高速公路電子系統(tǒng)雷電電磁脈沖防護(hù)

卓秀然，卓 勉 （.福建省氣象局，福建 福州 35000；.福建升威電子工程有限責(zé)任公司，福建 福州 35000）

0 前言

高速公路是全立交快速干道，其線路走向、出入口和管理區(qū)大多分布在較惡劣的野外暴露環(huán)境中，易遭受到雷電危害，特別是高速公路的電子系統(tǒng)（包括通信系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、電腦收費(fèi)和閉路電視系統(tǒng)等）由于金屬線纜連接的設(shè)備端口雷電浪涌耐受能力非常弱，極易遭受雷電電磁脈沖而引起設(shè)備損壞，甚至威脅到交通系統(tǒng)的正常運(yùn)行。近年來，福建省高速公路電子系統(tǒng)每年均發(fā)生多次因雷擊造成系統(tǒng)故障的現(xiàn)象，例如廈門某收費(fèi)站2002年6月30日遭一次雷擊，導(dǎo)致收費(fèi)系統(tǒng)幾乎癱瘓，損壞設(shè)備類型8種，累計(jì)金額達(dá)20余萬元；2010年泉州某收費(fèi)站遭受雷擊導(dǎo)致收費(fèi)站陷入癱瘓，影響正常交通達(dá)7 h之久。

本文根據(jù)實(shí)際工程改造經(jīng)驗(yàn)，從影響的方式和途徑入手，提出雷電電磁脈沖防護(hù)的要求，同時(shí)提出高速公路電子系統(tǒng)防雷管理工作的幾點(diǎn)建議，希望能夠?yàn)楦咚俟返姆览坠ぷ魈峁┮欢ǖ膮⒖己椭笇?dǎo)。

1 雷電電磁脈沖在信號電纜上的耦合機(jī)理

國內(nèi)外雷擊造成的危害表明，即使在距離雷擊點(diǎn)2 km處，電子設(shè)備對于感應(yīng)或者傳導(dǎo)的浪涌電壓或者浪涌電流仍舊很敏感。這樣大面積的危害除了有現(xiàn)代電子設(shè)備比較脆弱的原因以外，主要是由于雷電電磁脈沖通過四通八達(dá)的連接電纜耦合產(chǎn)生過電壓、過電流傳導(dǎo)到電子設(shè)備端口造成設(shè)備損害。

浪涌電流在電纜中流動(dòng)時(shí)，會產(chǎn)生縱向電壓和橫向電壓。芯線和電纜金屬屏蔽層之間產(chǎn)生的縱向電壓施加在所連接的設(shè)備輸入端和接地外殼之間 （共模電壓）；芯線之間的橫向電壓施加在所連接設(shè)備的輸入電路上（差模電壓）。

下面就簡要說明雷電電磁脈沖是如何通過阻性耦合、感性耦合、容性耦合耦合到連接電纜上的。

1.1 阻性耦合

如圖1所示，雷擊建筑物1，在其接地電阻上產(chǎn)生約100 kV的電位差，該幅值足以擊穿設(shè)備1和設(shè)備2的絕緣。這樣浪涌電流通過設(shè)備1沿著信號線流到設(shè)備2以及建筑物2的地網(wǎng)上，造成建筑物2的地電位抬升。

圖1 阻性耦合

如果信號電纜屏蔽層兩端接地，浪涌電流沿著屏蔽層流到建筑物2的地網(wǎng)上，同樣造成其地電位升。建筑物2的地電位升又加到與其連接的其他電纜上，可能造成其他設(shè)備損害。

1.2 感性耦合

由于雷電流具有很大的幅值和波頭上升陡度，能在所流經(jīng)的路徑周圍產(chǎn)生很強(qiáng)的瞬態(tài)脈沖電磁場。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，這種變化的脈沖電磁場交鏈導(dǎo)體回路時(shí)，能在回路中感應(yīng)出電動(dòng)勢，產(chǎn)生過電壓和過電流。圖2和圖3給出了信號電纜可能發(fā)生電磁感應(yīng)的例子。

1.3 容性耦合

圖2 感性耦合（信號線的芯線之間組成感應(yīng)環(huán)）

圖3 感性耦合（信號線與地之間組成感應(yīng)環(huán)）

當(dāng)各類電纜上空有雷云生成并向下發(fā)展為下行先導(dǎo)時(shí)，由于雷云和先導(dǎo)通道的感應(yīng)作用，在各類電纜內(nèi)將出現(xiàn)反極性的感應(yīng)電荷（見圖4）。圖4示出的是常見的負(fù)雷云對地放電，雷云以及下行先導(dǎo)的電荷為負(fù)，而在電纜中感應(yīng)的電荷為正，電纜中的負(fù)電荷經(jīng)泄漏電導(dǎo)入地。這些感應(yīng)電荷的聚積速度取決于先導(dǎo)發(fā)展的速度，由于先導(dǎo)發(fā)展速度比回?fù)羲俣刃?00倍以上。在雷擊發(fā)生時(shí)，雷云以及下行先導(dǎo)的電荷迅速中和消散，而反極性感應(yīng)電荷將失去束縛，但是這些電荷不能以與回?fù)舭l(fā)展同樣的速度來消散，因此形成了對地的過電壓，如果在設(shè)備處發(fā)生閃絡(luò)，將在電纜中形成浪涌電流。顯然，電纜越長，對地電容越大，越易形成容性耦合產(chǎn)生過電壓。

圖4 容性耦合

2 防雷接地實(shí)施方案

2.1 直擊雷防護(hù)安全要求

高速公路各類站點(diǎn)的直擊雷防護(hù)措施應(yīng)滿足 《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50057-2000）第二類防雷建筑物的相關(guān)規(guī)定。對于野外單獨(dú)的機(jī)柜或者監(jiān)控?cái)z像頭等設(shè)施應(yīng)裝設(shè)獨(dú)立避雷針，并應(yīng)設(shè)置簡易地網(wǎng)用于雷電流的泄放?？稍诮ㄖ镂蓓斣O(shè)置不大于10 m×10 m或12 m×8 m的避雷網(wǎng)格，避雷網(wǎng)應(yīng)用直徑不小于8 mm的圓鋼，避雷網(wǎng)引下線不得少于2根，并沿四周均勻或?qū)ΨQ布置，其間距不得大于18 m，接地點(diǎn)不得少于2處。對于屋頂?shù)男l(wèi)星接收器、天線等設(shè)施應(yīng)架設(shè)避雷針進(jìn)行保護(hù)。

2.2 地網(wǎng)實(shí)施要求

a）高速公路各類站點(diǎn)應(yīng)采用聯(lián)合接地，即將各個(gè)機(jī)房建（構(gòu)）筑物的地網(wǎng)、配電設(shè)施（變壓器等）接地裝置等連為一體。當(dāng)兩建（構(gòu)）筑物之間有電力、信號等線纜連接，且兩者接地裝置之間的間距在30 m以內(nèi)時(shí)，必須采用熱鍍鋅扁鋼將兩接地裝置聯(lián)為一體。

b）機(jī)房建筑物地網(wǎng)宜采用圍繞機(jī)房建筑物的環(huán)行接地體，有建筑物基礎(chǔ)地網(wǎng)時(shí)，環(huán)行接地體應(yīng)與建筑物基礎(chǔ)地網(wǎng)每隔5～10 m相互作一次連接。

c）接地體埋深不宜小于0.7 m （接地體上端距地面的距離）。水平接地體宜采用熱鍍鋅扁鋼，扁鋼規(guī)格不小于40 mm×4 mm。垂直接地體宜采用長度不小于2.5 m（特殊情況下可根據(jù)埋設(shè)地網(wǎng)的土質(zhì)及地理情況決定垂直接地體的長度）的熱鍍鋅鋼材，垂直接地體間距為垂直接地體長度的1～2倍，具體數(shù)量可以根據(jù)地網(wǎng)大小、地理環(huán)境情況來確定，地網(wǎng)四角的連接處應(yīng)埋設(shè)垂直接地體。對于小型設(shè)施也可采用接地棒等新型接地裝置。

d）接地體之間的所有連接，必須使用焊接。焊點(diǎn)均應(yīng)做防腐處理（澆灌在混凝土中的除外）。接地體扁鋼搭接處的焊接長度，應(yīng)為寬邊的2倍；采用圓鋼時(shí)應(yīng)為其直徑的10倍。

2.3 信號電纜的屏蔽方案

a）對于新建站點(diǎn)，如果需要敷設(shè)大量電纜，可建立有籠狀結(jié)構(gòu)的電纜溝。電纜溝的鋼筋必須焊接連通并且連接到建筑物的鋼筋上。對于已經(jīng)建好但是鋼筋連通性不好的電纜溝，可在電纜溝內(nèi)敷設(shè)1～2根熱鍍鋅扁鋼，扁鋼兩端與地網(wǎng)可靠連接。

b）敷設(shè)少量信號電纜時(shí)可采用套鋼管地埋的方式，鋼管兩端可靠接地。

c）電纜屏蔽層必須兩端可靠接地，為了使屏蔽層內(nèi)的縱向屏蔽電流均勻分布以獲得最大限度的屏蔽性能，連接端宜使用同軸連接器 （例如可接地的革蘭Gland），連接器對屏蔽層能夠提供360°的電接觸。

d）對于已經(jīng)建成的站點(diǎn)（大部分站點(diǎn)屬于這種情況），重新埋設(shè)電纜溝或者穿鋼管以及使用同軸連接器在施工上都存在很大的困難，此時(shí)可進(jìn)行簡單連接，即使用接地卡將電纜外層鎧裝接地，再輔以信號保護(hù)器的配合，也能保證設(shè)備的安全。

e）對于重要性比較高或者容易遭受雷擊的電纜，應(yīng)采用雙層屏蔽或者套鋼管的方式。如果條件有限無法實(shí)施，應(yīng)在電纜附近沿線敷設(shè)一根熱鍍鋅扁鋼，扁鋼兩端與地網(wǎng)可靠連接。

f）連接電纜中閑置不用的空線對應(yīng)做好接地處理。

2.4 機(jī)房內(nèi)部的等電位連接實(shí)施方案

各站點(diǎn)機(jī)房宜優(yōu)先采用網(wǎng)狀連接，可在機(jī)房內(nèi)部沿墻壁設(shè)置均壓環(huán)（一般設(shè)置在機(jī)房地板以下），均壓環(huán)截面積應(yīng)根據(jù)最大故障電流或材料機(jī)械強(qiáng)度來確定，一般應(yīng)采用截面積不小于160 mm2的銅排。該均壓環(huán)從機(jī)房的四角用鍍鋅扁鋼或截面積不小于95 mm2的多股銅線引出并和機(jī)房環(huán)形地網(wǎng)相連，所有連接皆采用焊接的方法并進(jìn)行防銹蝕處理。機(jī)房內(nèi)各設(shè)備應(yīng)就近與均壓環(huán)可靠連接。如果網(wǎng)狀連接系統(tǒng)的實(shí)施或者改造有困難，也可以采用星形系統(tǒng)連接。星形系統(tǒng)連接只適用于設(shè)備所在區(qū)域面積較小的情況。

另外，機(jī)房的接地與等電位連接系統(tǒng)還可根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)、樓層面積、樓層數(shù)量和設(shè)備布置等實(shí)際情況采用網(wǎng)狀－星形混合連接形式。

2.5 電源系統(tǒng)雷電防護(hù)

a）各類站點(diǎn)的電力電纜應(yīng)埋地引入，避免架空方式入局。其交流電源系統(tǒng)的雷電過電壓保護(hù)應(yīng)使用分級保護(hù)，各級浪涌保護(hù)器（SPD）的防護(hù)水平，應(yīng)符合本級保護(hù)范圍內(nèi)被保護(hù)設(shè)備的絕緣水平。

b）高壓電力電纜入站時(shí)，埋地長度應(yīng)大于200 m；低壓電力電纜入站時(shí)，埋地長度應(yīng)大于15 m（高壓電力電纜已做埋地處理時(shí)，低壓電纜的埋地長度可不做限制）。當(dāng)埋地引入有困難時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加電源系統(tǒng)第一級過電壓保護(hù)設(shè)備的防護(hù)等級。

c）具有金屬護(hù)套的電纜入局時(shí)，應(yīng)將金屬護(hù)套接地。無金屬外護(hù)套的電纜宜穿鋼管埋地引入，鋼管兩端做好接地處理。

d）各類站點(diǎn)電源雷電過電壓保護(hù)可參照以下要求。

（a）交流供電系統(tǒng)的第一級SPD（I/B級），可根據(jù)實(shí)際情況選擇在變壓器低壓側(cè)或低壓配電室電源入口處安裝。

（b）交流次級保護(hù)SPD（II/C級），可選擇在后級配電室、樓層配電箱、機(jī)房交流配電柜處安裝。

（c）交流精細(xì)保護(hù)SPD（III/D級），可選擇在控制、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)機(jī)架的配電箱內(nèi)安裝或使用拖板式防雷插座。

（d）直流保護(hù)SPD可選擇在開關(guān)電源、直流輸出輸入端或用電設(shè)備端口處安裝。

（e）直流集中供電或UPS集中供電的配電室，應(yīng)分別在遠(yuǎn)端機(jī)房的（第一級）直流配電屏或UPS交流配電箱（柜）內(nèi)安裝SPD，集中供電的輸出端也需安裝SPD。

（f）向系統(tǒng)外供電的端口，以及從外系統(tǒng)引入的電源端口必須安裝SPD。

e）各類電源SPD的使用應(yīng)滿足以下要求。

（a）在使用分級保護(hù)時(shí)，各級SPD之間應(yīng)保持必要的退耦距離或增設(shè)退耦器件，以確保各級SPD協(xié)調(diào)工作。退耦器件的電感為8～12 μH，且額定工作電流應(yīng)符合供電系統(tǒng)的要求；如果無退耦器件，氧化鋅SPD與氧化鋅SPD之間的退耦距離（電纜長度）應(yīng)不小于5 m。

（b）在TT供電系統(tǒng)的站內(nèi)，應(yīng)使用“3+1”模式的交流電源SPD（即三相分別對零線用限壓型器件保護(hù)，零線對地使用放電管（間隙）保護(hù)）。

（c）在電源SPD的引接線上，應(yīng)串接保護(hù)空開（或保險(xiǎn)絲），防止SPD故障時(shí)引起系統(tǒng)供電中斷。保護(hù)空開（或保險(xiǎn)絲）的標(biāo)稱電流不應(yīng)大于前級供電線路空開（或保險(xiǎn)絲）的1/1.6倍。保護(hù)空開應(yīng)使用質(zhì)量可靠、符合防雷要求的產(chǎn)品。

f）各類電源SPD的安裝應(yīng)滿足以下要求。

（a）電源SPD的連接線及接地線截面積應(yīng)符合表1的要求，材料為多股銅線。

（b）使用模塊式SPD時(shí)，SPD接地線和引接線的長度應(yīng)小于1 m。

（c）SPD的引接線和接地線，必須通過接線端子或銅鼻連接牢固，防止雷電流通過時(shí)產(chǎn)生的線芯收縮造成連接松動(dòng)。銅鼻和纜芯連接時(shí)，應(yīng)使用液壓鉗緊固或浸錫處理。

（d）SPD的引接線和地線應(yīng)布防整齊，在機(jī)架上應(yīng)綁扎固定，走線應(yīng)短直，不得盤繞。

2.6 信號端口雷電防護(hù)要求

a）除了實(shí)施聯(lián)合地網(wǎng)以及信號電纜屏蔽層兩端接地等措施外，信號端口必須輔以SPD以進(jìn)一步將過電壓降到設(shè)備端口允許的范圍以內(nèi)。

b）各類信號保護(hù)器應(yīng)具有線對地和線間的保護(hù)模式，并且其接地線應(yīng)就近由被保護(hù)設(shè)備的接地匯流排（端）接地。

c）如果信號保護(hù)器為串聯(lián)型，應(yīng)注意使用相同的物理接口，并且其動(dòng)作電壓應(yīng)和設(shè)備的工作電壓相適應(yīng)，一般應(yīng)為工作電壓的1.2～2.5倍，SPD的插損應(yīng)不影響設(shè)備正常運(yùn)行。

2.7 監(jiān)控系統(tǒng)的防雷要求

a）環(huán)境監(jiān)控和視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)情況對相應(yīng)線路兩端接口及設(shè)備電源進(jìn)行過電壓保護(hù)。當(dāng)樓外的監(jiān)控點(diǎn)不在聯(lián)合地網(wǎng)范圍內(nèi)時(shí)，必須在信號線路及電源線路兩端接口處安裝SPD。

b）監(jiān)控線纜的布放應(yīng)避免使用架空線路，并采用屏蔽電纜或穿金屬管敷設(shè)。電纜屏蔽層和外部屏蔽體應(yīng)兩端接地。

c）位于聯(lián)合地網(wǎng)外或遠(yuǎn)離視頻監(jiān)控中心的攝像機(jī)，應(yīng)分別在控制、電源、視頻線兩端安裝SPD，云臺和防雨罩必須就近接地。

d） 選擇各類監(jiān)控接口 （如RS-232、RS-485、RS-424、視頻等）SPD時(shí)，應(yīng)滿足設(shè)備傳輸速率（帶寬）的要求，SPD接口與被保護(hù)設(shè)備接口應(yīng)兼容。

3 某收費(fèi)站防雷改造案例

3.1 工程概況

某高速公路監(jiān)控中心和外場票亭因地處雷雨天氣多發(fā)地段，外場、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備易遭雷擊損壞，無法保障現(xiàn)有運(yùn)營需求。受該收費(fèi)站所在高速公路公司的委托，福建升威電子工程責(zé)任有限公司前往實(shí)地進(jìn)行防雷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該收費(fèi)亭存在如下問題。

a）收費(fèi)站頂棚未設(shè)避雷帶、避雷針。

b）部分稱重儀外殼未接地。

c）光端機(jī)傳輸機(jī)柜內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)和視頻端口未采取有效的防雷措施。

d）車道控制器內(nèi)與稱重儀串口連接處未采取防雷保護(hù)措施。

e）各票亭的接地線線徑偏小。

f）機(jī)電房配電箱內(nèi)無第一級開關(guān)電源保護(hù)。

g）二樓監(jiān)控機(jī)房內(nèi)各機(jī)柜未做等電位連接。

3.2 防雷整改方案

3.2.1 防直擊雷

在頂棚上增設(shè)避雷帶，頂部采用φ10 mm的圓鋼（刷防銹漆）構(gòu)筑避雷帶，引下線采用φ10 mm的圓鋼。（注：引下線應(yīng)對稱均勻布設(shè)，且引下線的間距不應(yīng)大于18 m，具體做法視現(xiàn)場情況而定）。該收費(fèi)站頂棚未設(shè)避雷針，應(yīng)在頂棚4個(gè)角處增設(shè)避雷針。

3.2.2 防感應(yīng)雷

a）在機(jī)電房配電箱旁加裝1套80 kA （8/20 μs）SPD作為第一級SPD保護(hù)，防雷箱電源引接線長度和接地線長度均不大于1 m。

b）各票亭的接地線改用不小于16 mm2的地線就近接地。

c）部分稱重儀外殼采取有效的防雷接地措施。

3.2.3 電子信息系統(tǒng)的雷電防護(hù)

a）各稱重儀與光端機(jī)傳輸機(jī)的串口連接處加裝信號防雷器。

b）傳輸柜內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)和視頻端口加裝網(wǎng)絡(luò)和視頻信號防雷器。

c）二樓監(jiān)控機(jī)房內(nèi)各機(jī)柜做等電位連接。

4 高速公路防雷管理的幾點(diǎn)建議

a）相關(guān)人員應(yīng)加強(qiáng)防雷相關(guān)知識的學(xué)習(xí)、培訓(xùn)，充分認(rèn)識雷電的特點(diǎn)、性質(zhì)和危害，這樣有助于提高對雷電防護(hù)的重視程度，避免形成對防雷工作的誤解和抵觸情緒。

b）切實(shí)落實(shí)高速公路防雷檢測勘察工作。在每年雷季之前，選擇具有相應(yīng)技術(shù)和能力的檢測機(jī)構(gòu)，特別是在信息機(jī)電系統(tǒng)雷電防護(hù)具有相當(dāng)經(jīng)驗(yàn)的檢測機(jī)構(gòu)，對已經(jīng)在運(yùn)營的高速公路路段的機(jī)電工程存在的雷擊事實(shí)和雷擊隱患進(jìn)行檢測勘察，形成合理高效的防雷管理工作程序。對于檢測發(fā)現(xiàn)的問題應(yīng)及時(shí)進(jìn)行整改。

c）高速公路機(jī)電工程在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按防雷規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，施工時(shí)，應(yīng)選有相應(yīng)防雷施工資質(zhì)的企業(yè)進(jìn)行施工。

d）機(jī)電防雷系統(tǒng)建成并投入使用后，應(yīng)將工程建設(shè)資料、每年的檢測報(bào)告、整改設(shè)計(jì)文件等資料歸檔保存，遇到突發(fā)事件可隨時(shí)調(diào)取進(jìn)行查閱并分析原因。

5 結(jié)束語

高速公路電子系統(tǒng)的雷電電磁脈沖防護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，問題比較復(fù)雜，涉及的方面也比較多，應(yīng)全方位重視、立體化綜合防治。只有真正了解雷擊產(chǎn)生的原因，積極探索電子系統(tǒng)防雷的各項(xiàng)措施和方法，才能有效地防止雷電引發(fā)的事故，防患于未然，將雷電帶來的損失降低到最小，保證高速公路電子系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

［1］GB 50057-94 建筑物防雷設(shè)計(jì)（2000 年版）［2011-01-13］.［S/OL］.http://wenku.baidu.com/view/a242eb868762caaedd33d4ce.html.

［2］GB 50174-2008電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范 ［2011-01-13］.［S/OL］.http://wenku.baidu.com/view/ba76182fed630b1c59eeb59a.html.

［3］YD 5098-2005通信局（站）防雷與接地工程設(shè)計(jì)規(guī)范［2011-01-13］.［S/OL］.http://wenku.baidu.com/view/889905c52cc58bd63186bdf 5.html.

［4］GB 50343-2004建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范［2011-01-13］.［S/OL］.http://wenku.baidu.com/view/e6ac62232f60ddccda38a0f8.html.

［5］JGJ/T 16-2008 民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范［2011-01-13］.［S/OL］.http://www.docin.com/p-33817356.html.

［6］IEC 61312 雷電電磁脈沖的防護(hù)［2011-01-13］.［S/OL］.http://www.jifang360.com/news/2009527/n2818310.html.

［7］GB/T 50311-2007綜合布線系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范 ［2011-01-13］.［S/OL］.http://www.jifang360.com/news/2009826/n99741839_4.html.