高速公路機電設(shè)備防雷技術(shù)探討

賴偉勇

（廣州北環(huán)高速公路有限公司，廣東 廣州 510000）

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，高速公路中廣泛地應(yīng)用了各種電子設(shè)備，其機電信息系統(tǒng)既包括有大量通信、收費、監(jiān)控設(shè)備的弱電設(shè)備系統(tǒng)，還包括包含供配電照明等設(shè)備的強電設(shè)備系統(tǒng)。由于電子設(shè)備一般絕緣強度低，且過電壓耐受力差，極易受到雷電的襲擊：此外，高速公路一般地域廣、所穿越的地形較復(fù)雜，也容易受到雷電的干擾。以往在高速公路的設(shè)計和施工中，機電設(shè)備的防雷接地問題常被忽視，導(dǎo)致機電系統(tǒng)中存在眾多的防雷薄弱環(huán)節(jié)，機電設(shè)備受雷擊的事故時有發(fā)生，造成了部分機電設(shè)備的損毀，甚至整個系統(tǒng)的癱瘓，從而嚴重影響交通運輸?shù)恼＿\行和安全。因此，加強對高速公路尤其是機電設(shè)備的防雷接地保護勢在必行。

1 雷電對高速公路機電設(shè)備的危害

雷電是一種常發(fā)自然現(xiàn)象，通常因大氣中熱空氣與冷空氣摩擦而產(chǎn)生帶有不同電荷的小水滴，當這種正負電荷達到一定值時，因不同極性的云團之間、云團與地之間存在強大的電場，從而產(chǎn)生云團之間以及云團對大地的放電現(xiàn)象，具有電壓高、電流大等特點，很容易破壞電子設(shè)備，已經(jīng)被國際電工委員會列為電子時代的一大公害。

雷電作為一種具有極大破壞力的強干擾源，造成高速公路機電設(shè)備損害主要有以下2類：①直擊雷，雷電產(chǎn)生時的巨大電流，使地電位瞬間升高，巨大的電位差作用可以造成設(shè)備、建筑物的損害和人員傷亡；②感應(yīng)雷，感應(yīng)雷電流可以通過電源線纜、通信線路以及衛(wèi)星天線等途徑侵入機電設(shè)備房內(nèi)，尤其以電源電纜感應(yīng)雷最為突出，對機電設(shè)備的弱電電路進行沖擊，造成弱電設(shè)備燒毀的嚴重事故。

2 高速公路機電設(shè)備接地技術(shù)

對于直擊雷，其防護通常是通過使用避雷針、避雷帶、避雷線等作為接閃器，把雷電流接收下來后，通過接地裝置將其安全地送回大地。對于感應(yīng)雷，則是通過等電位連接、屏蔽、正確可靠的接地等進行相應(yīng)的防護?？梢?，無論是直擊雷還是感應(yīng)雷，都需要有一個良好的接地系統(tǒng)，因此，以下主要討論高速公路機電設(shè)備的防雷接地技術(shù)。

2.1 防雷接地

當高速公路建筑物被雷電擊中后，就有可能對建筑物內(nèi)部的機電設(shè)備造成直擊過電壓和感應(yīng)過電流的危害。為了保證雷電擊中建筑物后，雷電能量能夠安全地泄入大地中，因此將裝有機電設(shè)備的公路建筑物、內(nèi)部弱電設(shè)備、電源線路、網(wǎng)絡(luò)通信等系統(tǒng)均與防雷接地裝置做有效的防雷金屬連接。綜上分析，對高速公路機電設(shè)備控制機房內(nèi)弱電系統(tǒng)的綜合防雷接地系統(tǒng)可以采取以下綜合布線方式。

2.2 交流電源防雷接地

變壓器是機電設(shè)備交流電源的提供單元， 由于變壓器通常安裝在室外，與上一級電網(wǎng)直接連接。當線路發(fā)生雷擊時，雷擊感應(yīng)電流就會通過輸電線路向變壓器沖擊，為了保證系統(tǒng)變壓器和系統(tǒng)機電設(shè)備的安全，通常采用將變壓器中性點直接接地運行方式，在正常工作時，可以向機電設(shè)備提供220 V相電壓電源，當發(fā)生線路雷擊事故時，可以有效地進行跳閘保護，保證高速公路機電設(shè)備的安全。

對于沒有裝設(shè)隔離變壓器而直接采用就近供電電源的機電系統(tǒng)，為了防止供電線路發(fā)生雷擊而使機電設(shè)備遭到破壞，可以在弱電設(shè)備電源系統(tǒng)和設(shè)備供電電源間加裝電涌保護器SPD，將雷擊電磁脈沖所帶來的瞬時過電壓通過分流方式降低到弱電設(shè)備允許的范圍內(nèi)。

2.3 機電設(shè)備保護接地

機電設(shè)備在正常工作時是一個帶電體，同時也是人操作控制的主要設(shè)備，當機電設(shè)備運輸過程中發(fā)生碰撞或使用時間過長都可能導(dǎo)致設(shè)備絕緣損害，此時如果運行管理人員沒有發(fā)現(xiàn)此隱患，而與設(shè)備金屬外殼直接接觸時，由于人體是導(dǎo)電體，就會在機電設(shè)備/人/大地間形成一個電流通路，電流就會通過人體流入大地，導(dǎo)致運行人員發(fā)生觸電危險。為了避免發(fā)生觸電危險，通常對機電設(shè)備正常運行時不帶電的金屬部分通過保護接地裝置與大地有效連接。當發(fā)生設(shè)備絕緣破損時，泄漏電流就會通過人體和接地裝置兩回路向大地泄流，如果接地裝置的電阻遠小于人體電阻時，泄漏電流通過人體的電流就很小，就可以把泄漏電流有效控制在安全范圍值下，通常要求機電設(shè)備保護接地電阻小于1 Ω。

2.4 直流工作接地

隨著電力電子技術(shù)的不斷成熟，利用計算機技術(shù)、通信技術(shù)等組成的高速公路控制系統(tǒng)的綜合自動化程度有了飛速的發(fā)展。計算機、電子集成電路、微電子等電子器件已成為高速公路機電設(shè)備的核心。由于弱電系統(tǒng)的工作電壓通常采用直流電源，其弱電設(shè)備對電源要求很嚴，當供電電源出現(xiàn)波動時，就會給弱電設(shè)備帶來巨大的干擾，嚴重時會燒毀弱電系統(tǒng)中的弱電設(shè)備。弱電系統(tǒng)接地可以保證所有微電子設(shè)備工作于同一低壓直流系統(tǒng)中，有效地穩(wěn)定電路的電位，防止外來電源對系統(tǒng)的干擾。同時弱電設(shè)備共同使用一個接地系統(tǒng)，保證了信號傳輸過程中選用統(tǒng)一的電位參照點，有利于設(shè)備間數(shù)字信號和模擬信號的傳輸，有效地衰減各弱電設(shè)備間數(shù)模轉(zhuǎn)換帶來的各種電磁干擾，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號的處理速率和信號傳遞的準確性。建立聯(lián)合接地系統(tǒng)已成為現(xiàn)代高速機電弱電設(shè)備高效工作的有利保障。在高速收費站中，為了數(shù)據(jù)信號的統(tǒng)一，收費車道、監(jiān)控機房、數(shù)據(jù)反饋屏及配電房等公路服務(wù)設(shè)施的所有機電設(shè)備的接地系統(tǒng)形成一個聯(lián)合接地系統(tǒng)，同時為了保證接地的可靠性，機電設(shè)備采用不少于兩處的金屬4～40 mm扁鋼帶有效接地，防止雷擊電流泄底后地電位反擊沖擊機電設(shè)備。在形成完整的接地防雷系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范進行相關(guān)的試驗，若接地電阻達不到要求，應(yīng)架設(shè)人工接地體配合建筑物鋼筋作為一個聯(lián)合接地網(wǎng)。

3 高速公路機電設(shè)備防雷技術(shù)措施

3.1 直擊雷防護

對于高速公路收費車道、監(jiān)控機房、數(shù)據(jù)反饋屏及配電房等長期暴露在空氣中的建筑物，應(yīng)設(shè)立完整的直擊雷的防護，通常采用避雷針、避雷線作為接閃器，利用建筑物天花板中的鋼筋作為避雷網(wǎng)，用建筑物中的基礎(chǔ)梁主鋼筋作為防雷引下線將雷電流引入大地，達到對機電設(shè)備直擊雷的防護。

3.2 感應(yīng)雷及雷電波侵入防護

感應(yīng)雷是防雷系統(tǒng)中的難點之一，由于感應(yīng)雷電流可以通過電源線纜、通信線路以及衛(wèi)星天線等途徑侵入機電設(shè)備房內(nèi)，尤其以電源電纜感應(yīng)雷最為突出，因此對于感應(yīng)雷的防護，系統(tǒng)電源防雷是難點。

3.2.1 電源部分防護

在弱電設(shè)備正常工作所需的電源，是通過電源逆變系統(tǒng)將交流電源轉(zhuǎn)換為機電設(shè)備所需的直流電源系統(tǒng)，通常為了防止感應(yīng)雷對微電子設(shè)備的沖擊，在逆變器前端加裝隔離變壓器，并在隔離變壓器進出電源兩端加裝SPD（Eg涌保護器）。電子元件耐壓水平通常在額定電壓的2倍左右，當發(fā)生雷擊瞬時電壓時，電涌保護器就會將感應(yīng)電壓有效限制在700 V以下，將浪涌電壓限制到電子設(shè)備安全電壓范圍內(nèi)。

3.2.2 設(shè)備接地

高速公路機電設(shè)備有效接地可以保證設(shè)備的正常安全運行，建立聯(lián)合接地系統(tǒng)大大提高了機電設(shè)備的抗干擾能力，促進高速公路監(jiān)控、收費、指示等功能安全可靠運行。

4 防雷接地系統(tǒng)施工要點

4.1 機電設(shè)備布置

在監(jiān)控中心的機電設(shè)備的布置也十分重要，合理的布置可以大大提高系統(tǒng)的綜合防雷性能。在防雷接地系統(tǒng)中談到，雷電流是通過梁中的主鋼筋作為電流引下線的，因此雷電流幾乎全部集中在外墻中，為了防止雷電流對機電設(shè)備信號的電磁干擾，通常將機電設(shè)備安裝在機房中間部位，機電設(shè)備離外墻和立柱要保持一定的安全距離。

4.2 避雷器的選擇

避雷器作為防雷系統(tǒng)的最為重要的設(shè)備，應(yīng)根據(jù)工程的實際安裝環(huán)境選擇不同型號的避雷器。同時避雷器應(yīng)具有相互屏蔽作用，防止對保護設(shè)備或其他弱電線路帶來干擾。

4.3 接地系統(tǒng)設(shè)計

接地聯(lián)合地網(wǎng)特性會隨著工程使用時間的推移而降低，各類接地設(shè)備會因為老化、腐蝕、蟲朽等原因?qū)е陆拥仉娮柚鹉晟摺Ｒ虼嗽诰C合接地系統(tǒng)設(shè)計和施工中，應(yīng)預(yù)留較大的余地，并在接地焊接處刷紅丹或瀝青作防腐處理，甚至可以在地基上鋪設(shè)降阻材料。

5 結(jié)束語

高速公路機房是高速公路指揮、操作、監(jiān)控的核心裝置，但也是最容易遭受雷擊的建筑物?？茖W(xué)合理地對機電設(shè)備進行防雷接地系統(tǒng)的設(shè)計，可以有效降低裝置雷擊的危害，有效提高機電設(shè)備的運行可靠性，促進高速公路的綜合服務(wù)水平。

1 王文鵬.高速公路機電設(shè)備防雷措施研究[J].魅力中國，2009（16）

2 眭彥榮.原太高速公路機電設(shè)備防雷系統(tǒng)的實施[J].山西交通科技，2004（04）