高速公路机电系统过电压保护与防雷接地设计

高速公路机电系统过电压保护与防雷接地设计

支文武 郑思瑞 朱明杰

温州市环境发展有限公司 浙江 温州 325000

摘 要：为了在高速公路机电系统的实际应用中预防减少雷电带来的灾害、将损失降至最低。通过简单介绍过电压在机电系统中的入侵方式之后，针对机电系统这一高速公路运营中极其重要的组成部分，论述了其进行过电压维护与防雷接地设计的必要性，并根据相关信息针对具体建筑路段外在环境情况提出了防雷接地设计可以采用的具体方法，希望可以为机电系统研究管理行业提供理论支撑，为有关部门提供有益的参考和建议。

关键词：公路机电系统；过电压保护；防雷接地

衡量当前交通运输行业的质量与水平，高速公路交通显得格外重要，机电系统的防雷接地设计与过电压保护是高速公路交通平稳安全高质量的保障。为做好这一保障，机电系统防雷接地的设计人员需要进行以下几点的设计：感应雷雷击电磁脉冲(LEMP)的防护设技，接地系统设计、直击雷防护设计、屏蔽和等电位处理设计，这些设计的前提就是要明确防雷接地的设计要求。另一方面研究控制措施重要性以及问题入侵途径是相关建设人员应该具有的基础知识，由此才能更好的实施具体的控制措施降低风险。

一.电压在机电系统中入侵途径

研究表明，过电压对设备的损坏是高速公路机电系统故障的原因之一。机电系统易被雷击造成损坏的原因是其控制回路很多且结构都较为复杂。

机电系统受到的雷击伤害大小主要取决于两种方法：

1.1 传导耦合

雷电流与设备之间的最常见耦合路径就是导电耦合。该连接的前提是设备与雷电流之间存在可靠的连接，以便雷电流进入设备。如果把电源电缆，信号电缆和互连线根据耦合方法进行分类，则可以分为电感性，电容性和电阻性。

共阻抗的产生是因为相同的阻抗中有两个电路的电流流过，那么其中电路A由于电流流动而产生的电压会影响到另电路B。^[1]基于这一理论，应尽可能在实际生产中通过减小电源内阻和线路的阻抗，来实现降低阻抗的目标，有条件的情况下不仅要缩短还要加粗。如果没有条件降低线路阻抗和电源内部电阻，则可以安装电涌保护设备在控制回路上。电容耦合会引起过电压，此与雷电流成正比。想要减小耦合电容以抑制这种情况，设计中就需要考虑到屏蔽和隔离。电感耦合引起的过电压也与雷电流成正比，抑制这种情况的有效方法是减小互感。

1.2 辐射耦合

主要指雷电电磁脉冲通过多种媒介，以电磁波的形式实 现对外传播，在能量传播中主要根据电磁场规律随机向周围空间发射。因此，常见的耦合途径主要为机壳、电缆等。^[2]

二.高速公路机电系统过电压保护与防雷接地设计的重要性

目前机电系统建设的需求量越来越大，这是由于电子科学技术的蓬勃发展，同时人们对机电系统的质量要求越来越高，追求安全稳定性。然而，高速公路的机电系统还是会不同程度的受到雷电侵害，这是因为，沿线的土壤电阻率在公路工程的路基路面的施工过程中，不可避免的会受到一些影响，从而变成了雷电或雷击感应的薄弱点。例如，严重的情况下，雷电会使机电系统被迫瘫痪，进而伤害了交通运输网络，使公路上的工程建设的经济成本大大增加，甚至会埋下永久的隐患。如果任由这样发展下去，高速公路网络的建设将会被迫停滞不前。由此我们可以得知，建设人员想要保障高速公路机电系统安全平稳运行，就需要明确高速公路机电系统过电压保护问题是高速公路网络建设的前提。另外，想要满足对高速公路建设和使用不断增长的需求，有关人员应继续对防雷接地设计进行优化，这也是提高公路机电系统稳定性的重要环节。

三.高速公路机电系统防雷接地的具体方法

3.1 明确防雷接地的设计要求

需要设计者充分考虑的因素有很多，主要包括以下几点：项目所在地的外部环境会带来的影响，设备布局还有在雷击的时候会出现问题的范围等。由此可知，设计人员在考虑到电磁脉冲的保护问题时，应该采取综合措施，例如闪烁，屏蔽，分流，共用接地，电压均衡和合理的布线。另一方面，接地设计人员想要达到高速公路机电系统的防雷接地设计和使用效果。

应着重于综合管理，综合规划和先进技术的应用。

3.2 接地系统设计

接地装置的设计和使用应采用自然接地体，即建筑物的基础加固、收费站柱的基础加固、车道的基础加固等。另外，在采用机电系统的空地施工的时候，垂直接地体与人工水平接地体之间的距离应小于五米。这样，可以减少由局部限制引起的设计影响。

目前，大多数是由等电位连接网络和相关的接地装置组成的普通的接地系统，被应用在高速公路机电系统的防雷接地系统。自然接地体和人工接地体组成了接地装置。因此，确保所连接的电子设备的接地电阻值是最小值就成为了设计者的首要任务。

3.3 直击雷防护设计

考虑到直击雷防护的需要，设计人员可以根据滚球法来设计防护措施。 首先，设计人员应考虑到保护高速公路收费站和监控中心建筑物的各种通信天线安全的需要，以此为基础来设计避雷针布局，树木和高度的参数，以此来保障其具有的作用能够得到发挥。其次，可以把金属框架，天花板，支柱和道路的基本加固作为引下线应用在收费站的设计上，还可以使用空气终端装置和其他相关的接地装置，作为收费站的直接防雷设计。另外，为了确保人员的安全和稳定，还应安装避雷针到广场的照明设备与道路上。 对于这些过程中的提到的设备的支撑，可以使用混凝土棒和钢棒作为防雷设计的引下线，但接地的电阻值应控制在30Ω以下。最后，为了实现与场外电子设备的接地共享，设计人员还必须为广场上的摄像机，立柱和信息板等设备设置上避雷针。最关键的是设计人员应设计二类防雷建筑工作，即将收费站和监控中心大楼可承受的雷击次数设置为大于0.06次/ a，此数据的根据是高速公路的防雷设计规范。

3.4 屏蔽和等电位处理设计

屏蔽和等电位处理设计是为了有效的提高了等电位与金属屏蔽层结合工艺的效果。防雷和等电位处理的设计人员为实现防雷接地系统的电气连接，应在监控中心计算机室的底部设置一个预设的等电位连接端子板。这是由于建筑物的底层大部分被用于设置高速公路的监控中心，因此想要形成屏蔽罩，就要在建筑物结构中使用金属门窗和钢筋。具体的措施是，将钢筋的网眼尺寸控制在200×200 毫米之内，通过这种方式，可以形成完整而可靠的屏蔽罩，钢结构与门窗之间可以电连接到。而值得注意的是，高速公路监控中心机房四周角落应安装建筑面积应控制在50 毫米以上的铜排，在设计防静电地板的时候，让多处最近的等电位连接网络、接地母线与其金属支撑架电气连接。

四.结语

综上所述，相关施工人员应尤其注意。想要保证运输网络的长期运行，就要对高速公路机电系统的这些重要部件进行防雷击。在确定不同的侵入路径的情况下，应考虑到机电系统的系统性综合性。通过运用针对性的设计方案，重点保护高速公路监控中心，收费站等。为高速公路的长期平稳运行奠定良好的基础。

1参考文献：

^[] 冯旭宇，刘晓东，卢士庆，张锐.高速公路机电系统过电压保护与防雷接地设计[J].工业安全与环保， 2011（2）：40-41，54

2^[] 崔鹏飞.高速公路机电系统过电压保护与防雷接地设计研究[J].黑龙江交通科技，2015（12）：199-201