高速公路機電設(shè)備接地改造技術(shù)研究

吳現(xiàn)濮

(河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司,鄭州 450000)

0 引言

高速公路建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大,監(jiān)控、配電照明、通信、收費等各種機電設(shè)備遍布各類線路,這對運行管理提出了更加嚴(yán)格的要求。接地系統(tǒng)是確保其安全運行的基本條件及重要保障,但高速公路機電設(shè)備接地存在不足,無法確保防雷接地的安全性,故分析高速公路機電設(shè)備接地改造技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義。

某高速公路始建于1998年,機電設(shè)備遍布全線,包括監(jiān)控、配電照明、通信、收費、內(nèi)部安防、辦公自動化、治超稱重系統(tǒng)等各種半智能及智能電子設(shè)備。該公路地處雷暴高發(fā)區(qū),2019—2022年的年均雷暴日如圖1。

圖1 高速公路所在地年均雷暴日Fig.1 Average annual thunderstorm days in highway locations

由圖1可知,其年平均雷暴日為74.5～84.5 d/a,雷電持續(xù)時間較長,處于曠野的高壓供電線路、路面情報板、高桿攝像槍、隧道口可變標(biāo)志等極易遭受雷擊,造成設(shè)備損壞、系統(tǒng)癱瘓。收集統(tǒng)計高速公路機電系統(tǒng)因雷擊損壞的數(shù)據(jù)得出如下結(jié)果：82%的高壓供電線路因雷擊損壞,32%的路面情報板因雷擊而損壞,高桿攝像槍、隧道口可變標(biāo)志因雷擊而損壞的比例分別為14%、12%。

1 高速公路機電設(shè)備接地改造技術(shù)方案

1.1 高壓供電系統(tǒng)接地改造

高壓供電系統(tǒng)為架空線路,極易遭受雷擊,輕者跳閘,重者將導(dǎo)致導(dǎo)線或絕緣子損壞,影響高速公路收費運營工作的順利推進(jìn)。在周邊供電線路遷移的同時優(yōu)化改造架空線路,將工程高壓架空線路改為地下電纜敷設(shè)工程[1]。在電纜首端、尾端加裝HY5WS-17/50高壓氧化鋅避雷器,代替變電器低壓側(cè)閥型避雷器。在配電房低壓柜總進(jìn)線開關(guān)出線位置、低壓柜總出線電纜首端輸出開關(guān)后(或分配電箱進(jìn)線位置)、電方低壓出線電纜末端分別安裝第一級防雷箱REP-D380B7C、第二級避雷箱REP-D380B7C、第三級避雷箱REP-D380B3(參數(shù)見表1),電纜鎧裝鋼帶、避雷箱柜體外殼均接入接地網(wǎng)。對現(xiàn)場局部重要設(shè)備安裝防雷插座REP-D220CK,打造末端精細(xì)防護(hù)體系。

表1 避雷箱參數(shù)Tab.1 Lightning arrester parameters

1.2 建筑物與構(gòu)筑物機電接地改造

新增路面低桿照明應(yīng)連接橋梁段燈桿基礎(chǔ)、護(hù)欄內(nèi)部鋼筋,進(jìn)行鍍鋅扁鋼敷設(shè),經(jīng)扁鋼與路基段接地網(wǎng)連接。路基段燈桿設(shè)置獨立接地極,接地電阻小于等于10 Ω,基礎(chǔ)接地極經(jīng)鍍鋅鋼管屏蔽保護(hù)接入地網(wǎng),桿體與燈具保護(hù)接地線相連,打造等電位體系。

對于嚴(yán)重銹蝕的高速公路收費站點,重新進(jìn)行防腐處理。將塔頂消雷器基礎(chǔ)、主塔鋼筋與護(hù)欄、燈支架、爬梯等外露金屬構(gòu)件相連接,在未設(shè)置防雷設(shè)施建筑物頂部的女兒墻、屋脊等位置借助φ12鍍鋅圓鋼明裝避雷帶,避雷帶內(nèi)相鄰支撐點間距100 cm,短針根長度50 cm。避雷帶殼與面層棚架、金屬構(gòu)件、金屬凸出物、金屬管道可靠焊接,按照25 m及以下的間距由外側(cè)重新引下線,外側(cè)2.5 m±0.5 m位置開挖深0.8～1.0 m溝,溝內(nèi)打入50 mm×50 mm×5 mm×2500 mm接地極,相鄰接地極之間相隔10 m,借助40 mm×4 mm鍍鋅扁鋼連接成接地網(wǎng),將設(shè)備接地、信號線接地、電源線接地防靜電地板金屬支架、監(jiān)視器接地、控制臺金屬計價與電池金屬機柜、UPS不間斷電源外殼接地,就近與接地網(wǎng)進(jìn)行環(huán)形可靠連接,形成可靠等電位接地體系。

1.3 隧道出入口機電設(shè)備接地改造

為確保隧道出入口安全,令保護(hù)接地與防雷接地電阻達(dá)到國家規(guī)范要求,根據(jù)隧道出入口位置土壤電阻率高、可施工空間小、地理環(huán)境復(fù)雜的特點,綜合采用隧道主體接地網(wǎng)與變電所接地網(wǎng)連接、隧道洞口增設(shè)接地極、隧道內(nèi)補充接地扁鋼接地改造方案,明確由預(yù)留預(yù)埋接地鋼筋、隧道主體鋼筋、電纜橋架接地扁鋼、電纜溝組成的高速公路隧道主體接地網(wǎng),掌握室外人工接地極、建筑物結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋組成的隧道變電所接地網(wǎng),采用40 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼直埋敷設(shè)方式,連接隧道主體接地網(wǎng)與隧道變電所接地網(wǎng),擴(kuò)大接地網(wǎng)面積,接地網(wǎng)周邊開挖0.7 m及以上深度接地溝,溝內(nèi)均勻撒施高碳石墨降阻劑,降低接地電阻。重新檢測接地電阻值,將φ40 mm×2500 mm熱鍍鋅鋼管制作的人工接地極設(shè)置在接地電阻值仍超標(biāo)的隧道洞口,接地溝開挖深度超出0.7 m,放入接地體后回填黏性土[2]。根據(jù)隧道主體接地網(wǎng)、變電所接地網(wǎng)連接后實測的接地電阻值確定接地網(wǎng)面積,有序完成人工接地,確保接地網(wǎng)保護(hù)效果。對隧道電纜溝內(nèi)接地扁鋼嚴(yán)重銹蝕、缺失的部分采用40 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼,沿著電纜溝支架敷設(shè)接地扁鋼,將長度超出100 mm的接地扁鋼與支架進(jìn)行可靠焊接防腐,形成可靠接地保護(hù)體系,參數(shù)見表2。

表2 隧道出入口機電設(shè)備接地改造參數(shù)Tab.2 Grounding modification parameters of electromechanical equipment at tunnel inlet and outlet

2 機電設(shè)備接地改造實踐

2.1 高壓架空改地下電纜敷設(shè)

地下線纜接地電阻與總體長度、土壤電阻率、埋設(shè)深度、直徑及等效直徑、形狀系數(shù)有較大關(guān)系。改造前,應(yīng)確定適宜的地下電纜接地形狀,計算公式如下：

R=p[ln(L2/hd)]+AL/2πL

(1)

式中,R為地下電纜接地電阻,Ω;p為土壤電阻率,Ω·m;L為水平接地的總長度,m;h為水平接地的埋設(shè)深度,m;A為水平接地的形狀系數(shù)[3]。將已有數(shù)值代入,確定地下電纜接地電阻小于4 Ω的接地形式。確定形式后,沿著縱向、橫向開挖地下電纜敷設(shè)溝,敷設(shè)溝水平距離為5 m、8 m、10 m,深度為-0.8～0.6 m,寬度為0.4 m左右,形成一個網(wǎng)格。在網(wǎng)格外理直地下電纜,水平放入網(wǎng)格溝槽內(nèi),緊密與底部貼合。

2.2 高壓氧化鋅避雷器安裝技術(shù)

避雷器、電纜、電線線夾、電線端子、電線接頭準(zhǔn)備完畢后,在待保護(hù)電氣設(shè)備周邊安裝高壓氧化鋅避雷器,確保其與機電設(shè)備之間距離恰當(dāng)。利用電線接頭連接高壓氧化鋅避雷器、機電設(shè)備之間的電線[4]。將電線端子安裝到高壓氧化鋅避雷器與機電設(shè)備之間的電線上在高壓氧化鋅避雷器、機電設(shè)備之間的電線端子上安裝電線線夾。采用電氣測試法驗證高壓氧化鋅避雷器的運行情況,確保其安裝正常。

2.3 接地棒安裝技術(shù)

安裝隧道出入口接地棒時,應(yīng)保持尖頭向下、抗沖擊螺栓向上的角度,將接地棒垂直于隧道出入口接地溝底部中心位置放置,促使接地棒、水平接地體無限接近,距離水平接地體“T”字交叉點(或十字交叉點)0.2 m以內(nèi)(見圖2)。

1.接地網(wǎng)干線;2.接地棒圖2 接地棒安裝Fig.2 Grounding rod installation

確定位置后,利用重錘打入接地棒,打入期間接地極始終與地面呈90°[5]。在接地棒頂端距離地面20 cm時取下抗沖擊螺栓,連接新的接入棒,繼續(xù)在新的接地棒頂端安裝連接器、抗沖擊螺栓。重復(fù)多次,直到接地棒深度適宜,最終接地棒頂端與地面相距5 cm左右,此時取下連接器及抗沖擊螺栓,布放水平接地極,經(jīng)鍍鋅圓鋼連接隧道機電設(shè)備及接地棒。

2.4 避雷帶明裝焊接技術(shù)

避雷帶接地線焊接時,應(yīng)優(yōu)先選擇搭接焊,焊劑為3個及以上棱邊,焊接長度為扁鋼寬度的2倍(或圓鋼直徑的6倍),在焊接痕跡外100 mm及以上位置進(jìn)行除銹除焊藥防腐操作。根據(jù)避雷帶明裝圖紙要求提前規(guī)劃焊接過程,充分發(fā)揮放熱焊接牢固耐用、導(dǎo)電性能佳、耐腐蝕性強、速度快等優(yōu)勢,具體見圖3。

圖3 避雷帶明裝焊接流程Fig.3 Lightning-belt surface mounting welding process

應(yīng)打磨所需焊接部位,令材料露出本色。以打磨點為中心,左右各延伸10 cm來回烘烤加熱打磨材料,加熱時間為1.5 min,縮小放熱焊接反應(yīng)前后溫差。根據(jù)要求平整焊接部位,利用塑料自黏帶纏繞端頭,利用夾具完成模具固定,采用噴燈加熱去除多余水分[6],在模具內(nèi)放入杯狀焊藥,經(jīng)電子控制器終端控制點火。點火結(jié)束后1～2 min移除模具,利用清潔刷去除焊接點焊渣,確保焊接質(zhì)量。

2.5 接地線螺栓連接技術(shù)

對于部分無法使用焊接方式的有色金屬接地線,可先進(jìn)行表面處理,再進(jìn)行螺栓連接,接地溝內(nèi)支架利用314不銹鋼膨脹螺栓固定,具體見圖4。

1.螺栓;2.連接板;3.接地引下線圖4 接地線螺栓連接Fig.4 Bolted ground cable

從增加連接有效接觸面來看,結(jié)合導(dǎo)體電阻、導(dǎo)體橫截面積負(fù)相關(guān)關(guān)系,為降低接觸電阻,可在螺栓直徑相同情況下綜合考慮螺栓材料屈服極限、螺栓危險截面面積、導(dǎo)體接觸電阻、導(dǎo)體長度、導(dǎo)體截面積、接觸壓力等因素,選擇外徑30 mm、有效連接面積466.09 mm2的專用螺栓。專用螺栓與接地線連接方式為外連接,以螺桿端頭內(nèi)六角為撬杠支撐點,將撬杠穿入扁鋼,將撬杠端頭伸入內(nèi)六角孔內(nèi),以一個較為輕緩的力道向上方提拉接地引下線,促使接地引下線連接板順撬杠滑動,完成接地引下線與螺桿的連接[7]。在高速公路攝像機桿子防直擊雷引下線接地位置增設(shè)接地極,合理并接機電設(shè)備接地體,避免桿子避雷針引雷地電位抬高電磁感生電涌,對機電設(shè)備造成損壞。

3 接地改造效果

接地電阻是機電設(shè)備接地系統(tǒng)質(zhì)量評估的重要指標(biāo),是判定公路機電設(shè)備接地系統(tǒng)安全水平的主要參數(shù)之一。采用接地電阻測量儀法(或電壓表法),得出改造前后電設(shè)備接地電阻實測結(jié)果,見表3。

表3 改造前后機電設(shè)備接地電阻實測結(jié)果統(tǒng)計Tab.3 Statistics of measured ground resistance of electromechanical equipment before and after modification

由表3可知,接地改造前,3～6號監(jiān)測點接地電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出規(guī)范要求(4 Ω),改造后,實測電阻下降,達(dá)到規(guī)范要求,符合《公路隧道交通工程設(shè)計規(guī)范》(JTG/T D71-2004)相關(guān)要求,表明改造效果良好。

4 結(jié)束語

由變電所接地網(wǎng)、人工接地網(wǎng)、人工接地鋼筋、左右側(cè)電纜溝銅芯電纜及沿電纜橋架敷設(shè)扁鋼組成的高速公路機電設(shè)備接地系統(tǒng)未考慮惡劣露天環(huán)境,在運營一段時間后極易因接地扁鋼銹蝕、接地鋼筋銹蝕而出現(xiàn)連接位置脫落、接觸不良等問題,致使接地電阻值無法達(dá)到規(guī)范要求,故需要改造高速公路機電設(shè)備接地,降低接地電阻,確保機電安全。