高速公路機(jī)電防雷接地技術(shù)分析

曹志杰

【摘 要】良好的接地效果是防雷成功的重要保證之一。本文分析了雷電對(duì)高速公路電氣設(shè)備的影響，針對(duì)機(jī)電設(shè)備防雷技術(shù)與措施進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】高速公路；機(jī)電防雷；技術(shù)措施

良好的接地效果是防雷成功的重要保證之一，如何做好以防雷接地為核心的高速公路機(jī)電系統(tǒng)的防雷問題應(yīng)受到廣泛的重視。防雷接地是讓已經(jīng)納入防雷系統(tǒng)的閃電能量釋放入大地，是分流和釋放直擊雷和雷電干磁干擾能量的最有效的手段之一，也是電位均衡補(bǔ)償系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

1.雷電對(duì)高速公路電氣設(shè)備的影響

雷電是一種常發(fā)自然現(xiàn)象，通常因大氣中熱空氣與冷空氣摩擦而產(chǎn)生帶有不同電荷的小水滴，當(dāng)這種正負(fù)電荷達(dá)到一定值時(shí)，因不同極性的云團(tuán)之間、云團(tuán)與地之間存在強(qiáng)大的電場(chǎng)，從而產(chǎn)生云團(tuán)之間以及云團(tuán)對(duì)大地的放電現(xiàn)象，具有電壓高、電流大等特點(diǎn)，很容易破壞電子設(shè)備，而高速公路機(jī)電系統(tǒng)是由通信系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、隧道通風(fēng)照明等各分系統(tǒng)共同構(gòu)成。而雷擊很容易給這些系統(tǒng)帶來損害。雷電作為一種具有極大破壞力的強(qiáng)干擾源，造成高速公路機(jī)電設(shè)備損害主要有以下四類：（1）直擊雷；（2）感應(yīng)雷；（3）傳導(dǎo)雷；（4）開關(guān)過電壓。

1.1直擊雷：雷電產(chǎn)生時(shí)的巨大電流，使地電位瞬間升高，巨大的電位差作用可以造成設(shè)備、建筑物的損害和人員傷亡；雷電直接擊中建筑物，雷電的不到50%的能量將會(huì)從引下線等外部避雷設(shè)施泄放到大地，其中接近40%的能量將通過建筑物的供電系統(tǒng)分流，其中5%左右的能量通過建筑物的通信網(wǎng)絡(luò)線纜分流，其余的雷擊能量通過建筑物的其他金屬管道、纜線分流。這里的能量分配比例會(huì)隨著建筑物內(nèi)的布線狀況和管線結(jié)構(gòu)而變化。

1.2感應(yīng)雷：感應(yīng)雷電流可以通過電源線纜、通信線路以及衛(wèi)星天線等途徑侵入機(jī)電設(shè)備房?jī)?nèi)，尤其以電源電纜感應(yīng)雷最為突出，對(duì)機(jī)電設(shè)備的弱電電路進(jìn)行沖擊，造成弱電設(shè)備燒毀的嚴(yán)重事故。發(fā)生雷擊時(shí)，雷電電磁脈沖（LEMP）在上述有效范圍內(nèi)，在所有的導(dǎo)體上產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的感應(yīng)浪涌。因此分布于建筑物內(nèi)外的各種電力、信息線路將會(huì)感應(yīng)雷電而對(duì)設(shè)備造成危害。

1.3傳導(dǎo)雷（雷電波侵入）：在更大的范圍內(nèi)（幾公里甚至幾十公里），雷電擊中電力或信息通訊線路，然后沿著傳輸線路侵入設(shè)備。其中地電位反擊也是傳導(dǎo)雷中的一種；雷電擊中附近建筑物或附近其他物體、地面，導(dǎo)致地電壓升高，并在周圍形成巨大的跨步電壓。雷電可能通過接地系統(tǒng)或建筑物間的線路入侵雷電延建筑物內(nèi)部設(shè)備形成地電位反擊。

1.4開關(guān)過電壓：由于雷擊影響，開關(guān)上電壓瞬時(shí)升高，造成影響是直接燒毀空氣開關(guān)，使線路斷電，系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。

2.防雷接地技術(shù)

2.1直流工作接地

隨著科技的不斷成熟，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等組成的高速公路控制系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化程度有了飛速的發(fā)展。由于弱電系統(tǒng)的工作電壓通常采用直流電源，其弱電設(shè)備對(duì)電源要求很嚴(yán)格，當(dāng)供電電源出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，就會(huì)給弱電設(shè)備帶來巨大的干擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀弱電系統(tǒng)中的弱電設(shè)備。弱電系統(tǒng)接地可以保證所有微電子設(shè)備工作于同一低壓直流系統(tǒng)中，有效地穩(wěn)定電路的電位，防止外來電源對(duì)系統(tǒng)的干擾。同時(shí)弱電設(shè)備共同使用一個(gè)接地系統(tǒng)，保證了信號(hào)傳輸過程中選用統(tǒng)一的電位參照點(diǎn)，有利于設(shè)備間數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的傳輸，有效地衰減各弱電設(shè)備問數(shù)模轉(zhuǎn)換帶來的各種電磁干擾，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號(hào)的處理速率和信號(hào)傳遞的準(zhǔn)確性。建立聯(lián)合接地系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代高速機(jī)電弱電設(shè)備高效工作的有利保障。

在高速收費(fèi)站中，為了數(shù)據(jù)信號(hào)的統(tǒng)一，收費(fèi)車道、監(jiān)控機(jī)房、數(shù)據(jù)反饋屏及配電房等公路服務(wù)設(shè)施的所有機(jī)電設(shè)備的接地系統(tǒng)形成一個(gè)聯(lián)合接地系統(tǒng)，同時(shí)為了保證接地的可靠性，機(jī)電設(shè)備采用不少于兩處的金屬4mm*40mm扁鋼帶有效接地，防止雷擊電流泄底后地電位反擊沖擊機(jī)電設(shè)備。在形成完整的接地防雷系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)，若接地電阻達(dá)不到要求，應(yīng)架設(shè)人工接地體配合建筑物鋼筋作為一個(gè)聯(lián)合接地網(wǎng)。

2.2交流電源防雷接地

變壓器是機(jī)電設(shè)備交流電源的提供單元， 由于變壓器通常安裝在室外，與上一級(jí)電網(wǎng)直接連接。當(dāng)線路發(fā)生雷擊時(shí)，雷擊感應(yīng)電流就會(huì)通過輸電線路向變壓器沖擊，為了保證系統(tǒng)變壓器和系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備的安全，通常采用將變壓器中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行方式，在正常工作時(shí)，可以向機(jī)電設(shè)備提供220V相電壓電源，當(dāng)發(fā)生線路雷擊事故時(shí)，可以有效地進(jìn)行跳閘保護(hù)，保證高速公路機(jī)電設(shè)備的安全。

對(duì)于沒有裝設(shè)隔離變壓器而直接采用就近供電電源的機(jī)電系統(tǒng)，為了防止供電線路發(fā)生雷擊而使機(jī)電設(shè)備遭到破壞，可以在弱電設(shè)備電源系統(tǒng)和設(shè)備供電電源間加裝電涌保護(hù)器SPD，雷電來襲時(shí)，能切斷雷電進(jìn)入設(shè)備通路，迅速對(duì)地放電，同時(shí)確保信號(hào)系統(tǒng)正常工作。

2.3機(jī)電設(shè)備保護(hù)接地

機(jī)電設(shè)備在正常工作時(shí)是一個(gè)帶電體，同時(shí)也是人操作控制的主要設(shè)備，當(dāng)機(jī)電設(shè)備運(yùn)輸過程中發(fā)生碰撞或使用時(shí)間過長(zhǎng)都可能導(dǎo)致設(shè)備絕緣損害，此時(shí)如果運(yùn)行管理人員沒有發(fā)現(xiàn)此隱患，而與設(shè)備金屬外殼直接接觸時(shí)，由于人體是個(gè)導(dǎo)電體，就會(huì)在機(jī)電設(shè)備一人一大地間形成一個(gè)電流通路， 電流就會(huì)通過人體流入大地，導(dǎo)致運(yùn)行人員發(fā)生觸電危險(xiǎn)。為了避免發(fā)生觸電危險(xiǎn)，通常對(duì)機(jī)電設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)不帶電的金屬部分通過保護(hù)接地裝置與大地有效連接。當(dāng)發(fā)生設(shè)備絕緣破損時(shí)，泄漏電流就會(huì)通過人體和接地裝置兩回路向大地泄流，如果接地裝置的電阻遠(yuǎn)小于人體電阻時(shí)，泄漏電流通過人體的電流就很小，就可以把泄漏電流有效控制在安全范圍值下，通常要求機(jī)電設(shè)備保護(hù)接地電阻小于1Ω。

3.機(jī)電設(shè)備防雷技術(shù)措施

3.1電源部分防護(hù)

在弱電設(shè)備正常工作所需的電源，是通過電源逆變系統(tǒng)將交流電源轉(zhuǎn)換為機(jī)電設(shè)備所需的直流電源系統(tǒng)，通常為了防止感應(yīng)雷對(duì)微電子設(shè)備的沖擊，在逆變器前端加裝隔離變壓器，并在隔離變壓器進(jìn)出電源兩端加裝SPD（電涌保護(hù)器）。電子元件耐壓水平通常在額定電壓的2倍左右，當(dāng)發(fā)生雷擊瞬時(shí)電壓時(shí)，電涌保護(hù)器就會(huì)將感應(yīng)電壓有效限制在700 V以下，將浪涌電壓限制到電子設(shè)備安全電壓范圍內(nèi)。

3.2 機(jī)電電子防雷

安裝監(jiān)控等電子設(shè)備的建筑物，除了按照建筑物防雷等級(jí)進(jìn)行外部防雷設(shè)計(jì)外，還要進(jìn)行內(nèi)部防雷設(shè)計(jì)：安裝必要的電涌保護(hù)器（SPD）、實(shí)行等電位連接等。道路監(jiān)控、收費(fèi)、通信系統(tǒng)等使用了大量電子產(chǎn)品，除了采取一般建筑物防雷措施外，還要特別注意防電涌。

電子信息系統(tǒng)防雷要綜合做好分流（瀉流）、均壓（等電位）和屏蔽。分流：接閃器、引下線（或主筋）和接地，將雷電流分流入地，而不流過被保護(hù)設(shè)備和部件，避免雷電引起對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的反擊。均壓：還要同一層同一部位的不同電纜外皮、設(shè)備外殼、金屬構(gòu)架（構(gòu)件）、管道等做好等電位連接，以均衡電位。這樣建筑物內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生反擊和跨步電壓，有利人身安全和減少雷電電磁脈沖對(duì)電子設(shè)備的干擾。屏蔽：采用屏蔽電纜、屏蔽箱盒、法拉第屏蔽籠等或其他可利用的自然屏蔽體，防御球雷、側(cè)擊和繞擊雷的襲擊，防御雷電電磁脈沖，阻擋、衰減施加在設(shè)備上的過電壓能量。

3.3合理布線

對(duì)于易受雷擊影響的弱電、強(qiáng)電線路，應(yīng)穿金屬管防護(hù)，金屬管可靠接地。引入線路加裝避雷器或電涌保護(hù)器。減小因雷電災(zāi)害造成的線路間的影響，把雷電災(zāi)害減低到最低程度。電子信息系統(tǒng)設(shè)備交流配電應(yīng)采用TN—S系統(tǒng)接地方式。當(dāng)交流電源采用TT系統(tǒng)時(shí)，從建筑物內(nèi)部總配電柜（箱）開始引出的配電線路和分支線路必須采用TN—S系統(tǒng)。為防止SPD失效短路，應(yīng)在SPD前安裝短路保護(hù)器件。

4.結(jié)束語

高速公路機(jī)電系統(tǒng)的防雷是一項(xiàng)復(fù)雜而系統(tǒng)的工程，不管如何復(fù)雜，都離不開良好的防雷接地效果。要做好高速公路機(jī)電系統(tǒng)防雷工作，應(yīng)重視全方位、立體化綜合防治，對(duì)發(fā)生的實(shí)例探討研究，針對(duì)性地采取適當(dāng)?shù)姆览捉拥卮胧?，并加?qiáng)日常的防雷接地檢測(cè)，有效地預(yù)防雷擊對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的損壞，以期達(dá)到良好的防雷保護(hù)效果。