地工程技術規范》為國家鐵路局鐵道行業標準，作為雷電防護系列標準規范的組成之一，規定的鐵路防雷建筑物分類、分區、分級與ＧＢ　５００５７－２０１０和ＧＢ　５０３４３－２０１２等其他現行標準的規定相統一，主要差異反映在鐵路特有的接觸網防雷、室內屏蔽網、獨立設備房屋防雷措施等內容上。本篇關于鐵路防雷接地設計的解讀，是在編制過程中對相關標準和工程技術經驗的總結，以助于本規范在鐵路工程建設中的應用。

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