高速公路機(jī)電系統(tǒng)防雷措施探討*

柯婷嫻，蔡智敏

（1.福建省高速公路集團(tuán)有限公司，福建 福州 350001；2.福州東南繞城高速公路有限公司，福建 福州 350001）

高速公路機(jī)電系統(tǒng)由多種復(fù)雜的電子系統(tǒng)組成，這些機(jī)電系統(tǒng)貫穿于高速公路的各部分，既要做好各系統(tǒng)本身的防雷工作，又要做好系統(tǒng)間的防雷協(xié)調(diào)配合，主要分為內(nèi)部防雷和外部防雷兩部分。外部防雷主要是防止直擊雷對(duì)建構(gòu)筑物或外場(chǎng)設(shè)備造成破壞，內(nèi)部防雷主要是防止雷電侵入、雷擊感應(yīng)過電壓和雷擊電磁脈沖對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的危害[1]。

1 高速公路機(jī)電系統(tǒng)防雷的總體設(shè)計(jì)原則

機(jī)電系統(tǒng)分布在各種建筑物中，如高速公路變配電所、辦公樓、監(jiān)控室、機(jī)房、收費(fèi)廣場(chǎng)等。這些建筑物的防雷分類應(yīng)根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50057—2010）的規(guī)定選取，并按規(guī)范中的相關(guān)要求對(duì)各類建筑物采取相應(yīng)的直擊雷防護(hù)措施。若機(jī)電系統(tǒng)所在建筑物達(dá)不到第三類防雷建筑物的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)按第三類防雷建筑物采取直擊雷防護(hù)措施。機(jī)電系統(tǒng)的內(nèi)部防雷措施參考《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50057—2010）和《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》（GB 50343—2012），并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

高速公路機(jī)電系統(tǒng)防雷的總體設(shè)計(jì)原則如下：（1）應(yīng)采取系統(tǒng)防雷措施。（2）防雷措施應(yīng)安全可靠，可以適當(dāng)冗余。（3）防雷措施應(yīng)該經(jīng)濟(jì)合理。（4）接閃器和SPD電氣性能參數(shù)以及使用功能應(yīng)符合高速公路的特點(diǎn)。

2 外部直擊雷防護(hù)

外部防雷裝置包括接閃器、引下線、接地網(wǎng)。不同區(qū)域的防雷建議如下[2]。

（1）服務(wù)區(qū)、辦公區(qū)的建筑物及附屬建筑物：將建筑物的柱內(nèi)鋼筋作為自然引下線，利用基礎(chǔ)鋼筋網(wǎng)作為共用接地裝置。

（2）收費(fèi)棚：優(yōu)先利用金屬頂棚、金屬構(gòu)架作為接閃器。當(dāng)收費(fèi)金屬頂棚的厚度小于0.5mm時(shí)，宜用頂棚上的其他金屬構(gòu)件作為接閃器或加設(shè)接閃帶。收費(fèi)站頂棚為非金屬頂棚時(shí)，應(yīng)裝設(shè)接閃帶。將金屬支柱或柱內(nèi)鋼筋作為引下線，立柱下端應(yīng)留有接地檢測(cè)端口，用于防雷檢測(cè)。收費(fèi)廣場(chǎng)及收費(fèi)廣場(chǎng)的基礎(chǔ)鋼筋應(yīng)將電氣連接作為共用接地網(wǎng)。

（3）服務(wù)區(qū)廣場(chǎng)：服務(wù)區(qū)廣場(chǎng)上的高桿燈應(yīng)安裝接閃裝置，可以作為服務(wù)區(qū)廣場(chǎng)的直擊雷防護(hù)。高桿燈接地體應(yīng)做好防護(hù)措施，水平接地體局部應(yīng)覆蓋有絕緣物，如在接地體上面敷設(shè)瀝青層。接地體周圍應(yīng)采取防跨步電壓、防接觸電壓和旁側(cè)閃絡(luò)措施，如設(shè)置警告牌、隔離帶等，保證人身安全。

（4）ETC門架：在ETC門架頂部安裝避雷帶（網(wǎng)）或避雷針，或由其混合組成的接閃器，門架頂部應(yīng)在接閃器的保護(hù)范圍內(nèi)，ETC門架上的重要設(shè)備設(shè)施應(yīng)處于LPZOB區(qū)。應(yīng)同時(shí)利用ETC門架兩端金屬立柱作為引下線，優(yōu)先利用ETC門架的混凝土基礎(chǔ)鋼筋作為接地裝置。

（5）橋梁：利用橋梁連續(xù)鋼護(hù)欄、斜拉或吊橋懸索等橋梁金屬構(gòu)架作為接閃器。橋梁主塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，宜在其頂部安裝避雷帶、避雷針或由其混合組成的接閃器，采用避雷帶時(shí)宜沿主塔頂部外沿明敷。當(dāng)主塔頂部裝有永久性金屬物，且材質(zhì)符合接閃器的規(guī)定時(shí)，可以將各部件之間連成電氣通路，作為接閃器使用。橋梁上重要的設(shè)備設(shè)施，如監(jiān)控設(shè)備、測(cè)速等應(yīng)安裝于LPZOB區(qū)。橋梁高度超過45m時(shí)，墩身每隔30m應(yīng)利用自身鋼筋沿塔四周設(shè)置水平均壓帶，并與所有引下線焊接。將塔柱及輔助墩墩身、承臺(tái)內(nèi)主鋼筋作為引下線，引下線不應(yīng)少于4處，并應(yīng)沿塔柱、墩身及承臺(tái)四周均勻或?qū)ΨQ布置，同時(shí)應(yīng)在方便觸及的部位設(shè)置防雷測(cè)試點(diǎn)。應(yīng)充分利用索塔基礎(chǔ)及輔助墩基礎(chǔ)中的結(jié)構(gòu)鋼筋作為自然接地體，敷設(shè)在基礎(chǔ)混凝土中被用作接地裝置的鋼筋單樁不得少于4根，并與承臺(tái)下層主筋可靠焊接。

3 浪涌保護(hù)器的選擇

內(nèi)部防雷產(chǎn)品主要包括浪涌保護(hù)器、等電位連接等。浪涌保護(hù)器分為電源線路電涌保護(hù)器SPD和信號(hào)電涌保護(hù)器SPD。

3.1 電源系統(tǒng)SPD的選型及安裝

（1）分類。目前電源線路電涌保護(hù)器有串聯(lián)式和并聯(lián)式兩大類。串聯(lián)式SPD內(nèi)部包含兩級(jí)保護(hù)SPD模塊和退藕電感，殘壓很小，但與被保護(hù)設(shè)備的容量匹配要求高，體積也大，適用于機(jī)房配電箱、UPS前端或重要場(chǎng)所孤立設(shè)備的保護(hù)。電源SPD絕大多數(shù)場(chǎng)合都采用并聯(lián)式，并聯(lián)式SPD可以分為以下三種[1]。

第一，電壓開關(guān)型SPD（間隙型）。在無電涌時(shí)呈高阻態(tài)，但對(duì)電涌響應(yīng)時(shí)，其阻抗突變?yōu)榈妥柚档囊环NSPD。開關(guān)型SPD的常用器件有火花間隙、氣體放電管等。該類SPD的特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間較慢，通流容量大，適用于LPZOA區(qū)或LPAOB區(qū)。安裝方式一般采用“3+1”的保護(hù)模式。電壓開關(guān)型SPD的起動(dòng)電壓高，電壓不穩(wěn)，且殘壓太高，容易擊穿設(shè)備?？梢?，電壓開關(guān)型SPD不能單獨(dú)使用，應(yīng)作為多級(jí)保護(hù)中的一級(jí)。

第二，限壓型SPD（壓敏電阻型）。限壓型SPD在電涌出現(xiàn)時(shí)為高阻抗，隨著電涌電流和電壓的增加，阻抗連續(xù)變小。限壓型SPD的組件一般為壓敏電阻、抑制二極管。該類型SPD具有連續(xù)的電壓、電流特性，適用于LPZOB區(qū)、LPZ1及以上防雷分區(qū)，用于限制雷電過電壓。限壓型SPD的標(biāo)稱導(dǎo)通電壓很低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間快，電氣性能穩(wěn)定，殘壓也很低。因此，該類型SPD可以單獨(dú)使用，也可以組合使用，進(jìn)行多級(jí)保護(hù)。

第三，混合型SPD。這是將電壓開關(guān)型元件和限壓型元件組合的SPD，當(dāng)承受電壓不同時(shí)，可以呈現(xiàn)三種不同的特性—兩者各自的特性，以及兩者組結(jié)合的特性。由于開關(guān)型SPD的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間較限壓型SPD慢，若將開關(guān)型SPD和限壓型SPD組合進(jìn)行多級(jí)防護(hù)，限壓型SPD會(huì)先導(dǎo)通，位于首級(jí)的開關(guān)型SPD起不到防護(hù)作用。因此，在選擇SPD時(shí)，不應(yīng)將開關(guān)型SPD放在首級(jí)，而后級(jí)保護(hù)選用限壓型SPD。但是，當(dāng)環(huán)境比較惡劣時(shí)，可以將開關(guān)型SPD和限壓型SPD組合，用作首級(jí)防護(hù)。

（2）安裝。SPD應(yīng)安裝在被保護(hù)設(shè)備電源線路的前面，SPD的各接線端與電源線路的同名端連接，SPD上的接地端連接到接地端子排上，接地端子排應(yīng)該與防雷分區(qū)內(nèi)的等電位接地排相連接。在連接SPD的兩端導(dǎo)線時(shí)，應(yīng)使導(dǎo)線分布平直，長(zhǎng)度不能太長(zhǎng)，宜小于0.5m。開關(guān)型SPD到限壓型SPD的線路小于10m，且限壓型SPD間的線路小于5m時(shí)，需要在各兩級(jí)SPD間增加退耦設(shè)備。如果SPD的能量具有自動(dòng)配合的性能，各級(jí)SPD之間的線路長(zhǎng)度可以不用考慮。

電源線路應(yīng)裝設(shè)多級(jí)SPD防護(hù)，以達(dá)到分級(jí)泄流的目的[2-4]。其主要分為三級(jí)SPD防護(hù)。

第一級(jí)SPD：該級(jí)SPD主要安裝在低壓變壓器引到總配電柜的進(jìn)線側(cè)，主要作用是泄放大部分入侵建筑物的雷電流。該區(qū)域的雷擊危險(xiǎn)性較高，屬于B級(jí)防雷區(qū)。選用SPD的標(biāo)稱放電電流應(yīng)大于40kA，最大持續(xù)操作電壓應(yīng)大于385V，泄漏電流應(yīng)小于20μA，響應(yīng)時(shí)間應(yīng)少于25ns。

第二級(jí)SPD：該級(jí)SPD主要是安裝在各樓層低壓配電箱的低壓進(jìn)線側(cè)，主要作用是防止雷擊過電壓從交流配電線進(jìn)入用戶端，保護(hù)后端設(shè)備的安全，免遭雷擊。該區(qū)域?qū)儆贑級(jí)防雷區(qū)，應(yīng)選用C級(jí)防雷保護(hù)裝置，標(biāo)稱電流放電電流應(yīng)大于20kA，最大持續(xù)操作電壓應(yīng)大于275V，泄漏電流應(yīng)小于20μA，響應(yīng)時(shí)間應(yīng)少于25ns。

第三級(jí)SPD：該級(jí)SPD主要安裝在設(shè)備控制箱的進(jìn)線側(cè)，主要作用是進(jìn)一步減少雷電流的剩余影響，限制電網(wǎng)中的過電壓，將電壓限制在電氣設(shè)備所能承受的沖擊耐受電壓下，進(jìn)一步保護(hù)后端設(shè)備的安全。該區(qū)域?qū)儆贒級(jí)防雷區(qū)，應(yīng)安裝D級(jí)防雷保護(hù)裝置，標(biāo)稱電流放電電流應(yīng)大于10kA，最大持續(xù)操作電壓應(yīng)大于275V，泄漏電流應(yīng)小于20μA，響應(yīng)時(shí)間應(yīng)少于25ns。

3.2 信號(hào)系統(tǒng)防雷保護(hù)器的選擇

信號(hào)SPD應(yīng)根據(jù)線路類型進(jìn)行選擇，不同線路的傳輸特性是有差別的，只有安裝正確的信號(hào)SPD，才能起到應(yīng)有的防雷效果。選擇信號(hào)SPD時(shí)，需要判斷信號(hào)SPD的傳輸速率、插入損耗等參數(shù)是否與傳輸線路的參數(shù)相匹配。信號(hào)傳輸線的設(shè)備前端應(yīng)安裝SPD，標(biāo)稱放電電流應(yīng)大于5kA，最大放電電流應(yīng)大于10kA。在視頻傳輸線路上，宜在設(shè)備或系統(tǒng)的輸入、輸出端口上安裝視頻信號(hào)SPD，標(biāo)稱放電電流應(yīng)大于3kA，最大放電電流應(yīng)大于6kA。攝像機(jī)各線路引入端應(yīng)安裝SPD，SPD應(yīng)與信號(hào)的傳輸速率、信號(hào)電平、啟動(dòng)電壓以及雷電通量等相適配，可選擇“三合一”或者“二合一”的多功能電涌保護(hù)器[5]。

4 等電位連接

等電位連接是防雷工作中的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)做好以下等電位連接措施。

（1）建筑物內(nèi)的金屬橋架應(yīng)用金屬軟線做好跨接，全程保持電氣貫通。金屬橋架兩端在穿越不同防雷區(qū)交界處時(shí)，要做好接地。進(jìn)出機(jī)房的金屬管道、管槽、線纜的屏蔽層，機(jī)房的防靜電地板，機(jī)房設(shè)備的金屬外殼、機(jī)架等外露可導(dǎo)電部分應(yīng)與等電位連接排相連，做好等電位連接。

（2）收費(fèi)廣場(chǎng)應(yīng)預(yù)留等電位接地端子板供收費(fèi)亭、收費(fèi)、監(jiān)控、通信等機(jī)電設(shè)備使用，并與等電位連接網(wǎng)絡(luò)連接。收費(fèi)廣場(chǎng)的等電位均壓環(huán)應(yīng)電氣連通，并與收費(fèi)棚地網(wǎng)可靠電氣連接，組成共用接地系統(tǒng)。隧道兩側(cè)需要布置兩條貫穿隧道的等電位連接帶，并與隧道的結(jié)構(gòu)鋼筋進(jìn)行可靠連接。隧道內(nèi)各區(qū)域的控制器、機(jī)電設(shè)備都要與等電位端子板相連，等電位端子板應(yīng)與兩側(cè)等電位連接帶可靠連接。引入隧道的信號(hào)和電源線路宜穿金屬橋架敷設(shè)，金屬橋架與等電位連接帶相連，連接點(diǎn)要大于兩點(diǎn)。隧道外的金屬指示牌、信號(hào)燈、攝像頭的金屬支撐桿應(yīng)與隧道等電位連接帶連接。

（3）橋梁伸縮縫間應(yīng)通過金屬軟線實(shí)現(xiàn)電氣連接。橋梁長(zhǎng)跨距的金屬物應(yīng)保證電氣連通，如橋梁上的金屬欄桿、護(hù)欄等金屬物件應(yīng)做等電位跨接處理，以實(shí)現(xiàn)橋梁整體等電位。橋梁上部結(jié)構(gòu)與橋墩之間應(yīng)通過多股銅芯線纜進(jìn)行跨接。橋面上的金屬物應(yīng)與防雷裝置就近可靠連接。

5 結(jié)束語

高速公路機(jī)電系統(tǒng)的分布范圍廣、類型多，在選取防雷措施時(shí)，需要綜合考慮雷電過電壓、防雷裝置的保護(hù)特性、電子設(shè)備對(duì)雷電的耐受特性等情況，充分做好接閃、分流、接地、等電位聯(lián)結(jié)等綜合措施，從而實(shí)現(xiàn)更好的雷電防護(hù)效果。