孙力钧

摘 要：雷电对于高铁站的正常运转会带来较多的危害与不便，为了保障高铁运行的安全性，有必要采取有效的设计方案来防范雷电的危害。本文基于对雷电的类型与危害的探讨，首先从信号设备防雷、防雷系统维护两个方面着手分析了雷电防范的内容，进而从接闪器设计、地下引线设计、等电位联结设计、屋面设备的防雷设计、雷电波的防护措施五个方面系统分析了高铁站的防雷设计方案，最后给出了总结。通过本文分析，以求为高铁站更好的进行防雷设计提供必要的借鉴与参考。

关键词：高铁站 防雷 设计

中图分类号：U44 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（a）-0094-02

1 雷电的危害与防范内容

1.1 雷电的危害

雷电按照其极性划分，可分为正极性雷电及负极性雷电。按照放电种类可分为云内放电、两个独立云间放电、对大型结构物的放电及对地放电等。根据统计，雷击的电流值介于2 kA到200 kA之间，这样的大电流在极短的时间内通过，其结果会产生一千万伏特的电压。这是相当可怕的能量，即使是石造的建筑，若无避雷设施，一旦遭到这样一击的后果是很难预料。由于雷击的威力是如此强大，所以直接遭到雷击会使人畜心跳停止、损坏脑部、休克、死亡等。建筑物如遭受雷击可能会引发火灾及重物掉落而造成损伤。雷击电流足以引发大火（如森林大火），再加上其瞬间电流流过时所产生惊人的电磁应力，足以使其流过的金属变形，甚至破裂。

1.2 雷电干扰途径

当雷电大电流经由接地系统散入大地时将会引起高电压差，而此电压差即是造成雷击事故的主要成因。电压差出现的形式有下列几种：地电位涌升（Ground Potential Rise，GPR）、接触电压（Touch Voltage）、步间电压（Step Voltage）及转移电压（Transfer Voltage）。其中，防雷设备的接地处与绝对零电位之间有接地阻抗存在时，如其接地阻抗过高，遇强大雷击突波电流，便产生庞大的瞬间电压升，称为地电位涌升；是当一个人手臂接触已被接地的结构物时，其立足点的地面电位与接地电位涌升间所形成的电位差，就是所谓的接触电压；步间电压是地电位涌升对人员而言，即使人虽没有触及任何被接地物体的情况，两脚跨距间的地面上就有电位差存在，这就是所谓步间电压；GPR通过各种金属回路、接地线、电源线、建筑物钢筋等导体，转移至它处称为转移电压。具体的干扰路主要是雷电干扰通常会侵入交流电源。强电流通过高压电缆传导到达高压变压器，如果缺乏防雷设施的防护或者防雷设备因为缺乏而失效，强电流同样会入侵低压部分的信号设备线路。

1.3 雷电防范的内容

一是信号设备防雷。第一，是信号电源防雷：一般来讲应该单独配置电涌保护器（SPD），同时应该有阻断续流的性能，其中做并联应用的电涌保护器应该随插随用，实现在线插拔。电涌保护器的所有相关指标与技术标准等都必须达到国家相关检测标准，只有产品拥有强制检验认证证书才可以被使用。第二，是室内外信号设备防雷：室外电涌保护器应安装在外线引入处，只用冲击通流容量大于20 kA才能被选为合格的。

二是防雷系统维护。第一，是应该建立完善的防雷系统责任制，确定相关责任人，建立健全相关雷电灾害预警方案及相关备选方案，认真记录好雷电灾害事故记录。应该检查安装防雷装置重要部分的情况，如SPD系统的视频监控保护和计算机机房保护部分。第二，是应重点对防雷装置的检查，包括如下内容：有独立的接地安排；并没有使用气体及供水喉管的金属件作为接地极；接地极如需更换/加装应使用适当尺寸的接地极；检查所有元件有否受损或松动；检查所有元件有否锈蚀而影响防雷系统的功效或元件的电气连续性；连接口、连接处是否有涂上适当的抗氧化剂。

2 高铁站的防雷设计

本文重点从接闪器设计、地下引线设计、等电位联结设计、屋面设备的防雷设计、雷电波的防护措施等方面系统分析了高铁站的防雷设计方案。

2.1 接闪器设计

接闪器是装设于所要保护建筑物或区域的顶端，以构成保护区。保护区是否足以涵盖整个被保护的范围，就成了设计防雷的首要课题。目前应用“滚球法”来进行接闪器设计最为常见，其是国际电工委员会（IEC）推荐的接闪器保护范围计算方法之一。滚球法设计最重要是滚球半径的选用，一般滚球半径获得有三种方式：按照建筑物防雷设计规范规定；按照雷击电流的大小，换算滚球半径，对于雷击机率较多的地方，可选用比较小的滚球半径；对于电力的设备可改虑其BIL值，也即指绝缘子所能承受的基本闪电脉波水准的能力来设计。对于单支接闪杆保护方法，可按下列方法进行设计。当接闪杆高度h ≤ S时的计算：一是距地面S处作条平行于地面的平行线；二是以针尖为圆心，S为半径作弧线交于平行线A、B两点；三是以A为圆心，S为半径作弧线，该弧线与针尖相交并与地面相切，这样，从弧线起到地面就是保护范围。保护范围是一个对称的锥体；四是接闪杆在S高度的xx面上和在地面上的保护半径，按下式求得。

式中：rp为接闪杆保护高度 xx'平面上的保护半径（m）；s为滚球半径，按表确定（m）；hx为被保护物的高度（m）；h为接闪杆的高度（m）；r0 为接闪杆在地面上的保护半径（m）。当接闪杆高度h>S 时的计算，在接闪杆上取高度S 的一点代替单支接闪杆杆尖并作为圆心，其余做法与第一种类型的做法类似。

2.2 地下引线设计

这也即考虑分流影响。引下线的粗细和数量直接影响分流效果，引下线多，每根引下线通过的雷电流就小，其感应范围就小。引下线相互之间的距离不应小于规范中的规定。当建筑物很高，引下线很长时，应在建筑物的中间部位增加均压环，以减小引下线的电感电压降。这不仅可以分流，而且还可以降低反击电压。

地下引线的设计重点在于做好接地方面的工作。一是从接地方式而言，其可分为以接地棒打入大地、埋设接地板，以及用接地线连接接地网等方式，来连接设备，以达到所要求的接地电阻所形成的接地系统。二是从接地网接地方式而言，这是将接地线以网状型式排列，并将各交差点焊接，埋设于地下土壤中，再与线路铁构（铁塔）以及其他电气设备接地线连接。接地系统的接地电阻标准，以接地故障发生时，不致使接触电压（Etouch）超过限制值为原则，同时其地电位升GPR（Ground Potential Rise）也必须在限制标准内，而该GPR除以接地电流（Ig），即得所需接地电阻设计值。我国高铁站大型接地系统的接地电阻标准，一般345 kV以0.1 Ω为限制标准，161 kV以0.5 Ω为限制标准，69 kV则以5 Ω为限制。标准输电系统铁塔接地系统也采用接地网方式或埋设垂直型的接地棒深入土壤底层的接地棒。我国不少高铁站现行输电线路铁塔的接地电阻标准，345 kV以10 Ω为限制标准，161 kV及69 kV则以20 Ω为限制标准。endprint

2.3 等电位联结设计

这是指使建筑物内的各个部位都形成一个相等的电位，即等电位。若高铁站建筑物内的结构钢筋与各种金属设置及金属管线都能连接成统一的导电体，建筑物内当然就不会产生不同的电位，这样就可保证建筑物内不会产生反击和危及人身安全的接触电压或跨步电压，对防止雷电电磁脉冲干扰微电子设备也有很大的好处。

总等电位联结通过总等电位联结端子箱和共用接地体实现，即各系统接地干线均接到总等电位联结端子箱及共用接地体，建筑物内金属构件、管道、构架等主要金属物、进出建筑物的金属管道、进入建筑物电缆的金属外皮等可导电体均应采用热镀锌扁钢40 mm×4 mm与总等电位联结端子箱联结，总等电位联结端子箱再采用热镀锌扁钢40 mm×4 mm与联合接地体可靠连接。作为地下引线的钢结构柱均保证其与周边金属导体作可靠电气连接，以保证电气连续性。

2.4 屋面设备的防雷设计

屋面防雷在很大程度上需要借助于屋面所设置的金属设备，这些设备的主要目的是使高铁站建筑物内的通信设备、电子电脑、精密仪器以及自动控制系统免遭雷电电磁脉冲的危害。高铁站建筑物内的这些设施，不仅在防雷装置接闪时会受到电磁干扰，而且由于它们本身零敏性高且耐压水准低，有时附近打雷或接闪时，也会受到雷电波的电磁辐射的影响，甚至在其他建筑物接闪时，还会受到从该处传来的电磁波的影响。因此可利用钢筋混凝土结构内的钢筋，即建筑物内地板、顶板、墙面、及梁、柱内的钢筋，使其构成一个六面体的网笼，即笼式接闪网，从而实现屋面设备的防雷功效。良好的屋面设备不仅使等电位和分流这两个问题迎刃而解，而且对防御雷电电磁脉冲也是最有效的措施。在车站的站台雨棚顶上可设置太阳能光伏发电电池板，由于屋顶上的太阳能板采用粘贴式非晶硅太阳能光伏发电电池板，与屋面铝合金板可靠电气焊接，而站台雨棚屋面已采用防直雷的措施，在遭受雷击的情况下电池板能自动切除此块太阳能板与系统的连接，且太阳能供电系统非该工程的主要供电电源，不会引起二次雷击灾害。屋面上的排烟口、人孔等突出屋面的部分应采用金属材质，且屋面上所有金属构架、管道、铁梯、水箱等均用具有高防腐蚀性和高导电率的专用导体与屋面钢结构压接。屋顶航空障碍灯应与屋面下的结构钢质次行架用25mm×4mm热镀锌扁钢可靠电气焊接。

2.5 雷电波的防护措施

在防雷电波侵入方面，电缆进出线在进出端应将电缆的金属外皮、进户钢管等与电气设备接地装置相连。外立面玻璃幕墙、铝合金百叶等金属幕墙均需与就近结构钢梁可靠电气焊接。该项目建筑物电子信息系统防护等级为A级，信息设备配电系统安装多级电涌保护。弱电系统设备的信号电缆设置相应的信号电涌保护，并严格按照规范的规定要求采取屏蔽、等电位联结、安装电涌保护器等措施。

3 结语

大自然的风雨雷电，不是我们所能控制，当雷击发生时所产生的大电流经由接地系统散绝大多数现代铁路信号设备已经电子化，复杂的电子装置能否在雷雨之中保持可靠的稳定性，是现代铁路设备科技人员急需研究的技术难题，分级防雷，用多重防护系统十分必要。要克服高电压差所造成的伤害，高铁站要从防雷措施着手，在外部防雷装置上，要妥善装设接闪器，并注意其有效遮蔽率，接地网络则是关系着防雷功能的成败。

参考文献

[1] 李汝军.客运专线接触网防雷加强措施探讨[J].电气化铁道，2011（4）.

[2] 于喜林，陆军.城市轨道交通接触网防雷技术应用[J].电气化铁道，2011（4）.

[3] 徐惠.京沪高铁上海虹桥站防雷设计[J].现代建筑电气，2011（8）.endprint

2.3 等电位联结设计

这是指使建筑物内的各个部位都形成一个相等的电位，即等电位。若高铁站建筑物内的结构钢筋与各种金属设置及金属管线都能连接成统一的导电体，建筑物内当然就不会产生不同的电位，这样就可保证建筑物内不会产生反击和危及人身安全的接触电压或跨步电压，对防止雷电电磁脉冲干扰微电子设备也有很大的好处。

总等电位联结通过总等电位联结端子箱和共用接地体实现，即各系统接地干线均接到总等电位联结端子箱及共用接地体，建筑物内金属构件、管道、构架等主要金属物、进出建筑物的金属管道、进入建筑物电缆的金属外皮等可导电体均应采用热镀锌扁钢40 mm×4 mm与总等电位联结端子箱联结，总等电位联结端子箱再采用热镀锌扁钢40 mm×4 mm与联合接地体可靠连接。作为地下引线的钢结构柱均保证其与周边金属导体作可靠电气连接，以保证电气连续性。

2.4 屋面设备的防雷设计

屋面防雷在很大程度上需要借助于屋面所设置的金属设备，这些设备的主要目的是使高铁站建筑物内的通信设备、电子电脑、精密仪器以及自动控制系统免遭雷电电磁脉冲的危害。高铁站建筑物内的这些设施，不仅在防雷装置接闪时会受到电磁干扰，而且由于它们本身零敏性高且耐压水准低，有时附近打雷或接闪时，也会受到雷电波的电磁辐射的影响，甚至在其他建筑物接闪时，还会受到从该处传来的电磁波的影响。因此可利用钢筋混凝土结构内的钢筋，即建筑物内地板、顶板、墙面、及梁、柱内的钢筋，使其构成一个六面体的网笼，即笼式接闪网，从而实现屋面设备的防雷功效。良好的屋面设备不仅使等电位和分流这两个问题迎刃而解，而且对防御雷电电磁脉冲也是最有效的措施。在车站的站台雨棚顶上可设置太阳能光伏发电电池板，由于屋顶上的太阳能板采用粘贴式非晶硅太阳能光伏发电电池板，与屋面铝合金板可靠电气焊接，而站台雨棚屋面已采用防直雷的措施，在遭受雷击的情况下电池板能自动切除此块太阳能板与系统的连接，且太阳能供电系统非该工程的主要供电电源，不会引起二次雷击灾害。屋面上的排烟口、人孔等突出屋面的部分应采用金属材质，且屋面上所有金属构架、管道、铁梯、水箱等均用具有高防腐蚀性和高导电率的专用导体与屋面钢结构压接。屋顶航空障碍灯应与屋面下的结构钢质次行架用25mm×4mm热镀锌扁钢可靠电气焊接。

2.5 雷电波的防护措施

在防雷电波侵入方面，电缆进出线在进出端应将电缆的金属外皮、进户钢管等与电气设备接地装置相连。外立面玻璃幕墙、铝合金百叶等金属幕墙均需与就近结构钢梁可靠电气焊接。该项目建筑物电子信息系统防护等级为A级，信息设备配电系统安装多级电涌保护。弱电系统设备的信号电缆设置相应的信号电涌保护，并严格按照规范的规定要求采取屏蔽、等电位联结、安装电涌保护器等措施。

3 结语

大自然的风雨雷电，不是我们所能控制，当雷击发生时所产生的大电流经由接地系统散绝大多数现代铁路信号设备已经电子化，复杂的电子装置能否在雷雨之中保持可靠的稳定性，是现代铁路设备科技人员急需研究的技术难题，分级防雷，用多重防护系统十分必要。要克服高电压差所造成的伤害，高铁站要从防雷措施着手，在外部防雷装置上，要妥善装设接闪器，并注意其有效遮蔽率，接地网络则是关系着防雷功能的成败。

参考文献

[1] 李汝军.客运专线接触网防雷加强措施探讨[J].电气化铁道，2011（4）.

[2] 于喜林，陆军.城市轨道交通接触网防雷技术应用[J].电气化铁道，2011（4）.

[3] 徐惠.京沪高铁上海虹桥站防雷设计[J].现代建筑电气，2011（8）.endprint

2.3 等电位联结设计

这是指使建筑物内的各个部位都形成一个相等的电位，即等电位。若高铁站建筑物内的结构钢筋与各种金属设置及金属管线都能连接成统一的导电体，建筑物内当然就不会产生不同的电位，这样就可保证建筑物内不会产生反击和危及人身安全的接触电压或跨步电压，对防止雷电电磁脉冲干扰微电子设备也有很大的好处。

总等电位联结通过总等电位联结端子箱和共用接地体实现，即各系统接地干线均接到总等电位联结端子箱及共用接地体，建筑物内金属构件、管道、构架等主要金属物、进出建筑物的金属管道、进入建筑物电缆的金属外皮等可导电体均应采用热镀锌扁钢40 mm×4 mm与总等电位联结端子箱联结，总等电位联结端子箱再采用热镀锌扁钢40 mm×4 mm与联合接地体可靠连接。作为地下引线的钢结构柱均保证其与周边金属导体作可靠电气连接，以保证电气连续性。

2.4 屋面设备的防雷设计

屋面防雷在很大程度上需要借助于屋面所设置的金属设备，这些设备的主要目的是使高铁站建筑物内的通信设备、电子电脑、精密仪器以及自动控制系统免遭雷电电磁脉冲的危害。高铁站建筑物内的这些设施，不仅在防雷装置接闪时会受到电磁干扰，而且由于它们本身零敏性高且耐压水准低，有时附近打雷或接闪时，也会受到雷电波的电磁辐射的影响，甚至在其他建筑物接闪时，还会受到从该处传来的电磁波的影响。因此可利用钢筋混凝土结构内的钢筋，即建筑物内地板、顶板、墙面、及梁、柱内的钢筋，使其构成一个六面体的网笼，即笼式接闪网，从而实现屋面设备的防雷功效。良好的屋面设备不仅使等电位和分流这两个问题迎刃而解，而且对防御雷电电磁脉冲也是最有效的措施。在车站的站台雨棚顶上可设置太阳能光伏发电电池板，由于屋顶上的太阳能板采用粘贴式非晶硅太阳能光伏发电电池板，与屋面铝合金板可靠电气焊接，而站台雨棚屋面已采用防直雷的措施，在遭受雷击的情况下电池板能自动切除此块太阳能板与系统的连接，且太阳能供电系统非该工程的主要供电电源，不会引起二次雷击灾害。屋面上的排烟口、人孔等突出屋面的部分应采用金属材质，且屋面上所有金属构架、管道、铁梯、水箱等均用具有高防腐蚀性和高导电率的专用导体与屋面钢结构压接。屋顶航空障碍灯应与屋面下的结构钢质次行架用25mm×4mm热镀锌扁钢可靠电气焊接。

2.5 雷电波的防护措施

在防雷电波侵入方面，电缆进出线在进出端应将电缆的金属外皮、进户钢管等与电气设备接地装置相连。外立面玻璃幕墙、铝合金百叶等金属幕墙均需与就近结构钢梁可靠电气焊接。该项目建筑物电子信息系统防护等级为A级，信息设备配电系统安装多级电涌保护。弱电系统设备的信号电缆设置相应的信号电涌保护，并严格按照规范的规定要求采取屏蔽、等电位联结、安装电涌保护器等措施。

3 结语

大自然的风雨雷电，不是我们所能控制，当雷击发生时所产生的大电流经由接地系统散绝大多数现代铁路信号设备已经电子化，复杂的电子装置能否在雷雨之中保持可靠的稳定性，是现代铁路设备科技人员急需研究的技术难题，分级防雷，用多重防护系统十分必要。要克服高电压差所造成的伤害，高铁站要从防雷措施着手，在外部防雷装置上，要妥善装设接闪器，并注意其有效遮蔽率，接地网络则是关系着防雷功能的成败。

参考文献

[1] 李汝军.客运专线接触网防雷加强措施探讨[J].电气化铁道，2011（4）.

[2] 于喜林，陆军.城市轨道交通接触网防雷技术应用[J].电气化铁道，2011（4）.

[3] 徐惠.京沪高铁上海虹桥站防雷设计[J].现代建筑电气，2011（8）.endprint