地铁防雷设计要点研究

何宽 莫妘捷 刘明 陈彤

摘 要：交通运输部发布实施《城市轨道交通运营前安全评估管理暂行办法》（交办运[2019]17号）。防雷验收不作为必要条件之一，但防雷安全作为安全生产工作的重要环节，一直是地方政府部门及轨道交通主体部门的重要责任。在新政策和新技术发展的背景下，如何设计地铁的防雷系统，涉及到方方面面，其中强弱电系统防雷﹑等电位及屏蔽﹑地铁上建造建筑物及地铁的雷电预警是重中之重，本文就这些要点进行探讨研究，提出建议，为地铁防雷设计及安全提供参考。

关键词：地铁防雷;雷电监测预警;等电位;电涌保护器

雷电是一种常见的大气放电现象。积雨云的不同部位聚集着大量的正电荷或负电荷，形成雷雨云，而地面因受到近地面雷雨云的电荷感应，也会带上与云底相反符号的电荷。雷电会击中地球，被称为地闪。地闪回击过程中，通道内瞬时大电流产生的强烈瞬变电磁脉冲对电力电子设备、通信系统及航空航天行业造成的危害不可小觑。地铁车站的电气系统、电子系统和通信系统庞大复杂，这些系统维系着地铁的正常运行，一旦发生雷灾，产生系统故障，就会造成公共交通混乱，影响非常严重，不可忽视。例如2019年4月9日，上海地铁八号线浦江线汇臻站因雷击造成该站道岔故障，现场伴有异响、火星和白烟。全线列车限速运行，发车班车间隔延长，许多乘客出行受到影响。2011年4月22日，北京地铁十号线的地面信号设备因雷击受损，列车间隔由每班5分钟延长到10分钟，乘客滞留在车站的情况出现。2013年7月19日，成都地铁二号线某站遭受感应雷，感应雷通过电源线侵入车控室，该室的所有电涌保护器被击穿，设备产生故障，部分列车停运50分钟。由此可见，地铁的防雷非常重要，影响到了交通出行，经济和社会损失比较大。认真做好防雷的设计，特别是一些关键性的防雷措施，降低地铁雷电灾害风险是十分必要的。

本文对地铁强弱电系统防雷﹑等电位及屏蔽﹑地铁上建造建筑物及地铁的雷电监测预警四个方面进行探讨，提出地铁防雷设计的要求。

一、强弱电系统防雷

（一）根据相关研究结果[1][2]，当车站招收直击雷时，车站顶层的磁场强度是最大，越往下越小。所以设备机房不应设置于顶层，设置的最佳位置为底层中心部位，设备应远离引下线。选用铝、铜等材料在四周墙体内敷设大尺寸的屏蔽网格。这样实施之后能有效减少外界对机房設备造成的电磁干扰，能降低雷击电磁脉冲的干扰影响，提高防护效果。

（二）电源系统与信号系统都需要进行防雷保护，电源系统采用接地的方式进行防雷，还进行防静电及屏蔽等措施，让各设备连接到各类接地端的子板上。电气设备、控制设备、计算机设备以及其他配套设备组成了地铁站的电子信息系统，并构建起人工智能系统[3]。信号系统所在的机房内有相关的安全接地系统，通过接地干线等方式连接到地面。电涌保护器的选择及参数参照GB50343-2012及GB50057-2010[4][5]。

（三） 在地铁站点采用共用接地系统，能够让低压配电系统中的各部分进行连接，同时在配电系统中会有金属外壳以及配电箱接地，设置各种电源保护器、在配电系统中还需要做防静电的处理，让这些冲击电流不能够小于20kA。

在公务电话与专用电话系统中，应该设置电位连接，可以根据系统在局部的电位连接来进行，在对线路进行防雷保护的时候，让公务电话能够通过户外的信号，传输到外部埋地敷设。

在无线通信子系统中，要设置相应的电位连接与局部连接，专用无线通信子系统所在的中控室内所有金属设备之间都是绝缘的，现场智能的装置能够被设备进行控制，并接到电位连接子板上，无线通信子系统所在的主控室应该包括网络控制线路、智能控制线路。

停车场安防的防雷设计主要在主机房中采用S型的局部连接网络，将所有的信息都经过屏蔽层连接到主机房中，车辆段安防系统的主机房也应该设置相应的机架，确保各种金属设备能够与其他接地设备之间绝缘，将这些户外线路进行埋地敷设，让两端能够与接地装置相连接。

在广播子系统中设置相应的电位连接，应该利用S型进行电位连接，所有的信息设施都要经过ERP进入到所在的机房，所有设备的机架要接地，广播子系统所在的机房信号也要通过ERP的方式进行电位连接，还要确保金属设备与各个部件之间足够的绝缘，让光缆金属芯加强，金属设备外壳应该做好电位连接，并与接地装置进行更好的连接。不是非光纤的信号传输线路，应该在控制电压的情况下插入合适的保护器，还要考虑到工作频率范围以及接口形式是否能够让系统更好的运行。

时钟子系统机房中的金属设备要与其他的设备绝缘，还要加强在金属芯以及金属外壳方面的电位连接，时钟子系统能够采用非光纤的方式进行信号连接，选择适配的信号保护器。

在乘客信息系统中有光缆金属芯、金属设备外壳等， 这些都能够与接地装置相连接，乘客信息系统所在的机房如果存在传输线路，那么就可以在两端设置电涌保护器。

（四）为防止雷电对设备的损害，保护设备。在电源线路、信号、通信线路的端口安装电涌保护器（SPD）。SPD保护级别为：第一级，设置地点：低压配电室﹑0.4kV低压开关室。第二级，设置地点：UPS机房、消防控制室、调度大厅， 屏蔽门控制室、信号设备室、综合监控室、通信设备室、各类机房、车控室;第三级，设置地点：民用通信设备室﹑ups输出柜及一些重要的弱电设备、精密设备等。

地铁综合监控系统包含了ISCS、PSCADA、BAS和FAS四部分，线缆须在每两个防雷分区的分界处设置SPD。ISCS和PSCADA只需在设备室的设备终端前设置SPD。而子系统BAS和FAS却不一样，设置SPD的区域较多。在FAS系统中，车辆段和停车场的回路线和电话线，其防雷分区的交界处设置适配的信号SPD。因BAS系统涉及

的设备中有电动蝶阀SDD、BAS模块箱和室外机VRV模块箱，均处于不同的防雷分区，所以在交界处设置适配的信号SPD。光缆不需设置SPD。

应有效地设置好弱电设备的关键参数值，例如：浪涌过电压、电流幅值，让设备在可承受的范围之内，提升防雷保护水平，确保安全运行。

二、等电位及屏蔽

等电位连接及屏蔽是地铁防雷系统的重要组成成分。地铁的等电位系统由总等电位连接、子系统等电位连接及局部等电位连接网络三大部分组成。

（一）总等电位连接。每个车站作为一个单体，设置人工接地网和自然接地体两部分，在人工接地网和自然接地体分别测试防雷接地电阻后相连接在一起。人工接地体为加设的扁钢，横向接地及竖向接地设置，自然接地体为的车站主体的预埋钢板与结构钢筋等。从人工接地体引出接地引出线，引出线连接接地母排，接地母排连接到各等电位连接总端子，作为强电、弱电、局部等电位以及小系统等电位等进行分别连接。每条线各个站点之间的隧道内结构钢筋、列车轨道、电缆支架等进行相互连接，整条线路就形成了一个大型的地下的条状等电位体，接地效果异常好，实现了一条线的总等电位连接。

（二）子系统等电位连接。各个功能室作为一个子系统独立存在，内部有各式的电子设备及仪器。作为等电位大系统的一员，每个子系统都设置了弱电接地端子箱，为内部设备接地提供连接口，内部设备因而能作为等电位大系统的最终端而存在。这些子系统包括了：气瓶室、屏蔽门控制室、公众通信机房、AFC 设备室、环控电控室、车站计算机房、通信设备室、卫生间、信号设备室、车控室、警用通信机房等。弱电接地端子箱的位置依据需求而定，有可能几个子系统一起共用。屏蔽门系统的等电位比较特殊，单元门体之间进行等电位连接，采取绝缘安装。主体与走行轨等电位连接，并连接至变电所接地母排。

（三）局部等电位连接。地铁供电为TN-S结构，大地与入地点存在电位差，电位差会严重干扰设备。为了消除干扰，设备房间内的主体结构内建筑的钢筋等要预留等电位，并应与在人工接地体引出的局部等电位端子板相连接。还通过三个方面进行局部等电位连接：1、设置等电位连接总端子PSCE，为人工接地网金属管线引出线端子。系统内的金属管线应全部就近连接至此类端子。2、设置等电位连接总端子WCE，为人工地网弱电引出线端子。电子信息机房的弱电设备及其他不带电的金属物应与机房内的局部等电位连接端子板相连接，再连接到WCE上。3、设置等电位连接总端子PCE，为人工地网强电引出线。空调设备、动力配电柜、风机、高低压设备等大型机电设备应连接至此类端子。

（四）屏蔽及综合布线。各种设备终端，是防护的重点对象。为降低电位差，各设备都应连接到接地母排或者等电位端子箱内。电子信息系统信号线缆形成的回路面積应尽量减少。电子信息系统线缆不应靠近出入口引下线引下来经过的区域及等电位母排，并穿金属管道或者金属线槽。尽量减少电磁场对线路和设备的感应，均衡电位差，限制过电压。

三、在地铁上建造建筑物的防雷设计

在一些地铁线上，会出现地铁站或车辆段上建造建筑物的情况，设计时有相关注意。地铁上建筑的各建筑按二类防雷建筑设计。

地铁车辆段上的建筑物，其屋面才是防雷考虑的区域，车辆段顶部形成的平台是过渡层面[6]，类似于裙楼。建筑物与车辆段的防雷接地需上、下统一考虑，车辆段做好接地及平台上的防雷措施，并预留与物业开发的接口。车辆段的防雷接地一般设计中只采用了平台周围一圈的部分柱子作为防雷接地引下线，所以为了均压，车辆段上各楼栋建筑物防雷引下线可以利用平台的钢筋混泥土屋面、梁、柱、基础内的钢筋作为引下线。 物业开发结构柱与车辆段结构柱内部的钢筋应焊接联通。

车辆段上建筑物的电气设计中，对于配电房及柴油发电机房也应该在车辆段设计过程中预留到位，以免造成荷载等达不到要求。

车辆段是按照普通建筑物来设计防雷装置的，室外的构筑物是用架空接闪线或独立接闪针做接闪器保护。有条件的可以安装电源电涌保护器对其进行保护。

四、雷电监测预警及安全管理

未雨绸缪、提前防范，在建设期就规避雷击风险是大家共同的心愿。通过以下几个方面可以做到：

（一）完善雷电监测预警机制。“三网一系统”是由大气电场监测网、闪电定位网、峰值记录网组成的雷电综合监测系统。在地铁全线建设全覆盖的“三网一系统”，对雷电天气提前监测，预报，预警。并通知轨道主管部门，主管部门立即按照应急预案进行准备及处理。主管部门应制定相应的防雷应急预案、雷灾处理机制，强化防雷安全工作。日常进行防雷装置自查及相关安全培训，增强防雷安全意识和处理能力。

（二）地铁防雷装置与其他相关主体工程应同步设计、同步施工、同步验收。投入使用后的防雷装置应每年定期检测一次。

（三）有效利用好闪电监测资料为地铁建设提供设计技术指导。通过雷电监测数据计算可以发现，地铁站的反击率达不到雷电防护效率的要求，因此要特别关注强弱电系统的雷电防护，提高防护等级，增强所使用的雷电防护器件的要求，例如：增加导体的横截面积，减小最小分隔间距等。

（四）及时安排人员做好准备工作，密切关注供电、通讯、监控等系统设备运行情况，必要时采取防雷应急措施;易遭受雷击的户外或高空作业人员应停止作业;相关人员切勿接触天线线缆、变压器、电线杆、接闪杆（带）、金属管道、金属门窗护栏。

五、结语

地铁防雷系统是有其特别之处的。本文强弱电系统防雷﹑等电位及屏蔽﹑地铁上建造建筑物及地铁的雷电监测预警四个方面进行了详细的研究探讨，细化了每类系统的防雷设计。在新的政策和技术背景下，为设计提供了全面的参考。

参考文献：

[1]贺灿花，麦金婵.地铁高架车站防雷与电磁屏蔽探讨[J].气象研究与应用，2018，39（4）：89-91.

[2]杜远谋，周筠珺.基于时域有限差分方法的地铁车站地闪回击电磁场模拟[J].科学技术与工程，2019，19（4）：33-42.

[3]周莹，刘敏.地铁上盖建筑电气设计简介[J].建筑电气，2018，37（1）：29-32.

[4]中国计划出版社.GB50057-2010建筑物防雷设计规范[S].北京：中国计划出版社， 2011.

[5]中国建筑工业出版社.建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[6]王斌柘.地铁电子信息系统雷电防护设计策略探析[J].电子制作，2018，（1）：105-106.

作者简介：何宽（1984-），男，汉族，学士，工程师，主要从事防雷监管、防雷技术应用与研究、雷电防御等方面研究工作。