淺談高速公路機(jī)電系統(tǒng)綜合防雷

邢瑋琦

(山西省自動(dòng)化研究所，山西太原030012)

1 雷電危害及雷電入侵建筑物內(nèi)弱電設(shè)備途徑分析

1.1 雷電危害

雷電已被列為對(duì)人類社會(huì)危害極大的八大自然災(zāi)害之一，除直接雷擊造成的人身安全傷害和財(cái)產(chǎn)損失外，感應(yīng)雷對(duì)現(xiàn)代電子設(shè)備造成的危害也越來越強(qiáng)烈。感應(yīng)雷擊可簡(jiǎn)單地理解為雷擊引起的很高的過電壓(過電流)及強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)，其主要危害對(duì)象是電子設(shè)備。高速公路的通信系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、隧道照明系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)都是對(duì)雷電非常敏感的弱電子設(shè)備，這些系統(tǒng)如遭雷擊破壞其損失是巨大的。主要損失包括以下三方面:

首先是設(shè)備損壞所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失，其次是重要數(shù)據(jù)丟失，再次是通信系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、隧道照明系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)停止，這是最大的一方面，對(duì)交通、國(guó)家、地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展有很大的影響。

1.2 雷電入侵樓內(nèi)弱電設(shè)備途徑分析

雷擊引起的上萬伏的過電壓及極強(qiáng)的交變電磁場(chǎng)是損壞樓內(nèi)設(shè)備的主要原因，雷電入侵樓內(nèi)設(shè)備的途徑有配電線路、通信線路、地反擊、雷擊電磁場(chǎng)四條途徑。

2 綜合防雷保護(hù)方案

依據(jù)國(guó)家氣象法對(duì)雷電防護(hù)裝置安裝規(guī)定和檢測(cè)要求，結(jié)合國(guó)務(wù)院及山西省防雷主管部門頒發(fā)的有關(guān)法規(guī)要求，通過多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及對(duì)高速公路涉及機(jī)電系統(tǒng)的土建、房建和影響機(jī)電系統(tǒng)使用的建筑物防雷設(shè)計(jì)、供配電防雷設(shè)計(jì)、等電位和接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的論證和研究，對(duì)外場(chǎng)設(shè)備的設(shè)置、施工工藝進(jìn)行了分析，以滿足各項(xiàng)國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和各項(xiàng)技術(shù)規(guī)范，本著高標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)要求同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性的原則，對(duì)高速公路機(jī)電系統(tǒng)綜合防雷做如下設(shè)計(jì)。

2.1 防雷器設(shè)計(jì)

根據(jù)GB 50343-2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》高速公路雷電防護(hù)等級(jí)屬于B級(jí)，應(yīng)采取三級(jí)防雷保護(hù)措施。

2.1.1 配電系統(tǒng)防雷保護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)GB 50343－2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》浪涌保護(hù)器的安裝數(shù)量，應(yīng)根據(jù)被保護(hù)設(shè)備的抗擾度和雷電防護(hù)分級(jí)確定。

第一級(jí)防雷器:在隧道配電室的低壓開關(guān)柜內(nèi)、收費(fèi)站總配電室的動(dòng)力配電柜的低壓電源輸入端安裝一套雷電通流容量Imax=50 kA(波形10/350 μs);響應(yīng)時(shí)間Ta≤100 ns的三相電涌保護(hù)器SPD1，作為一級(jí)保護(hù)。

第二級(jí)防雷器:在收費(fèi)站的機(jī)房配電箱的電源輸入端安裝一套雷電通流量Imax=40 kA(波形8/20 μs);響應(yīng)時(shí)間Ta≤25 ns的三相電涌保護(hù)器SPD2，作為二級(jí)保護(hù)。

在收費(fèi)站電源室的UPS電源輸出端安裝一套雷電通流量Imax=40 kA(波形8/20 μs);響應(yīng)時(shí)間Ta≤25 ns的三相電涌保護(hù)器SPD2，作為二級(jí)保護(hù)。

由于收費(fèi)廣場(chǎng)總配電來自電源室UPS，但是該線路已經(jīng)出建筑物，所以在收費(fèi)站的收費(fèi)廣場(chǎng)總配電箱電源輸入端安裝一套雷電通流量Imax=40 kA(波形8/20 μs);響應(yīng)時(shí)間Ta≤25 ns的三相電涌保護(hù)器SPD2，作為二級(jí)保護(hù)。

第三級(jí)防雷器:在收費(fèi)站的收費(fèi)車道控制柜和超限站的控制柜的220V電源輸入端安裝一套雷電通流容量Imax=20 kA(波形8/20 μs);響應(yīng)時(shí)間Ta≤25 ns的三相電涌保護(hù)器SPD3，作為三級(jí)保護(hù)。

在收費(fèi)站廣場(chǎng)攝像機(jī)和超限站廣場(chǎng)攝像機(jī)控制柜的電源輸入端安裝一套雷電通流容量Imax=20 kA(波形8/20 μs);響應(yīng)時(shí)間Ta≤25 ns的三相電涌保護(hù)器SPD3，作為三級(jí)保護(hù)。

在收費(fèi)站崗?fù)?nèi)車道控制柜的電源輸入端安裝一套雷電通流容量Imax=20 kA(波形8/20 μs);響應(yīng)時(shí)間Ta≤25 ns的三相電涌保護(hù)器SPD3。

在公路沿線的視頻車輛檢測(cè)控制柜、情報(bào)板控制柜、車道指示標(biāo)志控制柜、PLC控制柜、車輛檢測(cè)控制柜、氣象檢測(cè)控制柜的電源輸入端安裝一套雷電通流容量Imax=20 kA(波形8/20 μs);響應(yīng)時(shí)間 Ta≤25 ns的單相電涌保護(hù)器SPD3，作為三級(jí)保護(hù)。

2.1.2 信號(hào)防雷保護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)GB 50343－2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》數(shù)字用戶程控交換機(jī)及其它通信設(shè)備信號(hào)線路，應(yīng)根據(jù)總配線架所連接的中繼線及用戶線性質(zhì)選用適配的信號(hào)浪涌保護(hù)器。

1)在超限站計(jì)算機(jī)至收費(fèi)站網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)(HUB)間安裝一只通流容量5 kA(波形8/20 μs)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)SPD以保護(hù)用電設(shè)備。

2)在電子顯示屏的編碼器之后至控制器兩端各安裝一只通流容量5 kA(波形8/20 μs)數(shù)據(jù)線SPD以保護(hù)用電設(shè)備。

3)在收費(fèi)站的車道攝像機(jī)和外場(chǎng)攝像機(jī)視頻線到光端機(jī)兩端安裝通流容量5 kA(波形8/20 μs)視頻信號(hào)防雷器以保護(hù)用電設(shè)備。在云臺(tái)攝像機(jī)控制線輸入端安裝通流容量5 kA(波形8/20 μs)的控制信號(hào)防雷器以保護(hù)用電設(shè)備。

4)在收費(fèi)站廣場(chǎng)攝像機(jī)視頻線到視頻復(fù)用光端機(jī)兩端安裝通流容量5KA(波形8/20μs)的視頻信號(hào)防雷器以保護(hù)用電設(shè)備。

5)在情報(bào)板、車輛檢測(cè)器、車輛指示標(biāo)志、車輛檢測(cè)器、交通信號(hào)燈、氣象檢測(cè)器的信號(hào)線到本地PLC內(nèi)的輸入輸出模塊的兩端安裝通流容量5 kA(波形8/20 μs)的雙絞線信號(hào)防雷器以保護(hù)用電設(shè)備。

2.2 等電位連接設(shè)計(jì)

根據(jù)GB 50343－2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》機(jī)房采用M型等電位連接網(wǎng)絡(luò)時(shí)，宜使用截面積不小于50 mm2的銅帶在防靜電地板下構(gòu)成銅帶接地網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)GB 50057－94《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》采用當(dāng)S型等電位連接網(wǎng)絡(luò)時(shí)，信息系統(tǒng)的所有金屬組件，除等電位連接點(diǎn)外，應(yīng)與共用接地系統(tǒng)的各組件有大于10 kV、1.25/50 μs的絕緣。

在復(fù)雜系統(tǒng)中，M型和S型等電位連接網(wǎng)絡(luò)這兩種形式的優(yōu)點(diǎn)可組合在一起，該網(wǎng)絡(luò)的所有金屬和設(shè)備應(yīng)與共用接地系統(tǒng)的各組件有大于10 kV、1.25/50 μs的絕緣。

等電位連接是現(xiàn)代防雷技術(shù)重要的防護(hù)措施之一。將進(jìn)入監(jiān)控中心大樓的各類管線的屏蔽層、機(jī)架等在進(jìn)入大樓前進(jìn)行等電位連接后接地。在進(jìn)入設(shè)備前再進(jìn)行二次等電位連接后接地。將廣場(chǎng)攝像頭輸出的同軸電纜的外層和其它管線外層在進(jìn)入大樓前進(jìn)行等電位連接后接地。

將分開的外導(dǎo)電裝置用等電位連接導(dǎo)體連接后接地，以減少系統(tǒng)設(shè)備所在的建筑物金屬構(gòu)件與設(shè)備之間或設(shè)備與設(shè)備之間因雷擊產(chǎn)生的電位差。利用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物內(nèi)所有金屬構(gòu)件的多重連接建立一個(gè)三維的連接網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)等電位連接的最佳選擇。為方便等電位連接施工，應(yīng)在一些合適的地方預(yù)埋等電位連接預(yù)留件。

建筑物的各類水管、采暖和空調(diào)管道等金屬管道的金屬外層在進(jìn)入建筑物處應(yīng)做等電位連接，燃?xì)夤艿廊霊艉髴?yīng)在法蘭盤連接處插入一塊絕緣體，兩端用開關(guān)型SPD連接后戶內(nèi)金屬管道可參加等電位連接，并與建筑物組合在一起的大尺寸金屬件連接在一起，按GB50054的要求做總等電位連接之后，接向總等電位連接帶，并可靠連通接地。

在建筑物入口處，即LPZ0與LPZ1區(qū)交界進(jìn)行總等電位連接后接地，在后續(xù)的雷電防護(hù)區(qū)交界處按總等電位連接的方法進(jìn)行局部等電位連接，連接主體應(yīng)包含系統(tǒng)設(shè)備本身(含外露可導(dǎo)電部分)、PE線、機(jī)柜、機(jī)架、電氣和電子設(shè)備的外殼、直流工作地、防靜電接地、金屬屏蔽線纜外層、管道、屏蔽槽、電涌保護(hù)器SPD的接地等均應(yīng)以最短的距離就近與這個(gè)等電位連接帶直接連接。連接基本方法應(yīng)采用網(wǎng)型(M)結(jié)構(gòu)或星型(S)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)型結(jié)構(gòu)的環(huán)行等電位連接帶應(yīng)每隔5m經(jīng)建筑物墻內(nèi)鋼筋、金屬立面與接地系統(tǒng)連接。當(dāng)采用S型等電位連接網(wǎng)絡(luò)時(shí)，系統(tǒng)的所有金屬組件除在接地基準(zhǔn)點(diǎn)，即ERP處連接外，均應(yīng)與共用接地系統(tǒng)的各組件有足夠的絕緣(大于10 kV，1.2/50 μs)。

宜利用建筑物的基礎(chǔ)鋼筋地網(wǎng)作為共用接地系統(tǒng)。如建筑物沒有基礎(chǔ)鋼筋地網(wǎng)，宜在建筑物四周埋設(shè)人工垂直接地體和水平環(huán)型接地體。接地體的接地電阻不宜大于4 Ω。原則上應(yīng)在各雷電防護(hù)區(qū)界面處做等電位連接，但由于工藝要求或其它原因，被保護(hù)設(shè)備的安裝位置不會(huì)正好設(shè)在界面可能發(fā)生的電涌電壓時(shí)，電涌保護(hù)器安裝在被保護(hù)設(shè)備處，而線路的金屬保護(hù)層或屏蔽層宜首先在界面處做一次等電位連接接地。

埋于土壤中的人工垂直接地體宜采用角鋼、鋼管或圓鋼;埋于土壤中的人工水平接地體宜采用扁鋼或圓鋼。圓鋼直徑不應(yīng)小于10 mm，扁鋼截面不應(yīng)小于100 mm2，其厚度不應(yīng)小于4 mm;角鋼不應(yīng)小于(40×40×4)mm;鋼管壁厚不應(yīng)小于3.5 mm。人工垂直接地體的長(zhǎng)度宜為2.5 m。人工垂直接地體間的距離及人工水平接地體間的距離宜為5 m，當(dāng)受條件限制時(shí)可適當(dāng)減小。人工接地體在土壤中的埋設(shè)深度不應(yīng)小于0.5 m，在凍土區(qū)人工接地體應(yīng)埋設(shè)在凍土層以下。接地體應(yīng)遠(yuǎn)離由于磚窯、煙道等高溫影響土壤電阻率升高的地方。

在收費(fèi)站監(jiān)控室的機(jī)房、及監(jiān)控室防靜電地板下采用4 mm×40 mm的銅排設(shè)置等電位接地匯流銅排，該銅排與建筑物預(yù)留接地點(diǎn)采用16 mm2多股銅導(dǎo)線進(jìn)行連接，機(jī)房及監(jiān)控大廳內(nèi)各種金屬設(shè)備外殼、金屬支架、天花板龍骨、強(qiáng)弱電金屬線槽、金屬門窗等均采用10 mm2多股銅導(dǎo)線與之進(jìn)行可靠連接;在收費(fèi)站大棚下各種金屬設(shè)備外殼、金屬支架、強(qiáng)弱電金屬線槽、金屬門窗之間和收費(fèi)車道內(nèi)的欄桿機(jī)、攝像機(jī)、防撞柱等均采用16 mm2多股銅導(dǎo)線和4 mm×40 mm熱鍍鋅扁鋼與匯流排進(jìn)行可靠連接。

2.3 外場(chǎng)設(shè)備接地網(wǎng)設(shè)計(jì)

為收費(fèi)站、超限站和監(jiān)控室做獨(dú)立接地地網(wǎng)，作為防止直接雷擊和感應(yīng)雷擊的共用的接地裝置，采用降阻劑和配套使用的優(yōu)化接地極，使接地電阻小于4 Ω;

在公路沿線云臺(tái)桿和情報(bào)板桿下面各做一個(gè)獨(dú)立地網(wǎng)，作為防止直接雷擊和感應(yīng)雷擊的共用的接地裝置，采用降阻劑和配套使用的優(yōu)化接地極，使接地電阻小于4 Ω。

地網(wǎng)尺寸不小于10×20 m，開挖深400×1 000 mm的地溝，在溝內(nèi)四個(gè)角及靠中心的兩個(gè)角挖深3 m的洞，并在洞內(nèi)埋優(yōu)化接地極，其它角打入5×50×50×2500熱鍍鋅角鋼，回填層采用長(zhǎng)效降阻劑(降阻劑回填深度300 mm)，以保證地阻常年穩(wěn)定。其它用原土回填，共2個(gè);地網(wǎng)材料垂直接地極采用優(yōu)化接地極和5×50×50×2 500 mm熱鍍鋅角鋼，水平接地極采用4×40 mm的熱鍍鋅扁鋼;接地電阻必須小于1 Ω。

3 總結(jié)

目前高速公路建設(shè)發(fā)展迅速，為了使高速公路暢通無阻，保證高速公路通信、監(jiān)控、收費(fèi)系統(tǒng)正常運(yùn)行，將雷電災(zāi)害降低到最低限度，制定一套綜合的防雷方案勢(shì)在必行。