金麗溫高速公路溫州段隧道設(shè)備雷擊事故淺析

吳曉偉 王永振 蔡堅健

(1.浙江省防雷中心，浙江 杭州310017;2.浙江金麗溫高速公路有限公司，浙江 杭州310005)

0 引言

2008年8月浙江金麗溫高速公路全線機電系統(tǒng)進行防雷整改，整改結(jié)束后，仍發(fā)生了多起隧道弱電設(shè)備雷擊情況，其中木西岙隧道尤顯嚴(yán)重，給高速公路的正常運行帶來很大安全隱患。根據(jù)高速公路管理中心相關(guān)人員反映，發(fā)生在隧道的雷擊事故情況有兩種:一是在SPD未損壞的情況下，可變信號遠程控制系統(tǒng)的編碼轉(zhuǎn)換器、PLC通訊端口、隧道口攝像機等設(shè)備損壞;二是設(shè)備運行正常，而線路中的電涌保護器損壞。金麗溫高速公路管理中心多次組織整改，包括對地電位反擊的處理、提高相應(yīng)線路上的電涌保護器通流量等，但效果仍不理想。本文從理論角度分析引起以上雷擊事故的原因，提出整改措施。希望能為類似防雷整改項目提供一些意見建議。

1 隧道設(shè)備與雷擊事故簡況

以木西岙隧道為例(如圖1所示):木西岙隧道為過山隧道，長度約400 m。隧道口有變配電房和UPS控制機房。變配電房方面:附近的10 kV高壓電網(wǎng)拉到變配電房變壓器(箱式變電站)變380 V后，通過分配電柜供設(shè)備使用，配電房自備柴油發(fā)電機。隧道內(nèi)配電:隧道內(nèi)系統(tǒng)設(shè)備主要有風(fēng)機、廣播、監(jiān)控、照明、信號燈、風(fēng)速儀、CO濃度探測等。隧道口設(shè)備:可變情報板、可變限速標(biāo)志燈、立桿式監(jiān)控攝像機、流量儀、測速儀等。

圖1 隧道外設(shè)備布局簡圖

歷史氣象資料統(tǒng)計表明，溫州地區(qū)年平均雷暴日為51 d，屬于高雷區(qū)。2008年的防雷整改中，針對隧道的防雷整改措施有:變電所及UPS機房的直擊雷防護、隧道設(shè)備供電線路的電涌防護、機電系統(tǒng)設(shè)備的等電位接地(含控制線路的電涌防護)。防雷整改后，在4—9月雷雨季節(jié)，木西岙隧道損壞設(shè)備有RTU(區(qū)域控制器)，照明控制PLC(如圖2)，隧道口可變限速控制單元，隧道內(nèi)攝像機(如圖3)。這些弱電設(shè)備中尤其以隧道口可變限速控制單元雷擊事故率最高。只要是雷雨天氣，可變限速控制單元均發(fā)生不同程度損壞。

隧道口可變限速標(biāo)志是分布在隧道兩頭，一頭一個，一頭可變限速標(biāo)志與隧道內(nèi)設(shè)備間距離大約30 m，另一頭大約430 m。供電和通訊線路布線分開并通過管道敷設(shè)，電力電纜用的是鋼管，通訊電纜用的是PE管，隧道內(nèi)攝像機是用視頻線傳輸視頻信號到UPS房光端機。監(jiān)控設(shè)備都是由UPS供電，其它的通訊電纜敷設(shè)基本都在房間內(nèi)部。

圖2 PLC內(nèi)頻繁損壞的端口

2 雷擊事故原因分析

2008年浙江金麗溫高速公路全線機電系統(tǒng)防雷整改中，針對供電線路、通訊線路設(shè)置了完善的電涌保護裝置，可以說電涌保護器設(shè)防覆蓋了全部的系統(tǒng)線路(如圖4所示)。

圖3 隧道口攝像機

2009年雷擊事故發(fā)生后，建設(shè)單位和施工單位及時組織相關(guān)人員現(xiàn)場勘查分析，提出一些補救措施。

措施一:把先前共地的高壓電網(wǎng)接地和用戶內(nèi)部接地分開各自獨立，達到接地電阻都小于4Ω?？墒切Ч⒉焕硐?，雷擊還是會損壞設(shè)備。

圖4 高速公路隧道機電系統(tǒng)雷電防護圖

措施二:提高安裝在損壞設(shè)備線路上的電涌保護器通流量，增加其內(nèi)部一個元器件的功率。改造后效果比較明顯，但過了3個月左右一次雷擊過程后新更換上的SPD還是基本被損壞。而后再更換，SPD仍有出現(xiàn)損壞的情況，設(shè)備都還正常運行。

從第一項補救整改結(jié)果看，各系統(tǒng)間的共地和獨立接地不是造成雷擊事故的根本原因。從第二項補救整改結(jié)果看，設(shè)備供電、通訊線路是存在雷擊過電壓的;安裝在系統(tǒng)線路的SPD被擊壞，SPD起到了保護設(shè)備的作用，但SPD的經(jīng)常性損壞也會對系統(tǒng)設(shè)備帶來安全隱患，同時也造成維護成本的增加。

那么是什么原因引起的這些系統(tǒng)設(shè)備經(jīng)常性雷擊損壞呢?

首先，從直擊雷防護角度分析。溫州市年平均雷暴日為51 d，屬于高雷區(qū)。隧道處于山地環(huán)境，雷暴日明顯多于市區(qū)。隧道變電所和UPS控制機房按照要求實施了直擊雷防護，從局部來說是滿足了防直擊雷要求。

其次，從電源線路雷電侵入分析。引入隧道變電所的高壓電源線路為架空線，由變電所進入隧道的供電線路采用埋地穿金屬管敷設(shè)，且在低配端安裝了B級電涌保護器，在UPS機房電源配電柜、通訊控制柜、UPS電源線路安裝C級電涌保護器，考慮到雷擊環(huán)境的惡劣情況，在各系統(tǒng)現(xiàn)場控制端也安裝了D級電涌保護器。變電所接地網(wǎng)、UPS控制機房接地網(wǎng)、現(xiàn)場設(shè)備接地實施了共地等電位連接。接地電阻為1.2Ω。實踐也證明，供電線路的電涌防護是可靠的、合理的。

再次，從通訊線路雷電侵入分析。這些通訊線路均由隧道口或隧道內(nèi)的信息采集器采集信號，工作電壓24 V。這些模擬信號通過現(xiàn)場控制器轉(zhuǎn)換為0～20 mA數(shù)字信號，這些數(shù)字信號通過通信電纜傳輸?shù)経PS控制機房的控制單元模塊集中處理，處理后的信號再通過光端機轉(zhuǎn)換通過光纜傳輸?shù)礁咚俟饭芾砜刂浦行?。由于光纜加強筋接地后對空間電磁輻射具有較好的屏蔽作用，現(xiàn)場控制器和UPS控制機房的控制單元模塊雷擊損壞及其線路上安裝的電涌保護器損壞充分說明了從現(xiàn)場控制到機房集中控制的通訊電纜是雷擊事故發(fā)生的關(guān)鍵點。

根據(jù)防直擊雷設(shè)計保護原理，雷電不會直接擊中隧道內(nèi)通訊線路。雷擊損壞設(shè)備及電涌保護器是雷擊產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓、過電流引起的。根據(jù)GB 50057—2000第6章推薦的計算雷電電磁場的公式及法拉第定律:

距雷擊點Sa(m)的磁場強度

μ 為真空磁導(dǎo)率，μ =4π·10－7N/A2

感應(yīng)回路面積S與磁感應(yīng)強度B的乘積是變化的磁通量

根據(jù)法拉第定律，取短時雷擊的波頭時間T1，則線路上疊加的感應(yīng)電壓

對于平行敷設(shè)的電源、通訊線路，S是線路長度l和線路間距d的乘積;隧道口控制箱距離UPS控制機房的距離l取30 m，信號線平行間距取 0.5 m;

首次雷擊i0取150 kA，波頭時間 T1取10μs;首次以后雷擊i0取37.5 kA，波頭時間T1取0.25μs;根據(jù)雷擊點Sa的不同，回路上的感應(yīng)電壓也會不同(見表1)。

表1 雷擊點與線路感應(yīng)電壓的關(guān)系

在防雷整改中通訊線路選用的電涌保護器額定工作電壓為24 V，最大持續(xù)工作電壓為27 V，標(biāo)稱放電電流為5 kA，電壓保護水平線－線為60 V，線－地為30 V。而通訊線路工作電壓為直流24 V，信號為0～20 mA數(shù)字信號，通過理論計算值和電涌保護器參數(shù)的比較發(fā)現(xiàn)，電涌保護器選取的參數(shù)與實際雷擊情況不匹配，就無法對線路雷擊感應(yīng)電流、電壓起到很好的防護效果。

3 故障解決措施探討

通過理論分析計算，線路上產(chǎn)生的雷擊感應(yīng)過電壓、過電流是引起系統(tǒng)設(shè)備和SPD損壞的主要原因。如何降低線路上產(chǎn)生的雷擊過電壓、過電流是解決這些雷擊事故的關(guān)鍵。合理的屏蔽措施能大大改善雷擊情況，若能從根本上改變線纜的材料是最好的選擇。如將通訊電纜穿金屬管并兩端接地，這樣的屏蔽處理方式能從很大程度上減小線路感應(yīng)過電壓、過電流的強度。條件允許的可根據(jù)當(dāng)?shù)乩纂姳O(jiān)測資料，詳細了解該區(qū)域最大雷擊強度，通過理論計算空間電磁場強度和線路上可能感應(yīng)的過電壓、過電流強度，從而選擇適配的電涌保護器和合理的屏蔽措施。對通訊線路，將傳輸電纜更換為光纜能從根本上改善線路引起的雷電感應(yīng)侵入。建設(shè)單位把問題最為嚴(yán)重的木西岙隧道的隧道口可變限速標(biāo)志通訊改為光纜，到目前為止沒有發(fā)生過一起雷擊事故。

4 結(jié)語

隨著電子計算機技術(shù)、微波、光通信技術(shù)日益發(fā)展，各類電子設(shè)備在高速公路機電系統(tǒng)中大量應(yīng)用，雷電感應(yīng)到附近的導(dǎo)體中形成過電壓，可高達幾千伏、上萬伏，對微電子設(shè)備的危害極大。雷電的主要侵入通道有電源線路、各類信號傳輸線路、天饋路線和進入系統(tǒng)的管、纜、橋架等導(dǎo)體侵入設(shè)備系統(tǒng)，造成電子設(shè)備失效或永久性損壞。因此，雷擊電磁脈沖的防護是在入侵通道上將雷電流泄放入地，從而達到保護電子設(shè)備的目的。其主要方法是采用隔離、均壓、濾波、屏蔽、過壓過流保護、接地等方法。因此要設(shè)計具體的高速公路的防雷系統(tǒng)必須充分調(diào)查，因地制宜，并合理應(yīng)用各種防護措施，才能保證各設(shè)備及系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，避免雷擊造成設(shè)備的損壞及人員的傷害。此外，防雷整改實施前對高度公路機電系統(tǒng)進行雷擊風(fēng)險評估也是極為必要的;每年雷雨季節(jié)前后，對防雷系統(tǒng)問題的排查和設(shè)備維護同樣重要。

［1］ 機械工業(yè)部.建筑物防雷設(shè)計規(guī)范GB 50057—94(2000年版)［S］.北京:中國計劃出版社，2001.

［2］ 四川省建設(shè)廳.建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范GB 50343—2004［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［3］ 謝處方，饒克謹(jǐn).電磁場與電磁波［M］.北京:高等教育出版社，1999.