摘 要 针对天津站交通枢纽工程防雷接地与杂散电流防护之间存在的矛盾,结合gb50157—2003《地铁设计规范》、cjj49—92《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》及目前地铁接地应用现状,对天津站交通枢纽工程利用结构接地的方案进行了深入分析和探讨。介绍了适合于天津站交通枢纽工程的主体结构接地方案,并对地铁全面采用结构接地的方案进行展望。
关键词 地铁,杂散电流,接地保护,研究
1 工程概况
天津站交通枢纽轨道换乘中心主体工程采用地下4层方案。在主体上面布置有城际轨道交通站房、公交枢纽、停车楼等地面建筑。天津站交通枢纽工程效果图如图1所示,现正在建设中。
主体工程的地下4层为地铁3号线的站台层,地下3层为地铁2、9号线的站台层及3号线的设备层,地下2层为3条地铁线的公共厅层,地下1层为各种交通方式换乘的交通层。主体结构作为城际轨道交通站房及公交中心的基础,与其上部结构连成一体。城际轨道交通站房及公交中心采用金属屋面。天津站交通枢纽工程的建筑物相互位置关系示意图如图2所示。
2 轨道换乘中心防雷接地存在的问题
轨道换乘中心顶板上布置有城际轨道交通站房、公交中心等地面建筑,且地面建筑的主体结构与轨道换乘中心的地下主体结构是连成一体的。WwW.11665.cOm地下主体的连续墙在防水层外部,各层楼板钢筋与连续墙钢筋焊接在一起,钢管柱与顶板、底板、各层中板的钢筋焊接在一起,抗拔桩钢筋与底板钢筋焊接在一起。所以,主体结构钢筋通过抗拔桩、连续墙钢筋已经实现了良好的接地,主体结构已经无法屏蔽杂散电流向地铁外泄漏(如图3所示)。
城际轨道交通站房及公交中心作为第二类防雷建筑物,按常规将利用金属屋面作接闪器、柱内钢筋作引下线并与接地装置电气联接。作为地下主体的地铁车站,需要采取对杂散电流腐蚀的防护措施,按现行《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》,结构与接地装置应该是绝缘的。
地上、地下结构是一体的,如果接地网与地下部分绝缘,也应与地上部分绝缘。但地上建筑的防雷装置与主体结构是连通的。采用综合接地,又不可避免地利用结构接地,与杂散电流腐蚀防护存在矛盾。主体结构已不宜再作为杂散电流辅助收集网了。
3 国内外地铁接地应用现状
据了解,国外允许地铁接地网与结构钢筋联通,利用结构钢筋做自然接地体。
国内地铁接地网大多按与结构绝缘的要求做,但多数已经运营的地铁项目实测的整体效果都不绝缘。其原因如下:
1)由于交流设备安装并不是严格采用绝缘安装,且安装点很多,即便绝缘安装,其过渡电阻也很小,所以接地网与结构是连通的。
2)主体结构外施作了防水层。《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》第5.1.2条规定:“地铁主体结构的防水层,必须具有良好的防水性能和电气绝缘性能。防水材料的体积电阻率ρ不得小于108ω·m。”虽然电阻率很高,但由于面积很大,故电阻值很小。
4 利用结构钢筋作自然接地体的可行性
对城市轨道交通杂散电流产生的原因及防治,已有诸多文献予以报道[2-4],本文不再赘述。目前地铁线路都为整体道床,并利用道床钢筋作为杂散电流收集网,基本可以将道床结构钢筋极化电压的正向偏移平均值限制在0.5v以下,杂散电流密度小于0.6ma/dm2,从而保证道床钢筋处于钝化腐蚀状态。本车站主体结构处于第二层,如果出现电流泄漏当然也处于钝化腐蚀状态。另外由于目前实时检测技术的应用,一旦出现杂散电流泄漏,能够及时有效地利用道床钢筋进行排流,不必再利用结构作为辅助或后备收集网。这就为利用结构钢筋做自然接地体创造了条件。
为变电所实施的人工接地网主要是减小接触电压和跨步电压。天津站交通枢纽的结构埋深达30m,地下结构又是一个庞大的等电位体,实施人工接地网的意义已经不大。因此建议取消外引的人工接地网,利用主体结构作为自然接地体,只在变电所房间内实施均压带。由于没有外引接地系统,在这种情况下,更好地堵住了杂散电流向地铁外泄露的金属通路。因此,利用主体结构做接地装置,使主体结构不再作为杂散电流辅助收集网是可行的。
人工接地网与结构钢筋作自然接地体的优缺点分析如下:
1)采用与结构绝缘的人工接地网,施工工艺要求高,投资大。由于人工接地网引入地铁,在穿过结构板时要采取绝缘措施和防水措施,造成施工工艺复杂,实施难度很大。典型地铁车站的人工接地网造价一般在30万~60万元,困难地区甚至达到100万元。
2)目前的地铁项目并没有真正实现接地网与主体结构绝缘的目的。由于交流设备安装并不是严格采用绝缘安装,且安装点很多,即便是绝缘安装,其过渡电阻也很小,所以接地网与主体结构实际上是连通的。
3)利用结构钢筋做自然接地体,不需要进行绝缘处理和防水处理,施工工艺简单,是对主体结构这种资源的重复利用,省去了外引人工接地网,因此可以大大地减少投资。地铁车站的结构钢筋构成一个庞大的等电位法拉第笼。对于一般车站,这个法拉第笼约有几万m3,对于天津站交通枢纽甚至可以达到几百万m3,非常容易实现要求的接地电阻,完全可以作为地铁的综合接地网。这是任何人工接地网无法比拟的。
所以无论从技术还是经济方面,利用主体结构做接地网都显著优于人工接地网。
5 建议实施的接地方案
2006年9月在天津举行了轨道换乘中心接地方案专家论证会。经过广泛的交流和充分的论证,利用结构作接地网的方案得到了专家们的认可。根据专家论证会意见,轨道换乘中心综合接地、防雷基本上按以下方案实施。
1)接地网设置方案:利用本工程的地下最底层桩基作为综合接地装置;根据需要,从底板结构钢筋引出若干强电保护接地总排、等电位接地总排。
2)防直击雷方案:利用地面建筑金属屋面做接闪器,柱内钢筋做引下线,利用地下主体结构桩基作接地装置。为了乘客的安全,竖向钢柱与顶板、底板焊接的同时,与结构中板钢筋也应可靠焊接。
3)等电位联接:采用m型等电位网络。各种接地总排通过电缆进行联接,每层的等电位接地端子箱也通过电缆横向联接。
4)电涌保护方案:地面建筑部分按常规进行雷电防护区的划分及电涌保护设置。对于地下部分,出入口罩棚等的外部空间属于直击雷非防护区,出入口罩棚的内部空间为第一防护区。由于降压变电所位于车站内部,从雷电波的活动规律来看,变电所低压母线应为第二防护区,这是和地面建筑不同的地方。需要进一步保护的电子信息设备房屋所处的空间则属于后续防护区。
出入口罩棚及冷却塔等引入、引出建筑物的回路及变电所低压进线按第一级设置电涌保护;变电所低压母线按第二级设置电涌保护;弱电设备房间的配电箱按第三级设置电涌保护。
6 对杂散电流防护设计的几点要求
1)轨道换乘中心结构钢筋不再作为杂散电流辅助收集网,把结构段钢筋与相邻的地铁隧道段钢筋进行电气断开。同时对地铁结构段进行可靠的电气焊接,设置必要的杂散电流防护检测,其信号应传送至天津站管理控制指挥中心。
2)加强对结构连接缝的绝缘处理,地铁各线分别把相邻的两个地铁结构段钢筋采用电缆进行电气跨接。结构连接缝处有止水带和聚硫密封膏等绝缘材料,与地铁各线连接的结构缝两侧不进行电气跨接就可以保证与地铁结构段良好的绝缘。
3)建立杂散电流收集网,将道床下钢筋作为杂散电流的收集网,同时建议采取必要措施,将流向结构段钢筋的杂散电流减小到最低限度。
4)加强走行轨与道床之间的绝缘,提高走行轨的对地过渡电阻。各地铁线在本工程范围内增加了橡胶减震垫,绝缘性能比其他段有大幅度提高。
5)应避免引出的管线与其他结构段钢筋有电气联接。相邻结构段跨越本枢纽的管线应绝缘安装。
6)加强对地铁隧道环境的运营维护工作,保持隧道内干燥、清洁。
7 结语
采用主体结构接地不仅容易实现要求的接地电阻,使地铁内的人和设备更加安全,而且施工工艺简单、减少有色金属消耗,因此可以大量减少投资,具有人工接地网不可比拟的优越性。
近年来,由于广泛采用了整体道床作为杂散电流收集网,随着杂散电流防护技术的进一步发展,走行轨与道床之间、道床与主体结构之间所需要的新型绝缘材料、新工艺的开发也必将出现新的突破。届时,对杂散电流的防护措施就不再依赖主体结构,地铁工程就可以全面采用主体结构接地。
参考文献
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