沙河北橋收費(fèi)站綜合防雷設(shè)計(jì)探討

李 強(qiáng)，陳 明，張 超

（1.遼寧省新民市氣象局，遼寧 新民110300；2.遼寧省錦州市氣象局，遼寧 錦州121001；3.遼寧省北鎮(zhèn)市氣象局，遼寧 北鎮(zhèn)121300）

1 引言

隨著我國(guó)交通事業(yè)的不斷發(fā)展，公路、橋梁成為交通樞紐的重要組成部分。本著“以路養(yǎng)路”、“以橋養(yǎng)橋”為目的而設(shè)置的收費(fèi)站，由于所處的位置特別及內(nèi)部管理電子化，日常所遭受的雷擊已非僅僅是直擊雷，更多是感應(yīng)雷。因此，公路收費(fèi)站的防雷必須采用綜合防雷技術(shù)。

在公路收費(fèi)系統(tǒng)中有大量耐電壓等級(jí)低、防干擾要求高的微電子設(shè)備，最怕遭到雷擊。普通的避雷裝置在接閃了強(qiáng)大的雷電流通過(guò)引下線泄流入地時(shí)，附近的空間發(fā)生了強(qiáng)大的電磁場(chǎng)變化，會(huì)在相鄰的導(dǎo)線（包括電源線和信號(hào)線）上感應(yīng)雷電的過(guò)電壓。

2 現(xiàn)場(chǎng)勘察情況

沙河北橋收費(fèi)站地處沈營(yíng)線，地界為蘇家屯區(qū)，周圍為農(nóng)田，環(huán)境比較開闊，無(wú)高層建筑，因此該站極易遭受雷擊。

（1）該站收費(fèi)罩棚為金屬結(jié)構(gòu)，且通過(guò)金屬立柱支撐，經(jīng)測(cè)試，阻值為1.5Ω，滿足防直擊雷要求。

（2）罩棚外有8個(gè)攝像頭，未考慮防雷措施。

（3）罩棚內(nèi)的每個(gè)收費(fèi)亭（共8個(gè)收費(fèi)亭）里各安裝一只球形攝像頭，同時(shí)在攝像頭的入端口分別安裝了視頻防雷保護(hù)器，但該防雷器的接地線較長(zhǎng)，同時(shí)與視頻和通信控制線綁扎在一起，不符合國(guó)家規(guī)范要求。

因?yàn)楸芾滓戮€與攝像機(jī)的電源、視頻、控制線綁扎在一起，當(dāng)引下線對(duì)地泄放雷電流時(shí)，在其周圍產(chǎn)生了強(qiáng)大的電磁場(chǎng)，這強(qiáng)大的電磁場(chǎng)通過(guò)耦合在電源線、視頻線、控制線中形成感應(yīng)過(guò)電壓將設(shè)備燒毀。視頻矩陣輸入端口也因串入過(guò)電壓而擊穿。

（4）收費(fèi)站辦公樓為金屬結(jié)構(gòu)，且未考慮接地，這種做法一是不符合國(guó)家規(guī)范要求，二是給辦公室內(nèi)工作人員的人身安全帶來(lái)極大危害。

（5）辦公樓內(nèi)的監(jiān)控室的監(jiān)控主機(jī)端未考慮防感應(yīng)雷措施，同時(shí)電源系統(tǒng)也未考慮防感應(yīng)雷措施。

（6）市電輸入是從變壓器架空引線進(jìn)入室內(nèi)的配電盤，且未考慮防感應(yīng)雷措施。

（7）樓內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也未考慮防感應(yīng)雷措施。

3 設(shè)計(jì)依據(jù)

（1）依據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)IEC標(biāo)準(zhǔn)、德國(guó)VDE和中國(guó)GB標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的要求，該計(jì)算機(jī)房系統(tǒng)包括電腦網(wǎng)絡(luò)、不間斷供電電源和安防設(shè)備等裝置。

（2）IEC61312雷電電磁脈沖的防護(hù)。該標(biāo)準(zhǔn)為建筑物內(nèi)或建筑物頂部信息系統(tǒng)有效的雷電防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、檢查、維護(hù)；并對(duì)裝有這系統(tǒng)（如電子系統(tǒng)）的建筑物評(píng)估LEMP屏蔽措施的效率的方法。針對(duì)現(xiàn)有的防雷器（SPP）應(yīng)用在防雷區(qū)概念安裝上提出相關(guān)的要求。

（3）IEC 61643SPD電源防雷器。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電源防雷器用于交直流電源電路和設(shè)備上，額定電壓在1000ac或1500dc，電源防雷器分級(jí)分類測(cè)試和應(yīng)用。

（4）IEC 61644SPD通訊網(wǎng)絡(luò)防雷器。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)通訊網(wǎng)絡(luò)防雷器用于通信信號(hào)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這類防雷器內(nèi)置過(guò)壓過(guò)流元器件，額定電壓在1000ac或1500dc，電源防雷器分級(jí)分類測(cè)試和應(yīng)用。

（5）VDE0675過(guò)電壓保護(hù)器。過(guò)電壓放電保護(hù)器（電源防雷器）適用于額定交直流電壓在100～1000V范圍內(nèi)之供電配電系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)于防雷器作出分級(jí)分類要求。

（6）《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057－94）2000年版。為使建筑物防雷設(shè)計(jì)因地制宜地采用防雷措施，防止或減少雷擊建筑物所發(fā)生的人身傷亡和文物、財(cái)產(chǎn)損失，做到安全可靠，技術(shù)先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)合理。該規(guī)范不適用于天線塔、共用天線電視接收系統(tǒng)、化工廠戶外裝置的防雷設(shè)計(jì)。

（7）《通信工程電源系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)定》（YD5078－98）。

（8）《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB50169－92）。

（9）《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50054－95）。

4 設(shè)計(jì)方案

4.1 確定建筑物的防雷類別

（1）建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)應(yīng)按下式確定：

式中：N—建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)（次／年）；k—校正系數(shù)，取2；Ng—建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度［次／（km2·年）］；Ae—與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積（km2）。

（2）雷擊大地的年平均密度應(yīng)按下式確定：

式中：Td為年平均雷暴日，沈陽(yáng)地區(qū)取35d／年。

（3）建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積應(yīng)按下式確定：

式中：L＝29m，W＝12m，H＝9m為此樓的實(shí)際情況數(shù)值。

因此Ae＝0.009（km2）

綜上所述，將此樓的實(shí)際情況數(shù)值一一代入上述公式計(jì)算，最后確定N＝0.031＞0.012（次／年），因此，可確定此建筑物為三級(jí)防雷建筑物。

4.2 相應(yīng)保護(hù)措施

4.2.1 防直擊雷保護(hù)措施

沙河北橋收費(fèi)站的收費(fèi)亭和站辦公樓雖為金屬結(jié)構(gòu)屋面，可做為防直擊雷避雷設(shè)施，但直擊雷仍給人們極大的心理威脅。現(xiàn)根據(jù)筆者多年工程實(shí)踐，可在收費(fèi)亭和辦公樓之間的草坪或草坪邊的水泥地面處安裝18.5m高的獨(dú)立避雷針，它雖未必能完全保護(hù)整個(gè)收費(fèi)亭，但可以起到以下作用：本身可吸引直擊雷，減少收費(fèi)亭或辦公樓遭雷擊的機(jī)會(huì)；直擊雷擊中獨(dú)立針?biāo)a(chǎn)生的電磁場(chǎng)的危害比直擊收費(fèi)亭或辦公樓的危害要小得多。這樣做可以減少或避免亭內(nèi)或辦公樓內(nèi)工作人員遭雷擊的幾率。

避雷針采用雷安LAZ1000－1B優(yōu)化避雷針，該針的重要特點(diǎn)是它既能夠很好地保持導(dǎo)體引雷、雷電入地，從而代替被保護(hù)物受雷擊的傳統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)，又能夠在雷電流經(jīng)過(guò)它而入地時(shí)，使避雷針引下線上的di／dt顯著減少（可以減少到原來(lái)的30%以下），從而使避雷針引下線四周的二次雷擊效應(yīng)減少到能夠忽略不記的程度，而雷電流入地時(shí)的電位反擊效應(yīng)也能夠減少到忽略不記，這樣，避雷針的一系列局限性得到了比較徹底的克服。同時(shí)該針既經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，造型美觀，還能防護(hù)直擊雷。

將雷安LAZ1000－1B優(yōu)化避雷針套個(gè)2m長(zhǎng)的鍍鋅鋼管，再將管體安裝在14m高的三角形鐵塔上，全部采用焊接。雷電流可通過(guò)塔體入地，將塔體底座即塔基礎(chǔ)與地網(wǎng)相連接。這樣可起到等電位連接作用。

4.2.2 防感應(yīng)雷保護(hù)措施

（1）電源系統(tǒng)。第一級(jí)防雷保護(hù)，在室外配電室的兩路總配電輸入端安裝2只通流容量為100kA的三相總電源避雷保護(hù)器，并通過(guò)BV16黃綠相間的銅纜連接到接地排上。連接線盡量短，要求不長(zhǎng)于0.5m；第二級(jí)防雷保護(hù)，在大樓監(jiān)控室3個(gè)UPS的輸入端分別安裝1臺(tái)40kA的三相總電源避雷保護(hù)器。并通過(guò)BV16黃綠相間的銅纜連接到室內(nèi)的接地排（PE）上。

（2）與監(jiān)控中心相連的收費(fèi)點(diǎn)之間的線纜應(yīng)該有防雷保護(hù)措施。建議應(yīng)穿鐵管并將該鐵管屏蔽接地。

（3）所有電纜必須穿管埋地敷設(shè)。金屬管道與綜合接地系統(tǒng)良好連接。

（4）強(qiáng)電導(dǎo)線和信號(hào)傳輸電纜不共用同一個(gè)金屬管道。

（5）線纜由地下管道進(jìn)入建筑物內(nèi)如需爬墻也應(yīng)該沿墻體敷設(shè)金屬管道，并與綜合接地體良好連接。

（6）在計(jì)算機(jī)WAN（廣域網(wǎng)）的接口和調(diào)制解調(diào)器的接口安裝信號(hào)避雷器。

（7）在監(jiān)控主機(jī)外線入口處和攝像頭處安裝16對(duì)攝像頭避雷器。并用BV4銅導(dǎo)線與防雷接地地網(wǎng)相連接（圖1）。

圖1 攝象機(jī)系統(tǒng)防雷圖

4.2.3 接地處理及地網(wǎng)效果

接地是避雷技術(shù)最重要的環(huán)節(jié)，不管是直擊雷、感應(yīng)雷或其他形式的雷，避雷工作的最終都是把雷電流送入大地，因此沒(méi)有合理而良好的接地裝置是不可能談及防雷的。所以說(shuō)設(shè)計(jì)、施工好，高標(biāo)準(zhǔn)的接地系統(tǒng)是防雷工作的重中之重。同時(shí)接地系統(tǒng)也是設(shè)備能否正常工作的安全保證。由此可見接地系統(tǒng)顯得尤為重要。

在收費(fèi)站辦公大樓的墻外做一“L”型地網(wǎng)，挖深0.8m、寬0.5m的地溝（應(yīng)盡量避開人員出入的地方，若避不開，應(yīng)采取防止跨步電壓的措施）。在“L”形地溝內(nèi)將接地模塊水平放入，用土填實(shí)，然后在每隔相距5m的距離分別垂直夯入長(zhǎng)度為2m的DN40鍍鋅鋼管10根，最后將接地模塊和垂直地極用40mm×4mm的鍍鋅扁鋼水平連接，連接處采用電焊接，并在連接處做防腐處理。在開挖的地網(wǎng)溝中回填優(yōu)質(zhì)土壤，且夯實(shí)，以保證地網(wǎng)阻值的穩(wěn)定性。

由于收費(fèi)站辦公樓無(wú)引下線，所以應(yīng)將屋面的槽鋼通過(guò)直徑為12的圓鋼連接，然后與地網(wǎng)相連接。

斷接卡的設(shè)置：引下線距地1.8m處設(shè)一斷接卡，并用斷接卡保護(hù)箱將其保護(hù)起來(lái)，防止連接處因雨淋等原因而引起腐蝕。同時(shí)斷接卡距地部分的引下線用斷接卡保護(hù)管進(jìn)行保護(hù)。設(shè)置斷接卡的目的就是為了便于地網(wǎng)的維護(hù)和測(cè)量。

實(shí)施以上措施后，接地電阻可控制在＜4Ω以下，完全符合接地規(guī)范和國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。接地體之間所有焊點(diǎn)，均應(yīng)進(jìn)行防腐蝕處理，接地裝置的焊接長(zhǎng)度扁鋼為寬邊的2倍。接地體埋深，其上端距地面應(yīng)不小于0.8m，在寒冷地區(qū)接地體應(yīng)埋設(shè)在凍土層以下，接地坑應(yīng)回填土壤電阻率低的土壤。

5 結(jié)語(yǔ)

防雷是牽涉多學(xué)科多方面的系統(tǒng)工程，對(duì)設(shè)計(jì)到施工、維護(hù)，以及使用材料都有一定的要求。特別是電涌保護(hù)器，用在不同環(huán)境、不同工作條件都應(yīng)有最佳參數(shù)選擇，防雷和接地對(duì)線路的布置都有一定的要求，這些往往在工程設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該考慮進(jìn)去，以便統(tǒng)一規(guī)劃，按層次、有步驟地施工，如果工程設(shè)計(jì)開始時(shí)，未考慮防雷，以致工程建成后遇到雷害時(shí)再進(jìn)行補(bǔ)救，往往事倍功半，增加投資，有時(shí)候很難施工，甚至不能施工。目前，一般系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集成公司對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)傳輸線都是采用塑料線槽屏蔽，但是塑料線槽對(duì)電磁沒(méi)有屏蔽和封鎖作用，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)工程完成后，再返工就會(huì)造成投資的嚴(yán)重浪費(fèi)。如果在設(shè)計(jì)時(shí)就提出要求穿鐵管走線，無(wú)論對(duì)工程的造價(jià)、美觀和施工都帶來(lái)很大的好處。

［1］ 郭建新.安全技術(shù)與管理［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2008.

［2］ 中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì) 建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)，2011.

［3］ 解廣潤(rùn).電力系統(tǒng)過(guò)電壓［M］.北京：水利電力出版社，1985.

［4］ 崔政斌.用電安全技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998.

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