垮海大桥防雷方案

   现代桥梁在防雷方面，主要是根据闪电理论及防雷的六大因素进行设计，其中有安装多支避雷针形式或避雷网形式，也有采用避雷带形式，不论采用什么形式的防雷系统，垮海大桥在开阔的海洋面上，极容易遭受雷击。所以垮海大桥应按一级防雷的保护措施设计，接闪器采用避雷针（带）组合接闪器，在防雷方面则比普通建筑物要求高。首先必须考虑防雷效果，同时还应考虑施工问题。
   现在有人认为购买先进避雷针，即可放雷，其实是错误观念。避雷针只起到把雷电引来的作用，还得靠接地体把雷电流迅速泄放入地，若接地体不可靠或不合格，就不能可靠防雷。
   随着科技技术的发展，各式各样的现代桥梁如百花争艳地展现在人们的眼前如斜拉桥、悬索桥和多种桥型组合桥等，如舟山大陆连岛工程桃夭门大桥（连接富翅岛和册子岛）、西堠门大桥（连接册子岛和金塘岛）和金塘大桥（连接舟山金塘岛与宁波镇海），分别横跨桃夭门水道（888 m）、西堠门水道（3535 m）和灰鳖洋（18270 m）海域。
  下面就海洋上的金塘大桥防雷及接地方案进行一些研讨。
  1、金塘大桥简介
　金塘大桥由东向西横跨沥港水道、灰鳖洋18.27Km海面，连接舟山市的金塘岛和宁波市的填海区，是舟山大陆连岛工程中规模最大、至关重要的跨海特大桥。
　金塘大桥项目由金塘大桥（主通航孔桥、东通航孔桥、西通航孔桥、非通航孔桥以及金塘侧引桥、浅水区引桥、镇海侧引桥）和金塘岛接线组成。金塘大桥项目起于金塘岛上雄鹅嘴，接在建西堠门大桥，经化成寺水库、茅岭、沥港水道和灰鳖洋海域，止于宁波镇海老海塘，接规划的沿海北线高速公路，全长26.54Km。其中：金塘侧接线长5.511Km,金塘侧引桥长 1.007Km,跨海大桥长18.27Km,镇海侧引桥长1.752Km。
　全线采用双向四车道高速公路标准建设，桥梁设计汽车荷载采用公路－Ⅰ级，地震基本烈度为Ⅶ度。主通航孔桥全宽30.1m。
　主通航孔桥采用主跨620m，孔跨组合为77＋218＋620＋218＋77m双塔双索面半漂浮式的扁平钢箱梁斜拉桥，钻石型索塔塔顶标高210.6m,两个索塔主墩基础采用变直径钻孔灌注桩（上段直径2.85m,下段直径2.5m），桥梁通航等级5万吨级海轮，通航净高51 m，通航净宽544 m；东通航孔桥采用主跨216 m，孔跨组合为122＋216＋122 m三跨连续刚构桥，主墩基础采用变直径钻孔灌注桩（上段直径2.5m,下段直径2.3m），桥梁通航等级3000吨级油轮，通航净高28.5 m，通航净宽121 m；西通航孔桥采用主跨156 m，孔跨组合为87＋156＋87 m三跨连续梁桥，主墩基础采用变直径钻孔灌注桩（上段直径2.3m,下段直径2.0m），桥梁通航等级500吨级杂货船，通航净高17 m，通航净宽126 m；非通航孔桥采用50或60 m预应力混凝土连续箱梁以及118m的连续梁桥，预应力砼连续箱梁桥基础采用φ1.5m钢管桩，其余为钻孔灌注桩。
  2、防雷要求
　2.1直击雷的防护
　对管理中心、办公楼、高杆灯等高耸建筑或物体应进行直击雷防护，可选用响应快、保护范围大、无需维护的专用避雷针（如预放电型避雷针）。
　对外场监控设备小范围的物体应进行直击雷防护，可选用常规的富兰克林避雷针。
  管理大楼防雷由房建设计单位统一考虑，大桥总体防雷系统在主体工程中统一设计。
　2.2侧击雷的防护
　桥面以上每隔6米用50×5mm扁钢在主塔周围焊接一周。
　2.3电源防雷
　变电站低压出线入总配电柜前每路加装25KA（10/350us)或65~100KA（8/20us)三相电源防雷器，作为首级防护；
在监控、通信等电源室总进线端每路加装40~65KA（8/20us)的三相电源防雷器；
　在电源室出线、UPS出线端（引至室外）每路加装40KA（8/20us)的各种型号的三相电源防雷器，具体应根据实际情况进行配置；
　按现场实际情况可在外场设备电源进线口加装15~40KA（8/20us)的单相电源防雷器。
　2.4信号防雷
　摄像机的馈线安装信号防雷器以及同轴视频信号防雷器；
　外场监控数据设备的信号线两端安装双绞线信号防雷器。
　3、接地要求
　采用独立接地方式时要求两接地网间至少要有20m的距离，在大桥上做几个互相没有电气联系的接地网是很困难的。搭桥内的钢筋相互交错，互相连通，很难分开，并且影响施工进度。防雷装置与电气设备的工作接地只能合用一个总的接地网，接地电阻应符合其最小值要求。供电接地系统宜采用TN－S系统，按规范宜采用一个总的共同接地装置，即统一接地体。统一接地体为接地电位基准点，由此分别引出各种功能接地引线，利用总等电位和辅助等电位的方式组成一个完整的统一接地系统。通常情况下，为节省开支，同时为加快施工进度，接地系统利用大桥的桩基钢筋，并用50×5mm不锈钢扁钢或150mm2铜芯软电缆作为引出线与设备工作接地连成一体。根据规范，该系统与防雷接地系统共用，其接地电阻应≤1Ω。若达不到要求，必须增加人工接地体或采用化学降阻法，使接地电阻≤1Ω。供电缆线应做屏蔽接地、防雷接地，一般可在外场设备处将铠装层接地；电力电缆及通信电缆从室外进入设备或机房处应采取防雷电过电压的措施，其避雷装置、过电压吸收装置等都应可靠接地。
　对于室内的监控等设备宜做联合接地，其接地电阻不应大于1欧姆。室内计算机等电子设备布置时应远离防雷装置的接地引下线，其间距宜大于5米。
　4、接地极的选择
　4.1利用基础变直径钻孔灌注桩内外边缘钢筋作为接地极
　利用基础变直径钻孔灌注桩内外边缘钢筋作为接地极，有利于雷电流的快速释放。利用搭桥内的钢筋和桩基内的钢筋作为引上线，与避雷针和桥面的两侧路灯基础相连。利用钢筋混凝土基础作为接地极，其原理是在制造钢筋混凝土基础的过程中，会在混凝土周围存在着很多细小的毛细管，基础的混凝土与海水接触时，在水压的作用下使混凝土含较多的海水，从如降低了混凝土的电阻率，所以用基础变直径钻孔灌注桩内外边缘钢筋作为接地极是可行的。
　4.2基础变直径钻孔灌注桩内置50×5mm扁钢做接地引线外置铜板作为接地极
　如果基础变直径钻孔灌注桩内的钢筋，经过环氧树脂防护，并且混凝土经过防水处理，钢筋几乎与海水不接触，接地电阻将会很大，其作为接地极，将不利于雷电流的快速释放。此时基础变直径钻孔灌注桩内置50×5mm扁钢（不用镀薪扁钢，它与混凝土结合不紧密，并且不好焊接）和150mm2铜芯软电缆通过铜接线端子用螺栓相连，其连接点埋在混凝土内，并将150mm2铜芯软电缆用铜接线端子与200*200*5mm铜板用螺栓相连，200*200*5mm铜板尽量放置在外侧与低潮海水接触。
　5、接地电阻率测定
　5.1混凝土在海水中的电阻率
　混凝土接地电阻率的精确测量方法是费朗克文纳的四电极法。分别将四根长150mm直径为32mm钢筋插入试桩混凝土承台100mm深做接地极，四根钢筋在一条直线上，相邻两根间距（a）为20倍插入深度既2000mm，当第一根和第四根接地极两端分别接在220伏电源的火线和零线时，测得中间两根接地极间电压为0.41伏，流过零线的电流为115毫安，则R=U/I=0.41/0.115=3.565Ω，混凝土在海水中的电阻率为ρ=2πRa=2*3.14*3.565*2=44.776Ωm。
　5.2混凝土在海泥中的电阻率
　利用以上方法测量混凝土在海泥土的电阻率。分别将四根长150mm直径为100mm混凝土插入混凝土大海滩边的泥土100mm深，其中直径为32mm钢筋做接地极，四根钢筋混凝土在一条直线上，相邻两根间距（a）为20倍插入深度既2000mm，当第一根和第四根接地极两端分别接在220伏电源的火线和零线时，测得中间两根接地极间电压为0.53伏，流过零线的电流为6毫安，则
R=U/I=0.53/0.06=8.565Ω，混凝土在海水中的电阻率为ρ=2πRa=2*3.14*8.565*2=107.576Ωm。
　5.3海泥的电阻率
　利用以上方法测量海泥土的电阻率。分别将四根长150mm直径为32mm钢筋插入大海滩边的泥土100mm深做接地极，四根钢筋在一条直线上，相邻两根间距（a）为20倍插入深度既2000mm，当第一根和第四根接地极两端分别接在220伏电源的火线和零线时，测得中间两根接地极间电压为0.31伏，流过零线的电流为146毫安，则R=U/I=0.31/0.146=2.123Ω，混凝土在海水中的电阻率为ρ=2πRa=2*3.14*2.123*2=26.665Ωm。
　5.4海水的电阻率
　利用以上方法测量海水的电阻率为ρ= 4.2101m。
　6、接地电阻的计算
　6.1混凝土在海水和海泥中的接地电阻相当于将一个接地电阻分成两个假定单元接地体的并联接地电阻：R= R1R2/（R1+R2）
　　在均匀土壤中的电阻：R1=[ρln4l/d+(ρ-ρ1)ln4l/d1](2πl1)
　　R2=[ρ2ln4l/d+(ρ3-ρ2)ln4l/d1][2π（l-l1）]
　　式中 ρ__海水的电阻率，4.210欧姆.米；
　　ρ3__海泥电阻率，26.665欧姆.米；
　　ρ1__混凝土在海水中的电阻率，44.776欧姆.米；
　　ρ2__混凝土在海泥土中的电阻率，107.576欧姆.米；
　　d1__圆柱形混凝土体的直径，2.500米；
　　d__接地体（圆柱形混凝土内钢筋直径，0.032米；
　　l __接地体（钢筋体或圆柱形混凝土体）埋设在海水中的长度，10米；
　　l1 __接地体（钢筋体或圆柱形混凝土体）埋设在海泥土中的长度，40米；
　　计算得：R1=3.401Ω R2=2.332Ω R=1.383Ω
　　6.2 铜板直接埋在钢管桩的内侧时的接地电阻：R=ρ/2πt*ln(r+t)/r
　　式中 ρ__海水的电阻率，4.210欧姆.米；
　　t__埋地深度，1.米；
　　r=(a*b/2π)1/2 ,.米；
　　a=0.20m, b=0.20m:
　　计算得 R=1.3746Ω
　7、接地极的组成
　7.1主桥墩及索塔
　利用两个索塔主墩基础外边缘变直径钻孔灌注桩（上段直径2.85m,下段直径2.5m），每隔一个钻孔灌注桩选两根相邻，直径为32mm（截面积相等）边缘钢筋做接地极，这样垂直接地极相互间屏蔽效应影响很小，可忽略。否则垂直接地极相互间距离太近，由于屏蔽作用会影响接地电阻值。每个索塔主墩基础外边缘四个角分别在变直径钻孔灌注桩内置50×5mm扁钢做接地引线外置200*200*5mm铜板作为接地极。将所有接地极会总后沿索塔内四周边缘8根直径为32mm（截面积相等）钢筋做接地引线，与索塔塔顶的避雷针相连和下横梁上方引出设备工作接地点左右各一处。两个索塔在标高60米以上，在其周围每隔6米焊接一圈50×5mm扁钢作防侧击雷用。
　7．2 东通航孔桥和西通航孔桥
　利用东通航孔桥和西通航孔桥的墩基础边缘变直径钻孔灌注桩，每隔一个钻孔灌注桩选一根直径为32mm（截面积相等）外边缘钢筋做接地极。使每个垂直接地极相距大于5米。每个桥墩基础外边缘四个角分别在变直径钻孔灌注桩内置50×5mm扁钢做接地引线外置200*200*5mm铜板作为接地极。将所有接地极会总后沿桩基内四周边缘4根直径为32mm（截面积相等）钢筋做接地引线，分别与桥面的两侧路灯基础相连。
　7．3非通航孔桥
　50或60 m预应力混凝土连续箱梁以及118m的连续梁桥，利用预应力砼连续箱梁桥基础外边缘φ1.5m钢管桩和钻孔灌注桩内直径为32mm（截面积相等）边缘钢筋做接地极。使每个桥墩至少有相距大于5米接地极四根，4根直径为32mm（截面积相等）钢筋做接地引线分别与桥面的两侧路灯基础相连。大桥每隔1500米左右在其桥墩基础外边缘对角分别在变直径钻孔灌注桩内置50×5mm扁钢做接地引线外置200*200*5mm铜板作为接地极两块，并将50×5mm扁钢做接地引线与直径2.30米钢管桩焊接，作为中央分隔的带路灯变压器工作接地点。
　7．4 接地体间连接
　50或60m预应力混凝土连续箱梁以及118m的连续梁桥，是在预制厂预制后，再运至桥墩上安装，所以预应力混凝土靠路灯侧连续箱梁必须预埋两根接直径为32mm（截面积相等）地线，其接地线与两侧路灯基础相连，将已焊接在桥面两根接直径为32mm（截面积相等）地线扁钢50×5mm钻直径10 mm孔后，与50×5mm不锈钢扁钢或150mm2铜芯软电缆通过铜接线端子用螺栓相连，其连接点埋在混凝土内，并将安装在其桥梁的两端外侧，接地电缆必须偏离桥梁支座，各引两根50×5mm不锈钢扁钢或150mm2铜芯软电缆作为引出线与桥墩接地连成一体；将已焊接在桥墩两根接直径为32mm（截面积相等）地线扁钢50×5mm，扁钢钻直径10 mm孔后，与50×5mm不锈钢扁钢或150mm2铜芯软电缆通过铜接线端子用螺栓相连，其连接点埋在混凝土内，并将安装在其桥墩的两端外侧，接地电缆必须偏离桥梁支座，各引两根50×5mm不锈钢扁钢或150mm2铜芯软电缆作为引出线与桥面接地连成一体。所有的接地线均为等电位连接。
　8．接地电阻测试
　8．1 接地电阻测检验
　　电位为零的地方就是我们所说的电气上的“地”，把电气设备的金属部分用导体与地作良好的连接即为接地，埋入地中并直接与大地接触的导体称为接地体（或极），连接设备接地部分的导体为接地线，接地线和接地极的总和即为接地装置。接地电阻是接地体周围土壤对接地电流呈现的阻碍作用，是指接地电流从接地体流向周围土壤时，接地体与大地远处的电位差与该电流之比。接地故障电流（或接地短路电流、接地电流）再大地中由接地体作半球形散开，在相当远处（有关实验证明为20m）趋近于零。
　8．2 接地电阻测测试方法
　如果检测主桥的接地电阻，通过连接桥梁路灯处的接地引线，在5公里外检测，这样才是真真的接地电阻。
　9．经济技术比较
　节省人力和物力，把接地连接体埋在混凝土内，美观并且经久耐用。
　　参考文献
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　　[2]《建筑电气设计技术》徐志强华南理工大学出版社 1994年
　　[3] 97SD567《等电位联结安装》中国建筑标准设计研究所出版 1998年
　　[4] 全国通用建筑标准设计电气装置标准图集 JSJT-85《接地装置安装》 1986年
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　　[6]《浅谈多层住宅的防雷与电气设备的接地问题》《建筑电气》1992年第3期
　　[7]《供配电设计手册》焦留成主编芮静康主审中国计划出版社 1999年