高速公路機(jī)電設(shè)施雷電破壞的分析與治理

蔡智敏

雷電對(duì)高速公路機(jī)電設(shè)施的影響較大，為了保證高速公路機(jī)電設(shè)施的正常運(yùn)行，需做好雷電防護(hù)工作。文章從雷電對(duì)機(jī)電設(shè)施的危害途徑、雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、防雷措施等方面，闡述了高速公路機(jī)電設(shè)施的防雷工作要點(diǎn)。

雷電危害;高速公路;機(jī)電設(shè)施;防雷措施

U412.36+6-A-39-136-4

0?引言

高速公路機(jī)電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行是高速公路運(yùn)行質(zhì)量與性能的重要保障。高速公路機(jī)電系統(tǒng)是一個(gè)技術(shù)復(fù)雜，機(jī)電設(shè)備分布點(diǎn)多、線長、面廣的集成系統(tǒng)，主要包括監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)、隧道機(jī)電系統(tǒng)等。受高速公路路段長，沿線環(huán)境開闊、多樣，機(jī)電系統(tǒng)自身脆弱等因素影響，高速公路機(jī)電系統(tǒng)較易遭受雷電侵襲。機(jī)電設(shè)施一旦遭受雷擊，輕則會(huì)使設(shè)備出現(xiàn)故障、損壞，重則會(huì)使整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)癱瘓，影響高速公路車輛的正常運(yùn)行，造成不好的社會(huì)影響。因此，做好高速公路機(jī)電設(shè)施雷電防護(hù)工作意義重大。本文將從雷電的危害、高速機(jī)電設(shè)施易受雷災(zāi)的原因、雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、防雷措施等方面進(jìn)行闡述，以對(duì)高速公路機(jī)電設(shè)施的防雷工作有一個(gè)全面的了解。

1?雷電的危害

自古以來，雷電給人類帶來了不計(jì)其數(shù)的經(jīng)濟(jì)和人身傷害。雷電發(fā)生時(shí)，會(huì)釋放出強(qiáng)大的脈沖電流，伴隨著強(qiáng)大的熱能、機(jī)械能、電能，會(huì)引起建筑物起火、受損，導(dǎo)致人員傷亡，影響電子、電氣設(shè)備，帶來嚴(yán)重?fù)p失和后果[1]。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在各種災(zāi)害造成的損失中，因雷電災(zāi)害造成的損失比例較大。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的全面提速發(fā)展，機(jī)電設(shè)備的使用從國防建設(shè)到國民生活遍布各個(gè)領(lǐng)域。但是，機(jī)電設(shè)備本身的過電壓水平和抗干擾能力較弱，伴隨著機(jī)電系統(tǒng)的不斷發(fā)展，雷擊災(zāi)害對(duì)人類的威脅也就越大，這就需要深入對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的雷電防護(hù)進(jìn)行研究。

雷電是大氣中一種強(qiáng)烈的放電現(xiàn)象，放電電壓可以高達(dá)數(shù)百萬伏，放電電流可以高達(dá)幾十萬安培。雷電分為云閃和地閃：云內(nèi)和云與云之間的放電，稱為云閃;云與大地之間的放電，稱為地閃。雷電的破壞力巨大，會(huì)嚴(yán)重威脅高速公路機(jī)電設(shè)施的安全運(yùn)行。云閃對(duì)機(jī)電設(shè)施的影響較小，地閃的影響較大，發(fā)生地閃時(shí)雷電流泄放到大地中，

在泄放過程中對(duì)機(jī)電設(shè)施造成破壞即為雷電災(zāi)害。為了更好地預(yù)防雷災(zāi)，就得了解雷電入侵機(jī)電設(shè)施的方式。雷電流的入侵方式主要有雷電直擊、雷電感應(yīng)、地電位反擊三種方式[2-5]。

（1）雷電直擊：帶電云層與地面物體之間發(fā)生的劇烈放電現(xiàn)象稱為雷電直擊。雷電擊中建筑后，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的熱效應(yīng)、電效應(yīng)、機(jī)械力。熱效應(yīng)會(huì)燒毀線路或設(shè)備;電效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生很高的電壓，擊穿設(shè)備;機(jī)械力會(huì)炸毀設(shè)備。在雷擊點(diǎn)及其相連金屬物體會(huì)有很高的電壓，可能會(huì)引起接觸電壓或跨步電壓等觸電事故，危害人身安全。

（2）雷電感應(yīng)：雷電感應(yīng)分為靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)。靜電感應(yīng)：帶電云層使地面某一范圍金屬物體會(huì)因?yàn)殪o電感應(yīng)帶上與云層電荷相反的電荷。當(dāng)云層發(fā)生放電后，云層電荷消失，地面金屬物體感應(yīng)出的電荷也會(huì)流散，由于泄流電阻大，會(huì)出現(xiàn)局部高電壓，從而造成傷害。電磁感應(yīng)：云層放電時(shí)，雷電脈沖會(huì)形成強(qiáng)大的磁場，在周圍的金屬物體上感應(yīng)出電動(dòng)勢，在閉合的金屬回路中感應(yīng)出電壓、電流。感應(yīng)產(chǎn)生的過電壓會(huì)影響機(jī)電設(shè)施的正常工作，甚至損壞機(jī)電設(shè)施。雷電感應(yīng)的強(qiáng)度雖然不如雷電直擊，但是雷電感應(yīng)的影響范圍要大于雷電直擊，感應(yīng)電壓、電流可以通過線路傳輸?shù)礁h(yuǎn)，從而擴(kuò)大雷電感應(yīng)的危害范圍，因此要更加注重對(duì)雷電感應(yīng)的防護(hù)措施。

（3）地電位反擊：雷電擊中接閃器后，防雷裝置的電位升高，會(huì)與周圍不共地的機(jī)電設(shè)施之間出現(xiàn)電位差。當(dāng)電位差大于一定值時(shí)，會(huì)發(fā)生間隙擊穿，從而損壞機(jī)電設(shè)施，這種由電位差導(dǎo)致的空氣間隙擊穿稱為地電位反擊。

2?高速公路易受雷災(zāi)原因

受高速公路環(huán)境因素、雷電防護(hù)工作等因素的影響，高速公路機(jī)電設(shè)施雷電災(zāi)害發(fā)生的概率較大[6]，主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

（1）承災(zāi)體脆弱性：機(jī)電設(shè)施大多數(shù)為弱電設(shè)備或電子設(shè)備，其本身的抗干擾能力較弱，受雷擊影響發(fā)生故障的可能性較大。

（2）環(huán)境因素：高速公路一般是位于較為空曠的地方，收費(fèi)站、收費(fèi)站建筑物、外場設(shè)備等設(shè)施相對(duì)于周邊環(huán)境，較為突出，容易遭受雷擊。高速公路線路長、面積大等因素也增加了高速公路機(jī)電設(shè)施遭受雷擊的概率。在電子化高度發(fā)展的今天，為了提供更好的服務(wù)，更多的機(jī)電設(shè)施投入使用，也對(duì)防雷工作提出了更高的要求。

（3）輕視雷電感應(yīng)的防護(hù)工作：根據(jù)實(shí)際的工作情況，雷電防護(hù)主要側(cè)重于對(duì)雷電直擊的防護(hù)，對(duì)于雷電感應(yīng)的防護(hù)工作較為輕視。很多設(shè)計(jì)、施工單位對(duì)于雷電感應(yīng)的防護(hù)認(rèn)識(shí)不夠到位，忽視了相關(guān)的防護(hù)工作。但是在實(shí)際工作中，雷電感應(yīng)造成的損失要大于雷電直擊造成的損失，因此需加強(qiáng)對(duì)雷電感應(yīng)的防護(hù)工作。

（4）高速公路機(jī)電設(shè)施防雷檢測工作不到位：根據(jù)相關(guān)制度要求，防雷裝置需進(jìn)行定期檢測和維護(hù)，一般每年至少開展一次防雷裝置檢測工作。就實(shí)際情況來說，部分高速公路機(jī)電設(shè)施并沒有設(shè)置完善的防雷檢測制度，在發(fā)生雷災(zāi)后也沒有進(jìn)行防雷檢測和整改，這留下了雷擊隱患，會(huì)加大雷電事故發(fā)生的可能性。

3?雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

為了減少高速公路機(jī)電設(shè)施的雷擊損失，需要做好雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果做好防雷措施。

20世紀(jì)初提出了“綜合防雷系統(tǒng)”的概念，完善了雷電防護(hù)工作，但是要做到完全避免雷擊損害是不現(xiàn)實(shí)的。國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和我國相關(guān)防雷規(guī)范也指出，建筑物按規(guī)范安裝避雷裝置，也只是將雷擊傷害降到最低程度，只是減少雷擊帶來的損失和傷害。各行各業(yè)認(rèn)為大量投入資金建設(shè)防雷工程就能起到最好的防護(hù)效果，但是效果可能并不盡如人意。所以，才需要對(duì)雷擊風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行合理的評(píng)估，從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)、精準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)的雷電防護(hù)。雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可以為建設(shè)項(xiàng)目雷電防護(hù)設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)，可更有針對(duì)性地采取防雷措施，為風(fēng)險(xiǎn)控制、建設(shè)成本控制提供有效的建議。

雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是根據(jù)項(xiàng)目所在地雷電活動(dòng)特征、環(huán)境情況、承災(zāi)體情況，運(yùn)用科學(xué)的評(píng)估方法，對(duì)雷擊建筑物、線路、建筑物附近或線路附近引起的后果進(jìn)行計(jì)算分析，從而判斷建筑物是否需采取或增加雷擊防護(hù)措施以及判斷其防雷薄弱環(huán)節(jié)，并對(duì)防雷措施的選擇提供參考建議。雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要是以GB/T21714.2-2015雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)為技術(shù)路線，通過計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)R來進(jìn)行評(píng)估[7-8]。不同的雷擊損害成因（雷擊建筑物、雷擊建筑物附近、雷擊線路、雷擊線路附近），會(huì)造成不同的損害類型以及損失類型。每種損失類型都有與其對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)分量R?1-R?4，需要根據(jù)損害成因和損害類型，進(jìn)行各風(fēng)險(xiǎn)分量的計(jì)算，各風(fēng)險(xiǎn)分量的總和即為風(fēng)險(xiǎn)R。

風(fēng)險(xiǎn)分量計(jì)算的公式如下：

R?x=N?x×P?x×L?x（1）

式中：

N?x——每年危險(xiǎn)事件次數(shù);

P?x——建筑物的損害概率;

L?x——每一次損害產(chǎn)生的損失率。

4?防雷措施

雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可以為防雷設(shè)計(jì)提供可靠的參考依據(jù)，根據(jù)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行合理、科學(xué)的防雷設(shè)計(jì)，既能有針對(duì)性地加強(qiáng)防雷措施，也能避免不必要的浪費(fèi)。防雷措施主要分為兩個(gè)方面：外部防雷措施和內(nèi)部防雷措施[3][9]。

4.1?外部防雷措施

外部防雷措施主要為雷電直擊防護(hù)措施，這是防雷擊危害最直接、最有效的防護(hù)措施，主要由接閃器、引下線、接地裝置構(gòu)成。外部防雷措施需要在建筑物上裝設(shè)接閃裝置，通過引下線將雷電引入接地裝置，利用接地裝置將雷電流順利地泄放到大地中去。

當(dāng)雷電流擊中接閃裝置時(shí)，接閃裝置、引下線、接地裝置的電位會(huì)升高，如果被保護(hù)設(shè)備離接閃裝置的距離太近，會(huì)對(duì)設(shè)備造成雷電流反擊，從而擊壞設(shè)備。為此，外部防雷裝置與被保護(hù)設(shè)備應(yīng)該保持一定間距，以防止雷電反擊。此外，引線下的數(shù)量會(huì)影響雷電流的分流效果，雷電流擊中接閃裝置后，雷電流流過引下線會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)磁場。引下線越多，流經(jīng)每根引下線的電流越少，產(chǎn)生的感應(yīng)磁場就越小。雷擊建筑還會(huì)引起接觸電壓和跨步電壓，傷害人身安全。當(dāng)建筑物受雷擊時(shí)，人體接觸了帶電物體，會(huì)在接觸點(diǎn)和地面間形成電位差，即為接觸電壓。雷電流流散到地面上，會(huì)在地面上形成電位差，人的雙腳若是跨開的狀態(tài)，就會(huì)在兩腳間形成電位差，即為跨步電壓。為了避免接觸電壓和跨步電壓帶來的傷害，應(yīng)采取必要的均壓措施。

高速公路機(jī)電設(shè)施雷電直擊防護(hù)主要包括機(jī)電設(shè)施所在建筑物、收費(fèi)亭、外場設(shè)備的雷電直擊防護(hù)。雷電直擊防護(hù)的具體措施參閱《GB 50057-2010建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》《GB/T 21714.3-2015雷電防護(hù)第3部分：建筑物的物理損壞和生命危險(xiǎn)》等相關(guān)規(guī)范，本文不展開具體的闡述。只有外部防雷措施是不足的，在雷電流動(dòng)過程中雷擊電磁脈沖、地電位反擊、雷電感應(yīng)等多種情況可能使機(jī)電設(shè)備損壞或者失效，為了減少這些情況帶來的損害，還必須做好內(nèi)部防雷措施。

4.2?內(nèi)部防雷措施

內(nèi)部防雷措施是防止雷擊電磁脈沖、雷電感應(yīng)、地電位反擊等二次雷害的有效手段，主要由等電位連接系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)、浪涌保護(hù)器、合理布線、共用接地系統(tǒng)等幾部分組成。

（1）等電位連接系統(tǒng)：等電位連接是將分開的各金屬物體采用金屬導(dǎo)線進(jìn)行電氣連接，將電氣和電子設(shè)備的金屬外殼、機(jī)架、金屬管、電纜屏蔽層、電涌保護(hù)器接地端等以最短的距離與等電位連接帶相連，從而使他們成為一個(gè)等電位體，減少電位差。要求最短距離連接，是因?yàn)檫@樣可以減少環(huán)路面積，降低雷電流脈沖產(chǎn)生的電磁感應(yīng)強(qiáng)度。

（2）屏蔽系統(tǒng)：雷擊發(fā)生時(shí)，機(jī)電設(shè)施會(huì)受到雷擊電磁脈沖的干擾，由于機(jī)電設(shè)施自身的過電壓耐受水平較低，容易被損壞。屏蔽則是減少電磁脈沖干擾的重要手段，可以減弱雷擊產(chǎn)生的電磁干擾，降低機(jī)電設(shè)施遭受電磁脈沖傷害的概率。屏蔽系統(tǒng)應(yīng)構(gòu)建法拉第籠來實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽功能，應(yīng)該盡可能利用建筑物本體的金屬構(gòu)件。法拉第籠是第一層屏蔽，還不能很好滿足機(jī)電設(shè)施的屏蔽要求，需要在機(jī)房或者設(shè)備本身增加金屬屏蔽網(wǎng)，提高屏蔽性能。另外，線路屏蔽也是減少磁場干擾的重要方法。機(jī)電設(shè)施線路應(yīng)盡量采用屏蔽線纜或者穿金屬管、金屬線槽敷設(shè)，并按相關(guān)要求做好等電位連接和接地。

（3）浪涌保護(hù)器：浪涌保護(hù)器是用于限制電涌電壓和泄放電涌電流的裝置，當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)過電壓，浪涌保護(hù)器內(nèi)部的非線性電器元件（如壓敏電阻等）的阻抗會(huì)迅速減小，將雷電流泄放至大地，以保護(hù)后端線路和設(shè)備。浪涌保護(hù)器的應(yīng)用應(yīng)注意上下級(jí)能量的配合，才能有更好的效果。

（4）合理布線：機(jī)電設(shè)施是由電氣、電子設(shè)備以及電源、信號(hào)等各種線路共同組成的，為了保證在遭受雷電直擊或雷擊機(jī)電設(shè)施附近時(shí)不受影響，要考慮線路布設(shè)、設(shè)備放置的合理性。①機(jī)電設(shè)備應(yīng)盡量敷設(shè)在建筑物底層的中心位置，并與引下線、建筑物結(jié)構(gòu)鋼筋保持一定距離。②線路應(yīng)盡量采用屏蔽線路或者穿金屬管道敷設(shè)。③機(jī)電設(shè)備線路與電力線路、金屬管道之間保持一定的距離，且敷設(shè)時(shí)應(yīng)避免交叉、纏繞。

（5）共用接地系統(tǒng)：共用接地系統(tǒng)是將防雷接地、工作接地與安全保護(hù)接地等接地系統(tǒng)連接到一個(gè)公共的接地裝置上，或者將這些接地系統(tǒng)相互連接起來，從而形成一個(gè)統(tǒng)一的接地系統(tǒng)。當(dāng)雷電流泄放到接地裝置中時(shí)，共用接地裝置可以保證各接地系統(tǒng)之間不存在電位差，就不會(huì)發(fā)生因地電位反擊損害設(shè)備的情況。

高速公路機(jī)電設(shè)施的內(nèi)部防雷需要根據(jù)以上幾個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行合理的防雷設(shè)計(jì)和施工，具體的措施可參考《GB 50057-2010建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》《GB 50174-2017數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》《GB/T 21714.4-2015雷電防護(hù)第4部分：建筑物內(nèi)電氣和電子系統(tǒng)》《GB/T 37048-2018高速公路機(jī)電系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范。只有通過這幾方面防雷措施的協(xié)調(diào)配合才能最大限度限制雷擊造成的損失，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

5?結(jié)語

高速公路機(jī)電設(shè)施防雷工程是一項(xiàng)龐大復(fù)雜的系統(tǒng)工程，本文主要從雷電危害形式、雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、防雷措施等方面闡述了高速公路機(jī)電設(shè)施防雷工作的要點(diǎn)。高速公路是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，是重要的交通樞紐，其穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于經(jīng)濟(jì)和民生具有重要的意義，而機(jī)電設(shè)施是高速公路的重要組成部分，是高速公路防雷工作的重點(diǎn)。隨著省界收費(fèi)站的取消，ETC門架的應(yīng)用對(duì)高速公路機(jī)電設(shè)施防雷工作提出了更高的要求。因此，要提高對(duì)高速公路機(jī)電設(shè)施防雷的重視程度，做好高速公路機(jī)電設(shè)施的防雷工作，將雷擊危害降到最低，保證高速公路的正常運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊?堅(jiān).計(jì)算機(jī)機(jī)房雷電感應(yīng)危害計(jì)算分析及防護(hù)措施研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2007.

[2]盛?江.爆炸危險(xiǎn)場所防雷工程研究及應(yīng)用[D].杭州：浙江大學(xué)，2009.

[3]王?肅.電子信息系統(tǒng)雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及其應(yīng)用[D].上海：華東理工大學(xué)，2015.

[4]史秀紅.雷擊對(duì)鐵路信號(hào)系統(tǒng)的影響分析[D].成都：西南交通大學(xué)，2012.

[5]竇志鵬.光伏發(fā)電系統(tǒng)雷電危害及防護(hù)研究[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2018.

[6]李曉華.雷電對(duì)高速公路機(jī)電設(shè)備造成的危害與防范措施[J].中國高新科技，2018（20）：115-117.

[7]王百朋.陜西地區(qū)雷電特征及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2014.

[8]馬俊貴，納?麗，齊曉鵬，等.幾種雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估計(jì)算方法應(yīng)用對(duì)比分析[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2018，41（2）：129-133.

[9]馮民學(xué)，呂久平，高巖淵.淺析高速公路雷電危害及防御[J].氣象科學(xué)，2003（3）：365-371.