高速公路机电系统防雷设计

高速公路机电系统防雷设计

邸赫

辽宁艾特斯智能交通技术有限公司辽宁沈阳110166

摘要：雷电是一种剧烈的自然大气现象,由自然界的带不同极性电荷的雷雨云与雷雨云之间、雷雨云与大地之间的放电现象,其放电电压很高,放电电流大,放电时间短。雷击的电效应、热效应和电动力效应都能使建构物遭受破坏,引起火灾及人身伤亡事故,雷击电磁脉冲,会造成信息系统受干扰而影响正常运行和设备毁坏,对操作人员也会造成伤害,有资料介绍,在我国雷害的重灾省,每年损失在几十亿左右,因此高速公路机电系统的防雷设计应引起我们广大设计者的高度重视。本文对高速公路机电系统防雷设计进行了分析。

关键词：高速公路；机电系统；防雷设计.

引言

高速公路机电系统是一个功能强大的集成系统,包括供电设备、监控设备、收费和通信设备等,既有强电设备,又有弱电设备,如果在设计和施工中不重视雷电防护,极易遭受雷击或电磁脉冲的破坏,给高速公路安全管理带来极大的隐患。

一、雷击事故的危害及特点

国际电工委员会(IEC)称雷电为电子化时代的一大公害,高速公路的机电系统是一个功能强大的电器电子系统。既有强电设备,又有大量监控通信及传感等弱电设备,如果在设计中不重视其雷电的保护,极易遭受直雷击或雷电电磁脉冲的危害,轻者部分设备被击坏,系统丧失部分功能,重者使全部系统瘫痪,使经济造成重大损失,给高速公路的安全运营带来极大隐患。有资料介绍,某高速公路收费站就因雷击事故使收费系统瘫痪,中断达6h,直接经济损失20多万元左右。

雷击事故分为直接雷击事故和感应雷电事故两类,直击雷电事故主要有:雷电的热效应、雷电的电效应(高电压、大电流)、雷电的电动力效应造成物体的危险。感应雷(电磁感应雷、静电感应雷)危险虽然没有直击雷危险那么猛烈,但它发生的机率比直击雷高的多,因为直接雷击通常是指落地雷,指雷云对大地某一物体的放电造成物体的击毁、人畜的死伤。而感应雷是一次雷击之后,在某一个较大的范围内产成电磁感应雷或静电感应雷,通称雷电浪涌现象,这种浪涌可以通过电力线、电话线、导电金属管、信息线路等传播到数公里远,使雷害范围扩大。有资料介绍,在直击雷周围2km范围内会使未作防雷保护的电子设备损坏。因此,高速公路机电系统的雷电防御,不仅要防直接雷击,还要防雷电电磁脉冲。

二、高速公路机电系统防雷设计

2.1接地系统

良好的接地系统是高速公路避雷技术中最关键的环节，无论何种形式的雷击，都需要利用接地装置将雷电流送入大地。直击雷防护主要是将避雷针、带或线用作接闪器，接收雷电流并经接地装置导入大地；感应雷则是利用等电位连接、屏蔽等方式来完善防护措施。鉴于高速公路建筑物遭受雷击后，内部机电设备可能受到直击过电压、感应过电流的损害。为尽可能地保护设备安全，将雷电能量安全泄入大地，公路建筑物机器内部弱电设备、电源线路以及通信系统均应做好防雷接地装置工作，机房弱电系统的防雷接地应采取综合布线的方式，电气相通，有效地发挥等电位及屏蔽作用，防范地电位反击电压对避雷系统的破坏。

（1）交流电源防雷接地。主要指机电设备交流电源的提供单元——变压器，为防止线路遭受雷击时，雷击感应电流经线路对变压器产生冲击，破坏系统机电设备的安全，可使变压器中性点直接接地运行，即便发生雷击事故，变压器也能自动跳闸保护，有效保证机电设备的安全。对于采用就近供电电源未装设隔离变压器的机电系统，须在供电电源与弱电设备电源系统间增设电涌保护器SPD，分流雷击电磁脉冲所产生的瞬时过电压，使其降低至设备可承受范围内。

（2）机电设备保护接地。机电设备正常运行时属于带电体，弱设备绝缘出现损害，就会在机电设备、人与大地间构成电流通路，极易诱发操作人员发生触电危险。由于机电设备长时间使用可能会有绝缘老化或碰撞等情况，为尽可能地消除人员安全隐患，机电设备运行时的不带电金属部分应做好接地装置工作，使设备绝缘破损时能将泄漏电流经人体、接地装置泄流到大地。接地装置电阻应低于1Ω，才能确保泄漏电流处于可控安全范围内，不会对人体健康构成威胁。

（3）直流工作接地。目前，高速公路控制系统普遍应用了计算机、通信技术等构成的综合自动化系统，包括集成电路、微电子元件等在内的电子器件已成为机电设备的核心。这些弱电系统多采用直流电源，雷击时一旦出现供电电源波动，就可能给弱电设备带来强烈干扰甚至直接烧毁。直流工作接地一方面可使微电子设备均处于同一低压直流系统中，对于稳定电路电位，防止外来电源干扰具有明显效用。同时，高速公路收费站将监控机房、配电房以及数据反馈屏等设施设备的接地系统搭建为一体化的联合接地系统，还可保证信号传输存在统一的电位参照点，可有效地衰减弱电设备间数据传递、转换可能产生的电磁干扰，保证弱电设备工作的高效性。

2.2信号防雷

通信系统、监控系统中的道路数据信号线、语音传输线采用的有双绞线、同轴电缆、光纤光缆等介质，但除了金属光缆外，其余线缆均不排除有遭受雷击的可能性，并由此传递雷击、高位电压破坏设备。要消除此雷害的潜在隐患，应当注意以下几点：

（1）合理敷设：尽量沿平原、水田等电阻率较低之处进行敷设，力求不经山顶、山脊后存在孤立大树等高杆物体的地方。

（2）屏蔽、分流措施：于埋地电缆上方约30cm处敷设规格为直径6mm或8mm的镀锌导线，降低电缆的雷击故障率；电缆敷设沿线无法避开较多高杆物体时，可在其周围埋设一条半圆形镀锌导线，避免雷击接地物体时对电缆构成反击；电缆芯线每隔200m即安装一个避雷器，用于泄放侵入线缆的雷电流。

2.3场区机电设备防雷

为确保高速公路机电设备安全，避免雷电过电流、过电压的干扰破坏，防雷设计应将场区防雷保护划分为外部、内部防雷保护两大块。前者指建筑物的防雷、接地线等，如处于雷电活跃区，计算机终端及机电设备较集中的地方，应以独立避雷针（网）保护好整栋建筑物，将电流引至10m之外；内部防雷保护主要指电涌保护器（SPD）的安装，电源系统应采用TN-S方式保护，根据直击雷、感应雷有针对性地布设多级电源防雷器。

三、结语

随着我国高速公路里程的迅速增加，高速公路中所广泛应用的诸类型机电系统也承担着越来越繁重的任务。高速公路机电系统主要由通信、收费、监控以及隧道通风照明等弱电或强电设备系统构成，由于电子设备绝缘强度低、过电压耐受力较差，在穿越多雷区和强雷区时，机电设备很容易受到雷电的干扰。要有效预防事故的出现，就更应当注意在高速公路的设计和施工中积极处理好机电设备防雷接地问题，强化防雷薄弱环节，保证交通运输的安全运行。

参考文献：

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［2］刘强，蔡忠宝.浅议高速公路通信系统电源防雷器设置方法［J］.北方交通，2009（7）

［3］尹创.高速公路外场监控设备防雷措施的探讨［J］.交通标准化，2009（8）