云湛高速公路防雷設(shè)施配置方案

余長春

(廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司，廣州 510623)

0 引言

雷電災(zāi)害是自然界最嚴(yán)重的十大災(zāi)害之一，危險程度僅次于暴雨、洪澇氣象地質(zhì)災(zāi)害的第三大災(zāi)害。雷電是自然界雷云強(qiáng)烈放電的一種現(xiàn)象，通常雷電通過直接雷擊、閃電電涌侵入方式進(jìn)入建筑物或通過埋地金屬線纜、架空線或金屬管道感應(yīng)傳導(dǎo)對設(shè)備放電。雷擊的發(fā)生、雷電流大小與許多因數(shù)有關(guān)，其中主要的有地理位置、地質(zhì)條件、季節(jié)和氣象，其中氣象情況有很大的隨機(jī)性，因此對雷電災(zāi)害的防御應(yīng)根據(jù)不同情況做好防雷設(shè)施的配置。

1 項(xiàng)目交通工程及沿線設(shè)施組成

汕頭至湛江高速公路云浮至湛江段(以下簡稱“云湛高速公路”或“本項(xiàng)目”)項(xiàng)目位于粵西沿海地區(qū)，年平均雷暴日高達(dá)94.6d，屬于高雷暴區(qū)。本項(xiàng)目交通工程及沿線設(shè)施的主要組成見表1。

表1 公路交通工程及沿線設(shè)施分類組成

這些設(shè)施和設(shè)備以安裝特點(diǎn)分主要有：戶外門架、戶外柱式、戶外基礎(chǔ)、建筑室內(nèi)、收費(fèi)棚下和收費(fèi)亭內(nèi)等；以配線特點(diǎn)分主要有：光纜連接和電纜連接等。

設(shè)施和設(shè)備通常受到兩類危害：直擊雷和暫態(tài)過電壓。直擊雷容易產(chǎn)生反擊電壓和感應(yīng)過電壓，對系統(tǒng)造成危害。暫態(tài)過電壓包括雷電線路傳導(dǎo)過電壓、內(nèi)部操作過電壓，是配電系統(tǒng)中最常見的干擾形式，對用電設(shè)備最具危害性。特別重要負(fù)荷的不間斷工作電源(UPS)等設(shè)備均無法消除暫態(tài)過電壓的影響。

2 防直擊雷的配置

直擊雷防護(hù)主要指建筑物和其它設(shè)施的防雷，其技術(shù)措施可分接閃器(避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)等金屬接閃器)、引下線、接地體和法拉第籠。根據(jù)建筑物和設(shè)施的地理位置、自身結(jié)構(gòu)、重要程度等，決定是否采用避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)或其聯(lián)合接閃方式。云湛高速公路的戶外門架式/柱式設(shè)備防雷方式如圖1所示。

圖1 戶外門架式/柱式設(shè)備防雷方式(單位：mm)

2.1 門架式設(shè)備

門架式設(shè)備需要采取避雷帶或者避雷針方案。經(jīng)過“滾球法”測算分析，避雷針方案需設(shè)置2根，針高4m。也可采用避雷帶方案，沿橫梁頂面外沿布置一周圓鋼，并在中部增加1處圓鋼避雷帶隔斷，形成兩個環(huán)狀網(wǎng)格。防雷和保護(hù)系統(tǒng)采用聯(lián)合接地方式，防雷引下線和保護(hù)接地共用一套接地體，接地電阻不大于1Ω。

2.2 懸臂式可變信息標(biāo)志

對于戶外柱式安裝的懸臂式可變信息標(biāo)志等，接閃器按避雷針配置，避雷針采用φ20mm圓鋼，高度1.5m，并以φ16mm圓鋼引下接地線。防雷和保護(hù)系統(tǒng)采用聯(lián)合接地方式，防雷引下線和保護(hù)接地共用一套接地體，接地電阻不大于1Ω。

2.3 桿上監(jiān)控?cái)z像機(jī)

對于戶外柱式安裝的監(jiān)控設(shè)施和收費(fèi)設(shè)施的監(jiān)控?cái)z像機(jī)等，接閃器按避雷針配置，避雷針采用φ20mm圓鋼，高度1.5m，并以φ16mm圓鋼引下接地線。防雷和保護(hù)系統(tǒng)采用聯(lián)合接地方式，防雷引下線和保護(hù)接地共用一套接地體，接地電阻不大于1Ω。

2.4 房屋建筑

各類房屋建筑、機(jī)房、變電所、收費(fèi)棚等，均應(yīng)按規(guī)范采取直擊雷防護(hù)措施，合理設(shè)置屋頂網(wǎng)格狀避雷帶。

2.5 戶外箱體

戶外安裝的配電箱(柜)和設(shè)備機(jī)箱等裝置，采用金屬殼體封閉，對直擊雷進(jìn)行隔離和防護(hù)，箱體電氣接地。弱電類箱體的防雷和保護(hù)接地電阻不大于1Ω，強(qiáng)電類箱體的防雷和保護(hù)接地電阻不大于4Ω。箱體的防雷和保護(hù)接地與安裝處的設(shè)備接地共用一套接地系統(tǒng)。

3 電源防雷器的配置

電源防雷器主要是防止雷電波通過電氣線路對計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)、照明燈等用電設(shè)備造成危害。要做好電源防雷器的配置首先應(yīng)弄清楚建筑物防雷分區(qū)劃分，如圖2所示，通常情況是在變壓器進(jìn)出線柜、低壓開關(guān)柜、UPS進(jìn)線出線、室內(nèi)外配電箱、隧道內(nèi)外配電箱(柜)、外場設(shè)備電源進(jìn)線處等處分別設(shè)置各級電源過電壓保護(hù)器，形成多級保護(hù)。

圖2 建筑物防雷分區(qū)劃分

3.1 低壓線路一級防護(hù)避雷器

在LPZ0(包括LPZ0A和LPZ0B)與LPZ1區(qū)的交界處，即在建筑物入口的配電柜(箱)上，具體裝設(shè)位置在變電所內(nèi)的低壓配電柜、監(jiān)控配電箱、UPS或EPS配電柜等所有直接向室外饋出的配電回路的開關(guān)負(fù)荷側(cè)，及室外電源線纜進(jìn)入各用電負(fù)荷所在的樓宇、收費(fèi)棚、機(jī)房、隧道、外場設(shè)備的配電箱(柜，或機(jī)箱)的第一級進(jìn)線回路的開關(guān)電源側(cè)，配置Ⅰ級分類試驗(yàn)的電涌保護(hù)器SPD。

3.2 低壓線路二級防護(hù)避雷器

在LPZ1與LPZ2區(qū)的交界處，即在進(jìn)入建筑物后的第2級配電柜(箱)上或者在滿足條件的建筑物入口的配電柜(箱)上，具體裝設(shè)位置在變電所內(nèi)的低壓配電柜、監(jiān)控配電箱、UPS或EPS配電柜等所有直接向室外饋出的配電回路的開關(guān)電源側(cè)母線上，及室外電源線纜進(jìn)入各用電負(fù)荷所在的樓宇、收費(fèi)棚、機(jī)房、隧道、外場設(shè)備的配電箱(柜，或機(jī)箱)的配電系統(tǒng)母線上或者饋出回路的開關(guān)負(fù)荷側(cè)，配置Ⅱ級分類試驗(yàn)的電涌保護(hù)器SPD。

3.3 直流電涌保護(hù)器

用于太陽能供電的攝像機(jī)供電回路，在LPZ0(包括LPZ0A和LPZ0B)與LPZ1區(qū)的交界處，即在太陽能供電線路沿桿體內(nèi)部進(jìn)入設(shè)備機(jī)箱(配電端)配電回路的開關(guān)電源側(cè)，安裝直流電涌保護(hù)器。電涌保護(hù)器的每一相均配套匹配的保護(hù)熔斷器或斷路器。

4 信號防雷器的配置

由于雷電波在線路上能感應(yīng)出較高的瞬時沖擊能量，因此要求網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備能夠承受較高能量的瞬時沖擊，而目前大部分通信設(shè)備由于電子元器件的高度集成化而導(dǎo)致耐過電壓、耐過電流水平下降，設(shè)備在雷電波沖擊下遭受過電壓而損壞的現(xiàn)象越來越多，其后果是可能造成整個系統(tǒng)的運(yùn)行中斷，系統(tǒng)失靈等，因此必須在網(wǎng)絡(luò)通信口處加裝必要的防雷保護(hù)裝置，以確保網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的安全運(yùn)行。本文介紹云湛高速公路的信號防雷器配置方案。

4.1 網(wǎng)絡(luò)信號防雷器

用于各類以網(wǎng)絡(luò)電口接線的監(jiān)控、收費(fèi)、通信及電力監(jiān)控等設(shè)備傳輸線路上，在LPZ0(包括LPZ0A和LPZ0B)與LPZ1區(qū)的交界處及LPZ1區(qū)與LPZ區(qū)的交界處，即在自場外或者室外(隧道外)埋地或者沿桿體內(nèi)部進(jìn)入建筑物和設(shè)備機(jī)箱(柜)回路或者室內(nèi)(隧道內(nèi))的一級設(shè)備箱至下一級設(shè)備箱的網(wǎng)絡(luò)電氣線路上安裝網(wǎng)絡(luò)信號防雷器。

4.2 串口信號防雷器

用于各類以串口電口接線的監(jiān)控、收費(fèi)、通信及電力監(jiān)控等設(shè)備傳輸線路上，在LPZ0(包括LPZ0A和LPZ0B)與LPZ1區(qū)的交界處及LPZ1區(qū)與LPZ區(qū)的交界處，即在自場外或者室外(隧道外)埋地或者沿桿體內(nèi)部進(jìn)入建筑物和設(shè)備機(jī)箱(柜)回路或者室內(nèi)(隧道內(nèi))的一級設(shè)備箱至下一級設(shè)備箱的網(wǎng)絡(luò)電氣線路上安裝網(wǎng)絡(luò)信號防雷器。

5 接地裝置的設(shè)置

電氣環(huán)境內(nèi)，各設(shè)施均應(yīng)進(jìn)行接地，有條件的還應(yīng)實(shí)施總等電位聯(lián)結(jié)或局部等電位聯(lián)結(jié)。云湛高速公路交通工程設(shè)施的接地原則：

強(qiáng)電設(shè)備的工作、保護(hù)、防雷三合一以上的聯(lián)合接地電阻應(yīng)≤1歐姆；工作、保護(hù)、防雷任意兩個二合一的聯(lián)合接地電阻≤4歐姆；單個工作或保護(hù)接地電阻≤4歐姆；單個防雷接地電阻≤10歐姆。

弱電設(shè)備的工作、保護(hù)、防雷任意兩個二合一以上的聯(lián)合接地電阻≤1歐姆，單個工作或保護(hù)接地電阻≤4歐姆，單個防雷接地電阻≤10歐姆。

按照電氣特性，如同一個設(shè)備分設(shè)兩個接地，其接地網(wǎng)的間距不宜小于20m。云湛高速公路征地范圍內(nèi)，沿線地形狹窄，難以提供充足的接地體施工區(qū)間。且項(xiàng)目地處灰?guī)r區(qū)域，接地體打入難度大，因此，工程均按聯(lián)合接地的方式實(shí)施。

接地裝置包括水平接地體和垂直接地體，施工時盡量利用房屋建筑、收費(fèi)棚或設(shè)備周圍的空地。同時，將設(shè)備接地網(wǎng)與房建、收費(fèi)棚、隧道的結(jié)構(gòu)鋼筋連成一體，合理利用自然接地網(wǎng)，以在降低接地電阻值的前提下，適當(dāng)控制工程成本。

圖3 建筑及設(shè)備防雷和保護(hù)接地方式

6 智能防雷設(shè)施在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用

目前，傳統(tǒng)項(xiàng)目一般均配置有雷擊防護(hù)設(shè)施，但未進(jìn)行雷電流、雷擊次數(shù)和接地電阻值等的在線監(jiān)測。日常運(yùn)營維護(hù)和事故處理基本依靠人工巡檢制度，周期長，抽查面小，不能及時發(fā)現(xiàn)防雷設(shè)施出現(xiàn)的問題和潛在危害，可能誘發(fā)重大事故，造成系統(tǒng)癱瘓，帶來難以預(yù)計(jì)的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

云湛高速公路線路長、防雷設(shè)施眾多且較為分散，更是為人工巡檢帶來巨大的壓力。近年來，隨著計(jì)算機(jī)的普及以及高速公路防雷設(shè)施的全面配套，防雷設(shè)施各種信息的收集、傳輸設(shè)備和手段都有了很大的更新和改善，為實(shí)現(xiàn)高速公路的防雷信息化搭建了基礎(chǔ)性的硬件平臺。基于以上考慮，云湛高速公路在實(shí)施階段開展了智能防雷監(jiān)測設(shè)施的應(yīng)用探索研究，研究課題搭建了一套終端感知、系統(tǒng)傳輸、上層分析管理的綜合管理平臺。終端感知設(shè)備包括防雷器、雷擊計(jì)數(shù)器、狀態(tài)監(jiān)測、壽命監(jiān)測、接地電阻值監(jiān)測以及雷電流能量分析等，其主要任務(wù)是負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場設(shè)備的有關(guān)信息，監(jiān)測受控設(shè)施的工作狀態(tài)，加快掌握系統(tǒng)運(yùn)營狀況，及時發(fā)現(xiàn)并解決出現(xiàn)的問題，消除隱患。

課題組先期在年平均雷暴日數(shù)較高的云湛高速公路化湛段的各外場設(shè)備處裝設(shè)了智能監(jiān)測終端。圖4為化湛段主線良光服務(wù)區(qū)內(nèi)裝設(shè)的雷電信息監(jiān)測終端的監(jiān)測情況，橫軸為時間(2018年12月～2019年8月)，縱軸為雷電峰值(單位：kA)。數(shù)據(jù)表明，良光服務(wù)區(qū)5月至7月監(jiān)測的雷電信息活動較多，且多發(fā)生在12:00至16:00，電流峰值在4kA～6kA范圍內(nèi)。這也印證了廣東湛江地區(qū)每年5月至9月為多雷電發(fā)生期，6月至8月達(dá)到高峰期。

圖4 良光服務(wù)區(qū)雷電信息監(jiān)測情況

2019年5月26日，良光服務(wù)區(qū)左區(qū)的停車場監(jiān)控?cái)z像機(jī)停止工作，在化湛監(jiān)控中心調(diào)入攝像機(jī)機(jī)箱內(nèi)的雷電監(jiān)測終端設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)，近幾日記錄受雷擊5次，最大電流峰值5.8kA?，F(xiàn)場檢查攝像機(jī)傳輸電路，發(fā)現(xiàn)攝像機(jī)本體的高清網(wǎng)絡(luò)傳輸口內(nèi)部電路擊穿損毀，攝像機(jī)機(jī)箱內(nèi)的電源防雷器和網(wǎng)絡(luò)防雷器及機(jī)箱內(nèi)的以太網(wǎng)光端機(jī)等設(shè)備完好。經(jīng)過查驗(yàn)，此網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)自機(jī)箱內(nèi)的以太網(wǎng)光端機(jī)RJ45網(wǎng)口以UTP-6網(wǎng)線連接攝像機(jī)網(wǎng)口，并在機(jī)箱內(nèi)的以太網(wǎng)光端機(jī)網(wǎng)口處設(shè)置了1套網(wǎng)絡(luò)防雷器。接線如圖5所示。初步分析，推測是連接網(wǎng)線受雷擊產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，經(jīng)一端網(wǎng)絡(luò)防雷器泄放后的殘壓瞬時值較高，造成線路另一端無直接過壓防護(hù)的攝像機(jī)網(wǎng)口電路擊穿。改造方案在攝像機(jī)的網(wǎng)口端增加1套網(wǎng)絡(luò)防雷器，提高電的感應(yīng)過電壓泄放能力，優(yōu)化接線如圖5所示。優(yōu)化配置后運(yùn)營至今，監(jiān)測受雷擊數(shù)十次，未再發(fā)生擊穿損毀的情況。

圖5 良光服務(wù)區(qū)停車場監(jiān)控?cái)z像機(jī)防雷器優(yōu)化配置

7 結(jié)語

高速公路具有站點(diǎn)多、面廣、線長、沿線環(huán)境復(fù)雜多樣等特點(diǎn)，需要配置防雷措施的機(jī)電工程(包括監(jiān)控、收費(fèi)、通信、供配電、照明、隧道通風(fēng)及消防設(shè)施等)中既有強(qiáng)電設(shè)備又有計(jì)算機(jī)等弱電設(shè)備，另外還有較大面積的房屋建筑，均易遭受雷電的侵襲，輕者部分設(shè)備被雷電擊壞，重者造成建筑結(jié)構(gòu)受損、系統(tǒng)癱瘓。因此，防雷設(shè)施的配套方案和應(yīng)用研究十分重要，其配置的優(yōu)劣也是確保公路正常運(yùn)營和行車安全不可或缺的一個保障環(huán)節(jié)。

智能防雷監(jiān)測系統(tǒng)通過現(xiàn)代的信息技術(shù)、控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等高新技術(shù)手段，結(jié)合高速公路的綜合管理需求，充分挖掘、整合和共享底層設(shè)施的有效管理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)組織成為信息，將信息融入管理，使管理為防雷設(shè)施的正常工作，乃至交通運(yùn)營和規(guī)劃決策服務(wù)，達(dá)到全面提高高速公路管理系統(tǒng)的運(yùn)行效率和服務(wù)水平的目的。該系統(tǒng)有效地克服了人工對防雷設(shè)施巡檢的不足問題，一方面對高速公路防雷設(shè)施預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工作起到了較大的推動作用；另一方面，確保了防雷設(shè)施的有效性，能夠?qū)⒗纂姙?zāi)害所造成的經(jīng)濟(jì)損失，以及由此引起的交通安全隱患減少到最低，無論是經(jīng)濟(jì)效益還是社會效益方面均具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。