探析高速公路機(jī)電系統(tǒng)防雷的重要性與防護(hù)技術(shù)

李國(guó)強(qiáng) 彭瑞燕 孔正圓

摘要：本文以高速公路為視角，研究機(jī)電程序的防雷工作，闡述了防雷工作的重要性，給出了防雷技術(shù)：防控感應(yīng)雷、防控直擊雷等，結(jié)合防雷技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用，以此保障機(jī)電程序運(yùn)行的安全性，提升高速公路的整體設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)性，以較高的交通服務(wù)質(zhì)量，帶動(dòng)相關(guān)行業(yè)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：公路;防雷;設(shè)備

高速公路中添加的機(jī)電程序，含有多種功能，包括自動(dòng)計(jì)費(fèi)、智能扣費(fèi)、公路照明、路況監(jiān)控等。在特殊環(huán)境中，各類(lèi)機(jī)電程序會(huì)受到雷電作用，造成設(shè)備損壞、程序運(yùn)作失效等問(wèn)題，無(wú)法保障公路智能服務(wù)的有序性。在地勢(shì)、地貌等多種復(fù)雜因素的共同作用下，難以保證避雷針的雷電防護(hù)效果。為保障高速公路中各類(lèi)機(jī)電程序的運(yùn)作平穩(wěn)性，采取綜合防雷方法，以此達(dá)到防雷目標(biāo)。

1 防雷概述

圍繞高速公路開(kāi)展各項(xiàng)防雷工作時(shí)，以機(jī)電設(shè)備為主體，對(duì)其內(nèi)外兩個(gè)位置，逐一進(jìn)行防雷處理，以此保障機(jī)電程序的防雷效果[1]。在進(jìn)行內(nèi)部防雷時(shí)，是以崗位人員防雷安全為視角，需保證防雷質(zhì)量，減少直擊雷對(duì)崗位人員形成的傷害。在實(shí)踐內(nèi)部防雷時(shí)，使用避雷器，將其裝設(shè)在保護(hù)設(shè)備內(nèi)部，形成防雷與設(shè)備的聯(lián)動(dòng)體系，以等電位體形式獲取優(yōu)異的防雷效果。在進(jìn)行外部防雷時(shí)，防雷目標(biāo)包括接閃器、引下線(xiàn)、防雷區(qū)等。外部防雷方法，是利用避雷程序，有效轉(zhuǎn)移雷擊作用，將雷擊轉(zhuǎn)至地下區(qū)，以此減少雷擊對(duì)程序形成的威脅。防雷設(shè)計(jì)，是以保護(hù)機(jī)電程序、崗位人員為主要目標(biāo)，降低公路機(jī)電設(shè)備引發(fā)火災(zāi)的發(fā)生可能性，達(dá)到防雷保護(hù)效果。

2 防雷的主要技術(shù)

2.1 防感應(yīng)雷

感應(yīng)雷會(huì)從多種路徑，進(jìn)入建筑工程，對(duì)建筑內(nèi)裝設(shè)的機(jī)電程序，形成雷電攻擊[2]。在機(jī)電程序中，電纜表現(xiàn)出能耗小、信號(hào)傳輸長(zhǎng)度大等特點(diǎn)，極易受到感應(yīng)雷的干擾，致使電纜發(fā)生損壞。在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，由感應(yīng)雷引起的雷擊問(wèn)題，在整體雷擊案件中占比不小于70%。因此，對(duì)高速公路中裝設(shè)的各類(lèi)程序，開(kāi)展感應(yīng)雷防控，具有防雷的必要性。感應(yīng)雷會(huì)使用空間感應(yīng)方法，將雷擊作用傳輸在通信站，致使感應(yīng)線(xiàn)受損。在屏蔽防護(hù)中，能夠有效抵消感應(yīng)雷作用，控制設(shè)備受損程度。為保障屏蔽防雷效果，需配置完善的防雷體系，保證電擊壓力的承受效果，減少雷擊威脅。在防雷程序中，防雷器是一種技術(shù)較平穩(wěn)、成本相對(duì)經(jīng)濟(jì)的防雷方法，或稱(chēng)為“等電位連接設(shè)備”。此種防雷技術(shù)的建立，會(huì)在感應(yīng)雷信號(hào)形成時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)高效調(diào)整設(shè)備兩端電位，使電位平衡，合理調(diào)整電量作用，減少雷擊危害。防雷器自身具有較強(qiáng)的阻燃性，在火災(zāi)環(huán)境中，能夠有效發(fā)揮自身的電位調(diào)整功能，以較高的阻燃性，保證電位平衡的有效性。防雷器運(yùn)行時(shí)，不會(huì)自行切斷供電程序，對(duì)其他程序不會(huì)形成不利作用。

2.2 防控直擊雷

2.2.1 巧用導(dǎo)體

在土壤結(jié)構(gòu)中，具有分散雷擊作用的導(dǎo)體。接地體會(huì)結(jié)合所在位置的實(shí)際情況，各類(lèi)接地體相互組成地網(wǎng)。在實(shí)際地網(wǎng)布設(shè)，會(huì)依據(jù)地理特征的差異性，形成具有差別性的地網(wǎng)結(jié)構(gòu)。一般情況下，使用環(huán)形地網(wǎng)，以此保障雷電流的抵消效果，防止機(jī)電程序受到雷擊威脅。導(dǎo)體與土壤結(jié)構(gòu)處于90度時(shí)，導(dǎo)體長(zhǎng)度約有2m，土層埋深長(zhǎng)度約1m，接地點(diǎn)位相鄰間隔長(zhǎng)度不小于4m。導(dǎo)體在土層中水平放置時(shí)，埋地深度不小于1.2m，在建筑外圍伸出長(zhǎng)度有45m，保證防雷效果。

2.2.2 引下線(xiàn)

引下線(xiàn)使用時(shí)，主要是在雷擊形成時(shí)，轉(zhuǎn)移雷擊作用，使雷擊電流在此種線(xiàn)路的作用下，轉(zhuǎn)移至地下，形成防雷保護(hù)效果。在引下線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)，線(xiàn)路至少為2根，確保雷擊電流轉(zhuǎn)移質(zhì)量。一般情況下，在建筑周邊，以線(xiàn)路對(duì)稱(chēng)方法，有序排布引下線(xiàn)。在設(shè)計(jì)引下線(xiàn)位置時(shí)，兩組線(xiàn)路之間的間隔距離不超過(guò)20m。在引下線(xiàn)安裝時(shí)，可使用焊接形式，連接線(xiàn)路，使線(xiàn)路在壓環(huán)中處于均勻分布狀態(tài)。如果建筑結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出框架形式，在引下線(xiàn)程序中，以鋼筋為主要框架的構(gòu)造材料。

2.2.3 接閃器

避雷針、防雷產(chǎn)品的類(lèi)型具有多樣性，接閃器具有防雷使用的廣泛性。接閃器的設(shè)備類(lèi)型包括：針型、帶型、網(wǎng)格型。借助各類(lèi)結(jié)構(gòu)的避雷設(shè)備，合理防護(hù)雷擊作用。如果高速公路中，用于裝置機(jī)電程序的建筑，建筑項(xiàng)目表層含有天線(xiàn)，可使用針型避雷器，轉(zhuǎn)移雷擊電流，以此保障接閃器的使用效果。

2.3 其他防雷措施

（1）在多種防雷技術(shù)聯(lián)合使用時(shí)，應(yīng)以隔絕防護(hù)、壓力均等的形式，提升防雷效果[3]。在防雷設(shè)計(jì)程序中，有效分布防雷裝置，合理連接防雷設(shè)備、導(dǎo)體，形成聯(lián)合防雷結(jié)構(gòu)，有效轉(zhuǎn)移雷電作用。在高速公路的智能計(jì)費(fèi)程序中，以攝像頭為主，合理裝設(shè)避雷針，完成相應(yīng)的接地處理，防止攝像程序受到雷擊威脅。（2）電纜外圍應(yīng)添加保護(hù)設(shè)施，確保纜線(xiàn)的隔絕質(zhì)量。線(xiàn)纜的隔離效果，主要取決于隔緣材料質(zhì)量。因此，在電纜布設(shè)時(shí)，盡量選用阻抗不高的線(xiàn)纜，以此減少雷擊作用。（3）現(xiàn)階段，信號(hào)傳輸設(shè)備的成本有所下降，在防雷預(yù)算范圍內(nèi)，更換光纖設(shè)備。在高速公路收費(fèi)時(shí)，借助光纖通信，提升計(jì)費(fèi)、扣費(fèi)、影像的高效性，降低雷電侵襲可能性。（4）在壓力均衡處理時(shí)，選用連接材料時(shí)，側(cè)重于材料的導(dǎo)電能力，確保連接兩端的電位，處于均衡位置，能夠在短時(shí)間內(nèi)及時(shí)轉(zhuǎn)移雷電。計(jì)費(fèi)區(qū)安裝的機(jī)電程序、纜線(xiàn)，在選用材料時(shí)，如果有金屬，應(yīng)添加接地程序，以此達(dá)到機(jī)電防雷效果。（5）有效控制電壓波威脅，在電纜兩側(cè)位置添加防雷設(shè)備。

3 機(jī)電防雷技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用

3.1 高速公路概況

公路全長(zhǎng)約有7km，山體結(jié)構(gòu)以巖石為主，土層中含有較高的電阻比例，雷電流會(huì)選擇導(dǎo)電便利的路徑，增加了機(jī)電設(shè)施受到雷擊的可能性。使用防雷技術(shù)，包括直擊雷防護(hù)、控制電磁脈沖作用等形式，在公路中添加雷電攔截、雷電屏蔽、電位平衡等技術(shù)，提升防雷綜合性能。

3.2 雷電攔截技術(shù)

在高速公路中，含有的機(jī)電設(shè)備有：道路監(jiān)控系統(tǒng)、變電站、計(jì)費(fèi)攝像程序、道路信號(hào)引導(dǎo)設(shè)備、照明系統(tǒng)等。針對(duì)各類(lèi)外場(chǎng)安裝使用設(shè)備，在設(shè)備表層添加各類(lèi)接閃器，有效轉(zhuǎn)移雷電流，達(dá)到外場(chǎng)設(shè)備的防雷效果。在防雷安裝時(shí)，使用鋼柱、混凝土體系，采取內(nèi)焊方式，形成鋼筋網(wǎng)，將其作為土層中的導(dǎo)體，確保雷電轉(zhuǎn)移的有效性。

3.3 雷電屏蔽技術(shù)

使用金屬材料，比如網(wǎng)、管等，完整包圍待保護(hù)的機(jī)電程序。結(jié)合集膚效應(yīng)，合理抵消雷電作用轉(zhuǎn)化的電磁脈沖，旨在保護(hù)機(jī)電程序、機(jī)電傳輸?shù)母黝?lèi)線(xiàn)路。在高速公路中的各類(lèi)機(jī)電設(shè)備，主要受到雷電威脅有：一，雷電信號(hào);二，電磁脈沖;三，機(jī)電程序運(yùn)行中誤操作形成的過(guò)電壓。

雷電波在傳輸時(shí)，會(huì)形成電磁、靜電兩種類(lèi)型的感應(yīng)。在高速公路中使用的電源線(xiàn)、信號(hào)傳輸線(xiàn)路，會(huì)形成過(guò)電壓波，在線(xiàn)路的作用下，過(guò)電壓波沖擊著纜線(xiàn)連接的兩端設(shè)備，致使高速公路中安裝的機(jī)電程序在雷擊作用下受損。在防雷時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)確鎖定高速公路的線(xiàn)路防雷屏蔽點(diǎn)位，減少雷擊威脅。在實(shí)踐中，使用鍍鋅線(xiàn)槽，集中存放供電線(xiàn)路、信號(hào)傳輸線(xiàn)路，在線(xiàn)槽間隔位置，標(biāo)準(zhǔn)接地，以此有效抵消雷電威脅[4]。

3.4 電位均衡處理

雷電流表現(xiàn)出較高浮動(dòng)特點(diǎn)，雷電流經(jīng)過(guò)的位置，各處對(duì)地電位較高。在高速公路環(huán)境中，機(jī)電設(shè)備整體電位具有均衡性，會(huì)形成閃絡(luò)放電現(xiàn)象。因此，在高速公路中，引入電位均衡處理技術(shù)。在電位處于均衡狀態(tài)時(shí)，雷擊作用下，金屬表層電位級(jí)別，在特定范圍內(nèi)電位并無(wú)較大差異，有效降低了過(guò)電壓、接觸電壓的發(fā)生次數(shù)，切實(shí)達(dá)到防雷目標(biāo)，降低機(jī)電設(shè)備受到雷擊作用的概率。高速公路中使用的機(jī)電設(shè)備，會(huì)在電磁脈沖干擾下，形成設(shè)備損壞問(wèn)題。使用電位均衡處理技術(shù)，可有效抵御雷擊威脅，保護(hù)公路設(shè)備。

3.5 分流抵消

在抵消浪涌過(guò)電壓時(shí)，技術(shù)方法有：一，電壓屏蔽;二，電壓均衡處理;三接地系統(tǒng)聯(lián)合使用。在防雷時(shí)，應(yīng)防控浪涌過(guò)電壓形成的雷擊風(fēng)險(xiǎn)，控制電磁脈沖對(duì)機(jī)電設(shè)備形成的破壞，結(jié)合高速公路實(shí)況，合理設(shè)計(jì)多級(jí)SPD，提升電源設(shè)備信號(hào)各系統(tǒng)的雷電防護(hù)效果，以保障設(shè)備運(yùn)行有序性，合理控制浪涌電壓，增強(qiáng)各類(lèi)機(jī)電設(shè)備的耐壓能力。（1）供電系統(tǒng)中的SPD設(shè)計(jì)。在供電總柜、關(guān)鍵機(jī)電設(shè)施電源等位置，設(shè)計(jì)多個(gè)層級(jí)的SPD。（2）通信系統(tǒng)中的SPD設(shè)計(jì)。在設(shè)備通信傳輸時(shí)，傳輸頻率、線(xiàn)路電平表現(xiàn)出差異性。在實(shí)際開(kāi)展SPD設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合高速公路實(shí)況，采取多級(jí)泄流、電波過(guò)濾等技術(shù)方法，確保多層次SPD設(shè)計(jì)質(zhì)量。在實(shí)踐中，SPD類(lèi)型較多，結(jié)合防雷需求選擇，裝設(shè)在防雷保護(hù)的設(shè)備周邊。

3.6 接地設(shè)計(jì)

案例高速公路的周邊環(huán)境勘測(cè)結(jié)果：地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，含有斷層破裂結(jié)構(gòu)、質(zhì)量變動(dòng)的砂巖等，整體地層電阻比例處于較高位置。使用多種防雷技術(shù)，進(jìn)行綜合防雷。接地網(wǎng)中融合多種接地形式，比如供電區(qū)、防雷、通信設(shè)備等，形成綜合接地體系。接地時(shí)，連接線(xiàn)路的電阻應(yīng)控制在1Ω以?xún)?nèi)，以此保證高速公路各類(lèi)設(shè)備運(yùn)行的平穩(wěn)性，減少設(shè)備受到雷擊風(fēng)險(xiǎn)。在案例高速公路中，使用防腐長(zhǎng)效接地技術(shù)，接地線(xiàn)路共有990根。垂直土層的接地線(xiàn)路各設(shè)計(jì)100組，共引入200組垂直型接地線(xiàn)路。水平土層的接地線(xiàn)路各設(shè)5組，共引入130組水平型接地線(xiàn)路。在各變電站位置，添加20組接地線(xiàn)路，共引入80組接地線(xiàn)路。

4 三級(jí)防雷技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用

4.1 高速公路概述

在高速公路中，積極選用了防雷設(shè)備，合理設(shè)定防雷設(shè)備的安裝位置，全面保護(hù)機(jī)電系統(tǒng)。在防雷技術(shù)融合時(shí)，以三級(jí)防雷技術(shù)為視角，順應(yīng)各類(lèi)電壓級(jí)別程序的防雷需求，確保防雷質(zhì)量[5]。

4.2 防雷技術(shù)的應(yīng)用

4.2.1 防護(hù)收費(fèi)亭

在智能收費(fèi)程序中，含有多種引線(xiàn)，在設(shè)計(jì)防雷設(shè)備的安裝點(diǎn)時(shí)，假設(shè)各類(lèi)機(jī)電程序中含有一半雷電流，在導(dǎo)體引導(dǎo)中轉(zhuǎn)至地下，另有一半雷電流，使用金屬管線(xiàn)予以抵消。雷電流的消散方式：以通道阻抗為參照，形成了各路段的雷電流浮動(dòng)區(qū)間，雷電流傳輸路徑，會(huì)有效傳輸至各類(lèi)金屬管線(xiàn)，包括供電、通信、用水等。在電阻大小不確定時(shí)，認(rèn)定接地電阻處于等同狀態(tài)，使用多個(gè)金屬管線(xiàn)均衡抵消雷擊電流。

4.2.2 防護(hù)攝像程序

攝像程序所在位置較高，受到雷電作用的可能性較大。在雷擊作用下，攝像設(shè)備使用的各路導(dǎo)線(xiàn)，會(huì)形成較高的雷電流。作用于攝像設(shè)備的雷擊信號(hào)，主要取決于外引線(xiàn)路、防雷設(shè)備線(xiàn)路、通信線(xiàn)路的綜合阻抗大小。在防雷時(shí)，應(yīng)在供電程序、數(shù)據(jù)通信、影像傳播線(xiàn)路中，逐一安裝各類(lèi)防雷設(shè)備。為保障防雷質(zhì)量，防雷設(shè)備可使用的型號(hào)為“DTK-DP4P”。此種防雷器，可從多個(gè)層次進(jìn)行防雷保護(hù)，僅有一組接地。在接地防雷中，對(duì)于攝像程序的供電線(xiàn)路、視頻通信線(xiàn)路等，均能給予有效防護(hù)。

4.2.3 防護(hù)監(jiān)控程序

在監(jiān)控系統(tǒng)中，傳輸線(xiàn)的功能較多，適用的防雷技術(shù)具有差異性。比如，視頻矩陣轉(zhuǎn)換程序，在進(jìn)行防雷時(shí)，引入專(zhuān)用的視頻防雷設(shè)備，以此減少防雷形成的視頻通訊干擾。針對(duì)數(shù)據(jù)通信程序中各類(lèi)線(xiàn)路，結(jié)合線(xiàn)路電氣屬性，合理設(shè)計(jì)電壓參數(shù)，保證防雷質(zhì)量。

4.3 防雷技術(shù)操作的關(guān)鍵問(wèn)題

（1）在機(jī)電程序中，時(shí)常發(fā)生多組設(shè)備串聯(lián)情況。比如422/485信息通訊，應(yīng)采取多級(jí)防護(hù)措施。結(jié)合雷電的各類(lèi)防護(hù)需求，構(gòu)建多級(jí)防雷結(jié)構(gòu)，逐級(jí)降低雷電能力，促使限制電壓處于均衡分配狀態(tài)，使電壓值處于絕緣區(qū)域內(nèi)。（2）各類(lèi)情況中，在進(jìn)行線(xiàn)路防雷時(shí)，應(yīng)至少劃分兩級(jí)，相同級(jí)別的防雷設(shè)備，應(yīng)設(shè)計(jì)多個(gè)層次的雷電保護(hù)機(jī)制。在防雷期間，在各類(lèi)防雷連接位置，添加功能全面的防雷設(shè)備，確保電子程序的防護(hù)效果。在具有屏蔽性的防雷線(xiàn)路范圍內(nèi)，導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)從線(xiàn)路、防雷設(shè)備等位置，逐一穿過(guò)。比如，在監(jiān)控程序中，在各類(lèi)中心設(shè)備內(nèi)部，添加的引入線(xiàn)，應(yīng)帶有防雷設(shè)備。防雷器使用時(shí)，防雷范圍具有限定性。一般情況下，防雷設(shè)備的有效防護(hù)范圍為10m。如果線(xiàn)路長(zhǎng)度大于10m，未及時(shí)補(bǔ)充添加防雷器，10m外線(xiàn)路整體防雷效果欠佳。

4.4 防護(hù)不當(dāng)?shù)募夹g(shù)應(yīng)對(duì)策略

（1）防雷設(shè)備間隔距離較長(zhǎng)。如果防雷設(shè)備間隔距離大于10m，間隔區(qū)將會(huì)成為防雷薄弱區(qū)。因此，間隔位置應(yīng)保持在7～10m之間，以此保障防雷質(zhì)量。同時(shí)，在使用防雷連接線(xiàn)時(shí)，線(xiàn)長(zhǎng)不宜過(guò)長(zhǎng)，需小于25cm。如果連接線(xiàn)大于25cm，可使用至少2根線(xiàn)路，進(jìn)行分別連接，以此提升磁場(chǎng)的分散效果，合理控制壓降。在防雷時(shí)，運(yùn)行DITEK防雷設(shè)備，借助其線(xiàn)路多元組合功能，合理控制接線(xiàn)大小。（2）如果接地連接不善，會(huì)降低雷擊轉(zhuǎn)移的有效性。針對(duì)此種防雷問(wèn)題，采取設(shè)備單獨(dú)接地形式，以此保障防雷效果。假設(shè)單組防雷設(shè)備，會(huì)散出20kA雷電流，接地電阻假設(shè)為1Ω，在防護(hù)設(shè)備與傳輸線(xiàn)之間會(huì)存留至少20kV電壓，具有一定危險(xiǎn)性。因此，在接地連接時(shí)，應(yīng)規(guī)范操作防雷器，回避接地不善問(wèn)題，保證接地質(zhì)量，提升設(shè)備防雷保護(hù)的有效性，發(fā)揮防雷器的技術(shù)價(jià)值。

5 結(jié)論

綜上所述，以高速公路為主體，對(duì)其使用的機(jī)電程序，開(kāi)展防雷規(guī)劃時(shí)，會(huì)受到防雷技術(shù)的完整性、防護(hù)人員的專(zhuān)業(yè)性、防雷資源的有效性等各類(lèi)因素的影響。在實(shí)際防雷設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于環(huán)境條件、地形分布、防雷設(shè)備類(lèi)型等因素，給出了多重條件。因此，在實(shí)際防雷時(shí)，需結(jié)合機(jī)電程序的運(yùn)作特點(diǎn)、高速公路周邊的地質(zhì)實(shí)況等因素，綜合開(kāi)展防雷工作，以此保障防雷技術(shù)選用的合理性，達(dá)到防雷效果。

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