铁路武汉站防雷接地方案研究

管亚敏

(中铁第四勘察设计院集团有限公司电气化设计研究处,武汉 430063)

1 概述

铁路武汉站是武广客运专线的起点站,建筑造型新颖别致,宛如一只翩然而归的千年黄鹤。车站站房总建筑面积35万多m2,建筑最大高度58 m,分为高架层、站台层、地面层及地下层,采用了超大跨度的结构形式,屋顶采用通透的材料和巨大的拱壳,站房空间大气并富有韵律。然而,独特的建筑造型给建筑防雷接地系统设计提出了新的课题,根据《建筑物防雷设计规范》(GB50057—94)(2000年版),武汉站属于第二类防雷建筑,可利用建筑屋面钢筋和梁、柱、基础钢筋分别作为防雷接闪器、引下线。但是,由于站房屋面采用了中空聚碳酸酯采光板与铝镁锰合金屋面板交替铺设,且金属屋面板比采光板低25 cm,直接利用建筑屋面作为防雷接闪器,在屋顶上方不安装接闪器或金属防雷网格,是否可满足建筑防雷要求；其次,武汉站采用了上部大型建筑与下部桥梁共同组成的“桥建合一”新型结构,桥墩柱之间的跨度南北向为21.5 m,东西向为36 m,利用桥墩结构钢筋及柱内专用钢筋作为防雷接地引下线,其跨度不满足国家规范二类防雷建筑引下线平均间距不应大于18 m的规定,采用柱内钢筋作为引下线是否会对屋面下的电气设备和人员的安全带来影响。本文通过理论分析、仿真计算以及引用试验室验证结果等方法,对上述技术难题进行深入研究探讨,从而提出武汉站防雷接地的设计方案。

2 防雷接闪器

2.1 武汉站落雷密度计算

武汉站的年预计雷击次数可根据《建筑物防雷设计规范》(GB50057—94)(2000年版)所提供的计算公式：N=kNgAe来确定。经计算,武汉站的年预计平均雷击密度Ng=2.368 km2·a,等效面积(Ae)见图1,得出武汉站年预计雷击次数N=0.625(次/a)。

图1 武汉站等效面积(单位：m)

2.2 非金属屋面落雷情况分析

武汉站大部分屋面是采用中空聚碳酸酯采光板与铝镁锰合金屋面板交替铺设,金属屋面板比采光板低25 cm,采光板两端设有金属支撑构件,采光板有两种规格,分别为宽度60 cm、厚度16 mm和宽度130 cm、厚度25 mm(图2)。可以看出,虽然屋面没有采用通常意义上的接闪器,实际上非金属板两侧的金属构件与非金属采光板等高,考虑到金属引雷能力,非金属采光板遭受直接雷击的可能性是极小的。

图2 屋面结构

图3 雷击非金属采光板闪络路径示意

如图3所示,在极小概率情况下,当非金属采光板遭受直接雷击,假设雷击点位于采光板的中间(最严重的情况),雷电流泻放有两种可能：(1)沿采光板表面沿面闪络,流入与其等高的金属构件；(2)采光板被击穿,雷电流直接穿过采光板流入下层金属衬板。

对于第一种可能：采光板被雷击时,表面已经潮湿,在潮湿情况下,固体的平均沿面闪络电场梯度为5～11 kV/cm,30 cm的距离需要的闪络电压为150～330 kV,65 cm的距离需要的闪络电压为325～715 kV。

对于第二种可能：因塑料的击穿电压为2～3 MV/cm,空气在极不均匀电场下,1 cm雷电冲击击穿电压约为30 kV。将中空聚碳酸酯采光板按塑料比空气1∶9折算,16 mm厚度与25 mm厚度的击穿电压分别为520 kV与820 kV。

由上分析可以看出,非金属板的沿面闪络电压均小于其击穿电压,在非金属屋面采光板遭受直接雷击时,雷电流会沿非金属板表面沿面闪络,流入金属构件中,非金属采光板没有被直接击穿的危险。因此,车站站房屋面虽然没有设置防雷接闪器,但是金属屋面部分起到了接闪器的作用,能对中空聚碳酸酯采光板的落雷起到一定的屏蔽作用。

3 防雷接地引下线

武汉站利用桥墩结构钢筋及专用钢筋作为防雷接地引下线,桥墩柱之间的跨度：南北向的桥墩相距21.5 m,东西向的桥墩相距36.5 m；雨棚柱之间的跨度：南北向的桥墩相距64.5 m,东西向的桥墩相距36.5 m。这显然与建筑物防雷设计规范要求不符。建筑物避雷网上的雷电流是通过引下线入地,引下线数量较多或者间距较小时,雷电流分布较为均匀,由于分流,引下线上的电压相对减小,避免了跳闪的危险。因此,引下线的最大距离是以限制引下线上的最大雷电流为依据的,这种大跨度防雷引下线对站房内电气设备和人员的安全带来的影响需通过计算来说明。

武汉站结构示意见图4。

图4 武汉站结构示意(单位：mm)

3.1 规程计算

雷电流通过结构钢筋与专用防雷引下线钢筋及楼层地面泄流,会在其等值的电感上呈现电位差,若人站在楼层地面,手触摸结构钢筋,则会在人体上产生接触电势,若人在楼层地面行走,会在人的步长间产生跨步电势。接触电势与跨步电势超过允许值,就会对人身安全构成危害,出现伤亡事故。人站立地面,手触摸钢柱的位置越高,则作用人体上的接触电势越大,一般取触摸位置距地面高度为1.8 m；同样人在地面行走,跨步越大,作用跨步电势越大,一般取跨步距离为0.8 m。

根据我国电力设备技术规程,考虑地面采用混凝土(假定局部受潮)的电阻率为100 Ω·m。雷电冲击电流持续时间为50 μs,则车站允许的人体最大跨步电势与接触电势分别为34.5 kV与27 kV。若考虑地面混凝土是干燥(ρb取1 000 Ω·m)的,则允许的人体最大跨步电势与接触电势分别为123.6 kV与48.6 kV。单位雷电流作用下允许的跨步电势与接触电势的计算结果见表1。

3.2 武汉站防雷接地系统结构

武汉站采用“桥建合一”结构形式,是一座全高架,集桥梁、建筑特征于一体的铁路客站。其防雷接地系统由站房屋顶钢筋结构、站房引下线、站房地面钢筋、地面钢筋支撑和接地网组成,可视为三层交叉钢结构通过引下线连接起来,屋顶钢结构的交叉点视为通过引下线与站房地面连接,同时站房地面与接地网交叉点相连,接地网视为由13×12个长为36 m、宽为21.5 m的长方形网格组成,总占地面积约为396 m×258 m。武汉站防雷接地系统结构示意和正面、侧面的剖面示意见图5、图6。

表1 规程计算结果 kV

图5 武汉站防雷接地系统结构示意

图6 武汉站防雷接地系统剖面示意(单位：m)

3.3 武汉站钢结构体与接地网的电路模型分析

3.3.1 建筑物钢结构体的电路模型

图7 建筑物钢结构的电路模型

3.3.2 接地网与土壤的场路耦合模型

每段接地导体除考虑它作为良导体的电阻和自感外,同时考虑了它与所有平行导体之间的互感,这里互感同样用支路电流控制电压源来代替。

导体与土壤的场路耦合用流散电流源来建模。即用矩量点匹配法,求解电位系数矩阵,得出每段导体的流散电流与所有支路等位体的关系,并将流散电流等效集中分配到节点中,形成与节点相联的电流源,图8(a)、(b)、(c)分别是接地网4条支路、3条支路和2条支路的交叉节点的电路和电流场的耦合示意图。结合电场的矩量法、电路的节点电位法和支路电流方程,建立了建筑物钢结构与接地网系统的整体数学模型。

图8 接地网高频下的电路模型

3.4 仿真计算

雷击建筑不同地点时,雷电流分布各不相同,当雷击建筑边缘时,雷电流在各接地引下线中分布最不均匀,为最严重的情况。在这个雷击点,土壤电阻率取30 Ω·m,建筑遭受100 kA幅值、2.6/40 μs波形参数的雷击情况下,进行仿真计算。

3.4.1 雷电流分布及地面电位仿真计算结果

通过仿真计算,从“屋顶至站房地面层引下线中雷电流分布图”可以得出结论：雷电流从边角处注入建筑后,经过屋顶第一次分流,约41%雷电流沿该立柱钢筋流入下一层,其临近钢筋分别有约10%的雷电流流过,更远的钢筋分流更少。分流极不均匀,最大电流与次大电流之比为3.31,分流系数0.414。

值得一提的是,在国家标准《建筑物防雷设计规范》(GB50057—94)第3.3.4条中引用的分流系数kc,“单根引下线应为1,两根引下线及接闪器不成闭合环的多根引下线应为0.66,接闪器成闭合环或网状的多根引下线应为0.44”。屋面层计算出的分流系数0.414与之接近。

从“站房地面层至接地网引下线中雷电流分布图”可以得出以下结论：经过第二次分流后,约25%雷电流沿该立柱钢筋流入下一层,其临近钢筋分别有约10%的雷电流流过,更远的钢筋分流更少。分流较之上层均匀,最大电流与次大电流之比为2。

从“大范围内地表电位等位线图”可以看出,支撑柱的散流效应明显,地表冲击电位的不均匀程度大大降低。

3.4.2最大冲击跨步电势与最大冲击接触电势计算结果

通过现场测试,武汉站土壤电阻率实测结果见表2。

表2 武汉站土壤电阻率 Ω·m

由表2可见,站房区域的土壤电阻率在大于15 Ω·m,小于30 Ω·m的范围内,因此,仿真计算时分别取15 Ω·m与30 Ω·m进行计算。

取土壤电阻率ρ为15、30 Ω·m,计算出建筑物接地网的冲击接地电阻Rch、每kA雷电流对应的最大冲击跨步电势Vk、最大冲击接触电势Vj和地表的冲击电位图。100 kA雷电流下的最大冲击接触电势、最大冲击跨步电压计算结果见表3、表4。

表3 100 kA雷电流下的最大冲击接触电势 kV

表4 100 kA雷电流下的最大冲击跨步电压 kV

通过上述计算数据可以看出,在建筑遭受100 kA以内幅值的雷击情况下,虽然站房防雷接地引下线跨度较大,但是最大冲击跨步电压与最大冲击接触电势仍然满足规程要求。因此,武汉站利用桥墩结构钢筋及柱内专用钢筋作防雷接地引下线,尽管间距大于规范要求,但通过各楼层接触电势与跨步电势计算验证,在建筑遭受雷击情况下,不会对人身和设备安全造成危害,满足设计要求。

4 研究结论

通过研究认为,虽然武汉站站房屋顶面积庞大,预计年遭受雷击数达到0.625次,屋面采用了中空聚碳酸酯采光板和金属板屋面间隔布置的方式,但是金属屋面部分起到了防雷接闪器的作用,能对中空聚碳酸酯采光板的落雷起到一定的屏蔽作用,即使在最严重落雷点的情况下,非金属屋面板也不会被直接击穿,不需在屋面上部增加专用的避雷针或避雷带,在确保建筑物防雷安全的前提下,没有破坏屋面整体造型,实现了对建筑创意的最佳体现；站房利用桥墩结构钢筋及专用钢筋作防雷接地引下线,虽不满足平均间距不应大于18 m的要求,但计算结果表明,站房的最大跨步电压与接触电势仍然满足规程要求,因此不需增加专用的防雷接地引下线及由此可能造成的结构柱的增加,保持了建筑本身大空间、大跨距的特点,给旅客提供了通透舒适的候乘环境。

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