防雷技術(shù)
引言
高速公路收費(fèi)站一般由建筑物、供配電系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和通信系統(tǒng)組成，大都建立與空曠區(qū)域，且站內(nèi)部分設(shè)施孤立、較高，雷雨天氣時(shí)，容易引發(fā)雷電，從而對(duì)機(jī)電系統(tǒng)造成損壞，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。按照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50050-2010）和《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，建筑物應(yīng)該有防直擊雷措施，電源系統(tǒng)應(yīng)有防浪涌保護(hù)裝置。電子信息系統(tǒng)設(shè)備由TN交流配電系統(tǒng)供電時(shí)配電線路必須采用TN-S系統(tǒng)的接地方式，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等信息系統(tǒng)應(yīng)有雷電防護(hù)措施，接地系統(tǒng)應(yīng)采用公共接地系統(tǒng)，接地系統(tǒng)不大于其中最小值1Ω。
雷電侵害高速公路征管所機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備的途徑很多，主要包括直擊雷、感應(yīng)雷、高電壓反擊、雷電波侵入及電磁波輻射等途徑。
1高速公路機(jī)電系統(tǒng)外部防雷方案
1.1避雷針
1）根據(jù)《建筑物防雷規(guī)范設(shè)計(jì)》（GB50057-2010）的規(guī)定。監(jiān)控中心大樓和征管所監(jiān)控樓為二類防雷建筑。按滾球法(滾球半徑45m)設(shè)計(jì)避雷針。設(shè)計(jì)方法請(qǐng)參照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄四的要求，決定避雷針的數(shù)目、布局、高度，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮避雷針的抗風(fēng)。
2）為了減少避雷針的維護(hù)，防止避雷針的腐蝕，應(yīng)在監(jiān)控中心大樓和征管所辦公監(jiān)控樓頂安裝不銹鋼避雷針，其高度和數(shù)量根據(jù)滾球法計(jì)算其保護(hù)范圍能覆蓋整棟中心大樓和各類天線，使其能有效防止直接雷擊以保護(hù)大樓樓頂和各類通訊天線的安全。
3）在公路沿線安裝監(jiān)控?cái)z像頭的云臺(tái)桿頂、收費(fèi)站廣場(chǎng)云臺(tái)桿頂、高桿燈頂以及LED情報(bào)板頂各安裝一套不銹鋼避雷針，以保護(hù)云臺(tái)攝像頭等設(shè)施避免遭直擊雷危害。
4）在高速公路收費(fèi)站鋼架屋頂上和LED情報(bào)板頂左右對(duì)稱各安裝一套不銹鋼避雷針，以保護(hù)收費(fèi)站屋頂和LED情報(bào)板框架結(jié)構(gòu)免遭直擊雷危害。
5）避雷針的引下線最好利用鋼結(jié)構(gòu)柱做泄流線，條件不允許時(shí)，也可以單獨(dú)用25mm2以上的銅絞線穿鍍鋅管屏蔽，并做絕緣處理，從避雷針尖直接以最短路徑入地，以減少泄流時(shí)的雷擊電磁脈沖輻射而損壞微電子設(shè)備和室外大型電子顯示屏編碼控制系統(tǒng)
1.2屏蔽
1）所有與建筑物組合在一起的大尺寸金屬部件都應(yīng)等電位連接在一起，并與接地裝置連接。屋頂為金屬表面、面金屬表面、混凝土內(nèi)鋼筋和金屬門窗框架，都必須進(jìn)行等電位連接后接地。在需要保護(hù)的空間內(nèi)，當(dāng)采用屏蔽電纜時(shí)其蔽層
至少在兩端和在雷電防護(hù)區(qū)交界處做等電位聯(lián)結(jié)。當(dāng)微電子設(shè)備只要求在一端做等電位連接時(shí)，可將屏蔽電纜穿金屬管引入，金屬管在一端做等電位連接。建筑物之間的電纜應(yīng)敷設(shè)在金屬管內(nèi)，這些金屬管道從一端到另一端必修電氣貫通，并連到各個(gè)等電位的連接帶上，電纜屏蔽層也連接到這些帶上。
2）實(shí)踐中建筑物或房間的大空間屏蔽是由金屬支撐物、金屬框架或鋼筋混凝土的鋼筋這些自然構(gòu)建組成的。這些構(gòu)件構(gòu)成一個(gè)格柵形大空間屏蔽。穿入這類屏蔽的導(dǎo)電金屬物應(yīng)就近與其等電位連接后接地。
3）監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備位置應(yīng)選擇在LPZ最高級(jí)區(qū)和避免設(shè)在建筑物的頂層內(nèi)；當(dāng)建筑物天面部分的避雷尺寸不符合系統(tǒng)抗干擾的要求時(shí)，應(yīng)在天面加裝屏蔽層；使用非屏蔽電纜，入戶前應(yīng)穿金屬管并埋入地中水平距離10m以上。如受條件限制無(wú)法穿金屬管埋地入戶，則應(yīng)加長(zhǎng)入戶屏蔽管或棧橋長(zhǎng)度，金屬管或棧橋的兩端以及在雷電防護(hù)區(qū)交界處要做等電位連接和接地。
4）監(jiān)控設(shè)備為金屬外殼時(shí)，應(yīng)用最短導(dǎo)線將其與等電位連接。如是非金屬外殼時(shí)，當(dāng)設(shè)備所在建筑物屏蔽未達(dá)到設(shè)備的電磁兼容性要求時(shí)，應(yīng)加裝金屬網(wǎng)或其他屏蔽體對(duì)設(shè)備屏蔽，金屬網(wǎng)應(yīng)與等電位連接帶進(jìn)行連接。
1.3等電位連接
1）將征管所監(jiān)控辦公樓各層所有可以利用的粱、柱、樓板、墻體的鋼筋和金屬管線等與建筑物組合在一起的大尺寸金屬管件都應(yīng)該等電位連接在一起，并與個(gè)層的金屬門、窗連接形成的水平閉合均壓環(huán)連接在一起與防雷裝置相連，做到幾乎處處電位相等。這樣在閃電電流通過(guò)時(shí)樓內(nèi)所有設(shè)施立即形成一個(gè)“等電位島”，保證導(dǎo)電部分不產(chǎn)生有害電壓差，不發(fā)生旁側(cè)閃絡(luò)放電。完善的等電位連接還可以防止閃電電流入地造成的地電位升高所產(chǎn)生的反擊。
2）征管所征費(fèi)亭多數(shù)地處空曠地帶，征費(fèi)亭之間需解決跨步電壓，征費(fèi)亭至辦公樓的通道應(yīng)建成鋼結(jié)構(gòu)防雨走廊并建等電位連接，每個(gè)收費(fèi)島外圍內(nèi)應(yīng)用40×4的鍍鋅扁鋼連成一個(gè)閉合回路，與島內(nèi)的票亭金屬外殼、預(yù)埋金屬管件、混凝土的鋼筋及金屬行架頂棚，也連接成“等電位島”保護(hù)區(qū)；為了徹底消除雷電引起的毀壞性的電位差，就特別需要實(shí)行等電位連接，電源線、信號(hào)線等都要通過(guò)過(guò)電壓保護(hù)器（SPD）進(jìn)行等電位連接，各個(gè)內(nèi)層保護(hù)區(qū)的界面處同樣要進(jìn)行局部等電位連接，并最后與等電位連接母排連接。
1.4接地
1）將進(jìn)入監(jiān)控大樓的各類管線的屏蔽層、機(jī)架等在進(jìn)入在進(jìn)入大樓前進(jìn)行等電位連接并接地。在進(jìn)入設(shè)備前進(jìn)行二次等電位連接后接地。將廣場(chǎng)攝像頭輸出的同軸電纜的外層和其它管線外層在進(jìn)入大樓前進(jìn)行等電位連接后接地。
2）將分開(kāi)的外導(dǎo)電裝置用等電位連接導(dǎo)體連接后接地，以減少系統(tǒng)所在的建筑物金屬構(gòu)件與設(shè)備之間或設(shè)備與設(shè)備之間因雷擊產(chǎn)生的電位差。利用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物內(nèi)所有金屬構(gòu)件的多重連接建立一個(gè)三維的連接網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)等電位連接的最佳選擇（為方便等電位連接施工，應(yīng)在一些合適的地方預(yù)埋等電位連接預(yù)留件）。進(jìn)入系統(tǒng)所在建筑物的各類水管、空調(diào)管道等金屬管道的金屬外層在進(jìn)入建筑物處應(yīng)做等電位連接，并與建筑物組合在一起的大尺寸金屬件連接在一起，按GB50054的要求做等電位連接之后，接向總等電位連接帶，并可靠連通接地。
3）在建筑物入口處，即LPZOB與LPZ1區(qū)交界進(jìn)行總等電位連接后接地，在后續(xù)的雷電防護(hù)區(qū)交界處按總等電位連接的方法進(jìn)行局部連接，連接主體包含系統(tǒng)本身。
4）利用建筑物的基礎(chǔ)鋼筋地網(wǎng)作為共用接地系統(tǒng)。如建筑物沒(méi)有基礎(chǔ)鋼筋地網(wǎng)，在建筑物四周埋設(shè)人工垂直接地體和水平環(huán)形接地體。
5）埋于土壤中的人工垂直接地體宜采用角鋼、鋼管或圓鋼；埋于土壤中的接地體宜采用圓鋼或扁鋼。圓鋼直徑不小于10mm2扁鋼截面不小于100mm2；其厚度不應(yīng)小于4mm；角鋼不應(yīng)小于40×40×40mm；鋼管壁厚不小于3.5mm。人工垂直接地體長(zhǎng)度宜為2.5m。人工垂直接地體間距宜為5m，當(dāng)受條件限制可減少。
6）在高土壤電阻率的地區(qū)，降低接地電阻宜采用如下方法：
①采用多支線外引裝置，外引長(zhǎng)度不應(yīng)大于60m；
②適當(dāng)使用降阻劑；
③換土法。
7）在監(jiān)控辦公樓周圍應(yīng)做一環(huán)形閉合接地電阻小于10Ω的復(fù)式混合地網(wǎng)，澆灌長(zhǎng)效降阻劑。
8）收費(fèi)廣場(chǎng)兩端的高桿燈可視為獨(dú)立避雷針，其接地系統(tǒng)應(yīng)做成輻射形，接地電阻小于10Ω。
9)在高速公路沿線云臺(tái)桿下各做小于4歐姆聯(lián)合地網(wǎng)，每個(gè)地網(wǎng)做兩根引地極，極間距宜大于5m一根作為防直擊雷，一根作為設(shè)備安全接地。
2.1監(jiān)控信號(hào)系統(tǒng)防雷
1）在監(jiān)控中心機(jī)房計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器至網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)間安裝一只計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)SPD以保護(hù)服務(wù)器。
2）在監(jiān)控中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)至收費(fèi)亭的微機(jī)間的數(shù)據(jù)線兩端各安裝一只計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)SPD，以保護(hù)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和收費(fèi)亭微機(jī)網(wǎng)絡(luò)端口。
3）在電子顯示屏的光端機(jī)編碼器之后至控制器兩端各安裝一只數(shù)據(jù)SPD，以保護(hù)光端機(jī)、編碼器和控制器。
4）收費(fèi)亭與監(jiān)控中心有線對(duì)講系統(tǒng)兩端各安裝音頻信號(hào)避雷器1個(gè)，通流容量5KA.
5）在程控電話傳輸線兩段安裝程控電話保護(hù)器。
2.3電源系統(tǒng)防雷
1）在監(jiān)控監(jiān)控中心大樓和征管所辦公樓總配電箱安裝一套（WJA60／100KA）的三相電源保護(hù)器做為Ⅳ級(jí)防雷。
2)在樓層分盤上安裝一套(WJA20\40KA)的三相保護(hù)器SPD，做為Ⅲ級(jí)保護(hù)。
3）在UPS電源前安裝一套（WJA20\40KA）的三相保護(hù)器SPD做為Ⅱ級(jí)保護(hù)。
4）在UPS電源后或設(shè)備電源前安裝一套（WJA10\20KA）的單相保護(hù)器做為Ⅰ級(jí)保護(hù)。
5）在收費(fèi)亭供電線路上安裝一套(WJA20\40KA)的保護(hù)器
6）廣場(chǎng)攝像頭頭部低壓直流供電線路兩端各安裝（WJA10\20KA）的保護(hù)器。
7在高速公路沿線監(jiān)控?cái)z像頭供電線路配電盤輸出端各安裝一套（WJA20\40KA）的保護(hù)器。
8）在高速公路電子顯示屏供電電源上個(gè)安裝一套（WJA20\40KA）的保護(hù)器。
結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)對(duì)高速公路征管所及各系統(tǒng)設(shè)備遭受雷電襲擊途徑進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出了高速公路供配電照明系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和建筑物相結(jié)合的防雷系統(tǒng)。可望能夠確保高速公路的安全運(yùn)行，最大限度地預(yù)防和減輕雷電災(zāi)害對(duì)高速公路造成的危害和損失。
陜西偉信防雷科技有限公司
