防雷及接地设计
作者：谢宝军 刘立峰 吴歆彦
解读《铁路防雷及接地工程技术规范》的防雷及接地设计，主要包括一般规定、建筑物防雷、设备及设施物防雷、接地及等电位连接等内容。
1概述
《铁路防雷及接地工程技术规范》中第二部分工程设计章节包括“防雷及接地设计”和“综合接地设计”２节内容，本篇重点对“防雷及接地设计”的规定进行解读。
“防雷及接地设计”一章是在认真总结近年来铁路工程建设实践和运营管理经验基础上，参考了《建筑物防雷设计规范》（ＧＢ ５００５７－２０１０）、《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（ＧＢ ５０３４３－２０１２）、以及《雷电防护》（ＧＢ／Ｔ ２１７１４－２０１５）等相关标准修编而成，主要对铁路地区雷暴日等级划分、防雷建筑物的分类、建筑物雷电防护区划分、电子信息设备雷电防护等级分类、建筑物防雷设计、构筑物防雷设计、设备及设施防雷设计、接地及等电位连接设计等内容进行了阐述。
相对于《铁路防雷、电磁兼容及接地工程技术暂行规定》（铁建设［２００７］３９号）中“防雷设计”节，本规范修订了铁路建筑物及电子信息系统雷电防护等级划分的原则和建筑物内电气装置接地及等电位连接设计；补充完善了电子信息系统设备房屋室内屏蔽网设计；增加了接触网防雷设计；提出了独立设置的信号设备房屋外部雷电防护措施等，同时弱化了雷电防护规范之间共性标准的规定。
2一般规定
２．１ 铁路综合防雷措施
本规范第３．１．２条给出了铁路综合防雷措施的组成内容，如图所示。
图１ 铁路综合防雷措施
雷电发生时，在建筑物内电气及电子信息设备上产生瞬态冲击过电压的传导路径一般有３种：一是当远处发生雷击时，雷电产生的瞬态电磁场在线路上感应，产生瞬态冲击过电压，沿着电源线和信号线传至建筑物内设备上，导致设备损害失效；二是当雷击建筑物时，在防雷引下线周围产生瞬变电磁场，它直接在建筑物内部设备和线路上感应产生瞬态冲击过电压而击坏设备；三是因接地装置的电阻性耦合和磁场耦合，雷电冲击过电压沿线路传导至邻近建筑物内而导致设备损坏。因此，针对以上雷电瞬态过电压产生的机理，铁路建筑物雷电防护应采取外部和内部防雷措施，即分流、屏蔽、等电位连接、接地、正确布线，以及线路上安装适配的浪涌保护器（ＳＰＤ）等。
２．２ 铁路地区雷暴日等级及铁路建筑物雷电防护区（ＬＰＺ）划分
第３．１．３条“铁路地区雷暴日等级划分应符合《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（ＧＢ ５０３４３－２０１２）的有关规定。”本条是对铁路地区雷暴日等级划分的规定。雷暴日是铁路建筑物、构筑物防雷分类和采取适宜防雷措施的重要参数，是对地区雷害概率的宏观数据。根据ＧＢ ５０３４３－２０１２的规定，按照地区年平均雷暴日数，将雷暴日等级划分为少雷区、中雷区、多雷区、强雷区４个等级。铁路地区的年平均雷暴日数则以气象部门公布的数据为准。
第３．１．５条“铁路建筑物雷电防护区（ＬＰＺ）划分应符合《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（ＧＢ ５０３４３－２０１２）中的有关规定。”本条是对铁路建筑物雷电防护区划分的规定。防雷分区是将需要保护的空间划分为不同的防雷区，以规定各部分空间不同的雷击脉冲磁场强度的严重程度和明确各区交界处的等电位连接点的位置。通常防雷区的数值越高，其电磁场强度越小。雷电防护区按照雷电严重程度和该空间内部设备的耐受水平进行划分。在铁路建筑物防雷设计中，雷电防护区划分为ＬＰＺ０Ａ、ＬＰＺ０Ｂ、ＬＰＺ１、ＬＰＺ２～ＬＰＺｎ，其中，前二者区域受直接雷击和全部雷电电磁场威胁，ＬＰＺ０Ｂ内部系统受雷电浪涌影响的程度小于ＬＰＺ０Ａ；后续防雷区不受直接雷击，可通过空间屏蔽使雷电电磁场进一步递减。
２．３ 铁路防雷建筑物的分类
第３．１．４条规定了铁路防雷建筑物的分类，除应符合ＧＢ ５００５７－２０１０的有关规定外，针对铁路特有的建筑物情况，增加了表１所述的内容。
表１ 铁路防雷建筑物的分类：
第一类：装卸炸药的站台和储存炸药的仓库
第二类：特大型、大型客运站站房及雨棚、铁路通信、信号、信息、灾害监测、车辆安全防范预警等电子信息设备房屋所属的建筑物
第三类：中小型客运站站房及雨棚
《雷电防护第２部分：风险管理》（ＧＢ／Ｔ２１７１４．２－２０１５）规定，在防雷工程设计时应通过风险评估来确定是否需要采取防护措施，以及防护程度。ＧＢ／Ｔ ２１７１４．２－２０１５的做法很复杂，需结合我国历史以来的损失数据，并建立数学模型。但ＧＢ／Ｔ ２１７１４．２－２０１５也规定了“当预期风险无法预测时，可直接决定采取各种防雷措施，而不用考虑风险评估的结果”。目前我国工业和民用防雷建筑物的分类，执行的是ＧＢ ５００５７－２０１０标准，不考虑以风险评估作为分类的基础，按照建筑物的重要性、使用性质、发生雷击事故的后果确定。
在本规范的编写中，铁路防雷建筑物的分类也遵循了国内的普遍做法。根据ＧＢ５００５７－２０１０对防雷建筑物分类的有关规定，并结合铁路工程建设实际经验，铁路防雷建筑物应按不同建（构）筑物的重要性以及雷击后影响铁路运输的严重程度，划分为３类；对于其他与铁路相关的建（构）筑物，按照ＧＢ ５００５７－２０１０中的规定进行防雷建筑物分类。
铁路建筑物外部防雷设计可根据以上分类，参照ＧＢ ５００５７－２０１０中一、二、三类防雷建筑物防雷措施的规定，采取不同的雷电防护措施。
２．４ 铁路电子信息设备雷电防护等级划分
第３．１．６条规定了铁路电子信息系统雷电防护等级划分，如表２所述。在参照ＧＢ ５０３４３－２０１２划分原则的同时，按照影响运输效率及危及行车安全的程度来确定其等级，将其划分为Ａ、Ｂ、Ｃ三级。其中，铁路调度指挥中心、大型计算中心、枢纽通信站等作为铁路运输组织的中枢，信号设备作为列车“眼睛”的关键安全设备，将其列为Ａ 级进行雷电防护。
表２ 铁路电子信息系统防雷等级分类：
Ａ级
涉及行车安全及严重影响运输效率的设备，包括调度指挥中心、大型计算中心、枢纽通信站、信号设备机房等内部的电子信息设备
Ｂ级
影响运输效率的设备，包括中小型通信站、计算中心的设备，灾害监测设备，车辆安全防范预警设备，车号自动识别设备等
Ｃ级除Ａ、Ｂ级以外为Ｃ级
建筑物电子信息系统防护等级确定的方式主要有２种：一是按照防雷装置的拦截效率确定；二是按照电子信息系统重要性、使用性质和价值确定。前者的计算涉及参数较多，对防雷资料数据准确性要求高，计算过程较为复杂。按照标准维护的通用原则，对于非常复杂的现象及资料数据不完整或难以保证准确的情况，尽可能避免采用复杂公式计算，造成虚假精度的结果，可采用常规的和近似的方法解释或规定。
3建筑物防雷
第３．２．２条“独立设置的信号楼或行车室、信号中继站屋顶室外避雷网网格应不大于３ｍ×３ｍ。”
第３．２．４条“安装有通信信号设备建筑物的专设引下线宜优先采用热镀锌圆钢，直径应不小于１２ｍｍ；也可采用热镀锌扁钢，截面积不应小于１００ｍｍ２，厚度不应小于４ｍｍ。混凝土框架结构的建筑物可利用结构主筋作为自然引下线。”
对于信号中继站、通信基站等区间设备房屋和车站行车室等独立设置的设备房屋，占地面积较小，结构荷载要求较低，且一般为单层的砖混结构，也有少数钢筋混凝土框架结构。对于砖混结构的设备房屋，因其四周结构柱内的结构钢筋直径较小，钢筋密集度不够，与其他钢筋连接的表面积不满足自然引下线的要求，且无法保证作为自然引下线时的电气连续性，因此，对于第二类防雷建筑物的防雷须采用专设引下线的方式。
第３．２．２条规定了“独立设备房屋防直击雷的避雷网应为不大于３ｍ ×３ｍ 的网格”， 而ＧＢ５００５７－２０１０对第二类防雷建筑物的避雷网网格规定为不大于１０ｍ×１０ｍ 或１２ｍ×８ｍ。对于上述独立设置的铁路设备房屋，若按照ＧＢ５００５７－２０１０的规定设置避雷网，则不能形成有效的防护。因此，本规范对ＧＢ５００５７－２０１０中的第二类防雷建筑物的避雷网设计标准进行了提升。
第３．２．４条规定了专设引下线的材质和规格，宜采用直径不小于１２ｍｍ 的热镀锌圆钢和截面积不大于１００ｍｍ２、厚度不小于４ｍｍ的扁钢，其间距应符合ＧＢ５００５７－２０１０中第二类防雷建筑物专设引线间距的规定。当信号设备房屋采用综合站房时，其土建结构一般为钢筋混凝土框架结构。防雷引下线应首先利用钢立柱、钢筋混凝土柱子等全部钢筋作为引下线。此做法开始阶段成本较高，但在整个建筑物使用期内，不仅有良好的接地泄流效果，而且具有免维护、与建筑物同使用寿命及后期维护成本大幅降低等优点。
4设备及设施防雷
４．１ 接触网防雷设计
我国接触网防雷技术均是参照电力系统的防雷技术措施，主要在重雷区、高架桥及隧道口等重点地段安装氧化锌避雷器，接触网下锚绝缘子、分段绝缘子及复合棒形绝缘子等。但由于避雷器保护距离有限，对接触网线路防雷效果不明显。在防雷设计时，按照风险管理要求对保护对象进行风险评估，已成为雷电防护的最新趋势。因此，需提出科学合理的接触网防雷评估办法及经济可行的防雷措施和建议。
４．１．１ 接触网防雷情况评估方法
第３．４．２条“接触网防雷应根据大地土壤电阻率、走廊沿线雷电分布、接触网导体对地高度影响等因素，按照安全可靠、经济适用原则实施差异化设计。”接触网雷击过电压的产生途径主要有３种，分别是雷击附近物体产生的感应过电压、雷击导体接地部分产生的反击过电压和雷击高压导线时产生的绕击过电压。结合铁路工程建设标准科研项目《铁路防雷及接地工程有关技术标准》的成果：接触网的耐雷水平的计算与以上３种过电压的大小密切相关，其中高架桥的高度、支柱接地电阻、避雷线分流作用等是影响接触网雷电过电压最重要的因素。
通过以上３种过电压的计算结果，可以对接触网耐雷水平进行有效评估。本条规定了接触网耐雷水平计算需考虑的几个主要因素。
４．１．２ 接触网雷击跳闸率评估
第３．４．３条“多雷区、强雷区的接触网防雷设计应合理选择防雷措施，并根据沿线雷暴日及各区段雷击跳闸率综合评估计算结果，按接触网每百公里·年的雷击跳闸次数限值分段设计。”结合铁路工程建设标准科研项目《铁路防雷及接地工程有关技术标准》的成果：雷暴日、回流线升高、屏蔽系数、耐雷水平等是影响接触网跳闸率最重要的因素。通过给出接触网雷击类型与作用范围，可以根据线路所处位置，计算其雷击情况；再结合接触网的耐雷水平计算结果，可以对接触网线路雷击跳闸率进行评估，从而选择合理的防雷措施。本条对上述问题及跳闸率设计原则进行了规定。
４．２ 电子信息设备房屋室内屏蔽网设计
第３．４．５条和第３．４．６条分别对新建房屋和既有改建房屋的屏蔽网设计标准，进行了原则性规定，并提出了不同于其他建筑物的定量指标。对于雷电电磁脉冲在电气和电子系统上产生的瞬态冲击过电压，最基本的防护措施是磁屏蔽和协调配合的ＳＰＤ方式；而室内屏蔽网作为磁屏蔽最重要的措施之一，可以有效减少电磁场及内部系统电磁感应产生的浪涌过电压。因为铁路电子信息系统对于电磁环境要求严格，所以必须从屏蔽材料、可利用的金属构件、网格宽度及屏蔽网等电位连接等方面综合考虑。本规范结合近年来的工程建设经验，对屏蔽网设计做出了规定：新建房屋采用格栅型空间屏蔽网；改建房屋采用金属板型屏蔽网。各专业设备是否需要设计屏蔽网由各专业规范做出规定，即各专业需根据室内电子设备所处的电磁环境和设备本身所能承受的电磁干扰场强来确定。
４．２．１ 屏蔽材料
屏蔽材料选用导磁率高的小密度金属网、金属板和混凝土内的结构钢筋等。本规范总结了近年来铁路信号等弱电设备雷电防护的工程经验，提出了可实施的室内屏蔽网设计规定。新建建筑物应在前期设计阶段，首先考虑利用其结构内的钢筋网格作为主要屏蔽措施；既有房屋改建的建筑物，在墙面和顶面采用厚度为０．６ｍｍ的镀锌铁板网格，在防静电地板下敷设一层厚０．２ｍｍ、宽２０ｍｍ的铜箔带，其网格大小同地板结构单元大小。
４．２．２ 屏蔽网宽度
屏蔽网格的典型宽度一般为５ｍ，磁场强度可减少一半。对于铁路综合站房结构的自然构件，如金属天花板、地板金属构架、金属屋顶等，与混凝土中重叠的钢筋网格，共同构成有效屏蔽网格，宽度一般小于５ｍ，使得进入室内的磁场强度干扰大大降低。因此，对于电磁环境要求严格的铁路电子信息系统，采用屏蔽网宽度为５ｍ 的低阻连接网格和网格内部设置的不大于６００ｍｍ×６００ｍｍ 的网格，能够起到有效的防护作用。
４．２．３ 屏蔽网等电位连接
接地装置和连接网络构成一个完整的接地系统。第３．４．５条第４款和第３．４．６条第４款都规定了屏蔽网需与建筑物内部及建筑物上的金属构件，如金属门窗框架、金属屋顶、防静电地板金属网格等进行多重连接，同样需对接地端子板、接地装置等进行类似的连接，使其构成一个电气连接的低阻抗网格状结构，对于最大程度上降低电位差和减少磁场强度起到了很好的防护作用。
5接地及等电位连接
第３．５．２条“设备的接地引入线、接地干线或等电位连接带不应与防雷引下线直接共用，并避免从防雷引下线所在的建筑物结构柱引入。”本条规定了接地线和等电位连接带与防雷引下线等电位连接的要求。雷击建筑物时，雷电流经引下线泄入大地，因雷电流为非周期脉冲波形，它会在引下线上产生强大瞬变电磁场。如果建筑物内部电气及电子信息设备离引下线较近，会在设备上感应产生冲击过电压，导致设备失效。为减少因雷电流产生的电位差和避免不同部件间出现危险火花，接地线和等电位连接带不应直接从引下线引入，设备及线路应与引下线保持一定间隔距离（电气贯通的钢筋混凝土框架结构的建筑物除外），防雷引下线与建筑物内部系统等电位连接应在建筑物基础或接近地平面位置。
第３．５．７条“应利用铁路建筑物内部或建筑物上的金属部件进行多重等电位连接，组成网格状低阻抗等电位连接网络，并与接地装置电气连接。”本条规定了接地装置应与建筑物内部的金属部件进行多重连接。随着计算机电子信息技术的发展，综合站房内不仅有电气系统，而且还有众多重要的电子信息系统，如涉及行车安全的调度集中、计算机联锁、列控系统等信号设备。在有电子系统的建筑物内接地应采用网状方式，并与建筑物内部搭接网络电气连接，使高频信息设备功能性接地，以最短路径连接至等电位网络。
6小结
《铁路防雷及接地工程技术规范》为国家铁路局铁道行业标准，作为雷电防护系列标准规范的组成之一，规定的铁路防雷建筑物分类、分区、分级与ＧＢ ５００５７－２０１０和ＧＢ ５０３４３－２０１２等其他现行标准的规定相统一，主要差异反映在铁路特有的接触网防雷、室内屏蔽网、独立设备房屋防雷措施等内容上。本篇关于铁路防雷接地设计的解读，是在编制过程中对相关标准和工程技术经验的总结，以助于本规范在铁路工程建设中的应用。
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