高速公路机电设备防雷措施研究

高速公路机电设备防雷措施研究

王文鹏

王文鹏

(鞍山城市水务运营有限公司，辽宁鞍山114001)

中图分类号：G202文献标识码：A文章编号：1673-0992（2009）06-080-02

摘要：由于高速公路机电系统造价较高，所建位置易遭雷击，再加上灯杆等高处物体容易引雷，对机电系统破坏很大，经济损失严重。因此，加大对多雷地区防雷的经济投入尤为重要。为保证人身及设备安全，本文作者提出了提出一些在设计施工中应注意的问题供同行交流与参考。

关键词：高速公路；机电工程设备；防雷

据调查，高速公路机电设施在运营时，常受到不同程度的雷击破坏，严重影响机电设施正常运行，建设一个良好的防雷系统十分重要。

一、雷电分类

1.直击雷

带电云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象。雷电直接击在建筑物或高低压线路、照明设施上，易产生爆炸和火灾、地电位升高和跨步电压增大等严重后果。

2.感应雷

（1）电磁感应：有雷击闪电时，在雷击通道周围会产生强大的瞬变电磁场。处在电磁场中的电气设备和传输线路会感应出较大的电动势，以致损坏设备。

（2）静电感应：有带电雷云出现时，雷云下面的建筑物或传输线路上会感应出与雷云相反的束缚电荷。这种感应电荷在低压架空线路上可达100KV静电电位，信号线路上可达40～60KV静电电位。雷云放电后，束缚电荷迅速扩散，即引起感应雷击。

3.雷电波侵入

电源线、信号传输线或进入室内的其他金属导体遭到雷击或被雷电感应时，雷电波沿这些金属导线或导体侵入设备，导致高电位差使设备损坏或伤人。

4.地电位反击

雷电击中接闪器，引下线、接地体以及与它们相连接的金属导体上产生非常高的瞬时电压，对与之靠得近却又没有连接的金属物体、设备、线路、人体之间产生巨大的电位差。这个电位差引起的电击就是地电位反击。这种反击不仅足以损坏电器和设备，也可能造成人身伤害或火灾爆炸事故。

二、雷电的一般防护

1.直击雷防护

以避雷针、避雷带、避雷线、避雷网等为接闪器，通过引下线和接地体把雷电流泻放到大地。

2.感应雷防护

（1）电源线防雷：主要采用三级防护，防雷器件有电涌防护器（避雷器）等。

（2）信号线防雷：也采用多级防护，防雷器件有电涌防护器（避雷器）等。

（3）等电位连接：把各设备金属外壳、金属管线、金属梁架、金属门窗等相互连接并可靠接地。

（4）金属遮罩及重复接地：避免架空线路直接进入建筑物内，尽可能改用埋地电缆并用金属管遮罩，金属管在进入建筑物前重复接地。

三、防雷分区

1.我国关于建筑物防雷分类分为一类建筑物防雷、二类建筑物防雷、三类建筑物防雷。

2.IEC雷击分区

（1）直击雷非防护区（LPZOA）：本区内的各类物体完全暴露在外部防雷装置的保护范围之外，都可能遭到直接雷击；本区内的电磁场未得到任何屏蔽衰减，属完全暴露的不设防区。

（2）直击雷防护区（LPZOB）：本区的各类物体处在外部防雷装置保护范围之内，应很少能遭到大于所选滚球半径的直接雷击；但本区内电磁场未得到任何屏蔽衰减，属充分暴露的直击雷的防护区。

（3）第一屏蔽防护区（LPZ1）：本区内的各物体不可能遭到直接雷击，在本区内所有导电部件上的雷电流比LPZOB区的电流进一步减小。本区内的电磁场因屏蔽措施而有所衰减。本区一般指在钢筋结构的建筑物内，不包含窗口附近。

（4）第二屏蔽防护区（LPZ2）：为了进一步减小导电部件上的雷电流和电磁场而引入的后续雷电保护区。

再次屏蔽的空间：如上述屏蔽大楼的另外设立的屏蔽网络中心。

（5）第n屏蔽防护区（LPZn）：需要进一步减小雷击电磁脉冲，以保护敏感度水平高的设备的后续雷电保护区。

再次屏蔽的空间：如上述屏蔽网络中心内的机器金属外壳内部，或接地的机柜内部等。

四、室外供配电照明防雷

1.野外变电站和箱式变电站防雷：建议变电站建筑按二级防雷进行设计,在变压器和箱式变的架空线路高压侧进线和低压侧出线第一、二、三基杆上的绝缘子铁脚进行接地。

在变压器和箱式变的架空线路高压侧进线和低压侧装设避雷器。

在变电站或箱式变电站处做联合接地，接地电阻≤4Ω；

变压器和箱式变进出口处的高低压线路穿钢管屏蔽，或选用铠装电缆，其长度不小于15m。钢管或外铠装与接地网可靠连接；。

2.公路照明的高低压照明线路，按照三级防雷要求进行防雷设计。

3.高度突出的高杆灯、灯塔应进行防雷设计。为防止雷电波窜到照明线路，在近高杆灯处至少有15米穿钢管防护电缆或铠装电缆，必要时在高杆灯与照明线路连接处安装低压避雷器。

五、机电电子系统防雷

1.安装监控等电子设备的建筑物，除了按照建筑物防雷等级进行外部防雷设计外，还要进行内部防雷设计：安装必要的电涌保护器（SPD）、实行等电位连接等。

道路监控、收费、通信系统等使用了大量电子产品，除了采取一般建筑物防雷措施外，还要特别注意防电涌。

电涌也叫浪涌或突破，是超出正常工作电压的瞬间过电压。电涌的主要成因是雷电。

2.设备外部防雷措施使得直击雷不能进入内部，但感应雷能够通过以下途径侵入内部，形成电涌，对电子设备等造成危害：

（1）电源线路

高压线路遭受雷击后，经变压器偶合。低压线路能产生100KV左右电压，击坏电子设备或其他电气设施；

（2）信号线路

雷电流通过土壤和信号电缆，进入信号线路；

雷云对地面放电，在线路上感应上千伏电压；

某一导线被雷电击中时，相邻的导线或电缆感应出过电压；

3.电子信息系统防雷基本技术

电子信息系统防雷，要综合运用以下几项技术：

（1）分流（泻流）

做好做够接闪器、引下线（或主筋）和接地，将雷电流分流入地，而不流过被保护设备和部件，避免雷电引起对系统设备的反击。

（2）均压（等电位）

同一层同一部位的不同电缆外皮、设备外壳、金属构架（构件）、管道等做好等电位连接，以均衡电位。这样建筑物内不会产生反击和跨步电压，有利人身安全和减少雷电电磁脉冲对电子设备的干扰。

（3）屏蔽

采用屏蔽电缆、屏蔽箱盒、法拉第屏蔽笼等或其他可利用的自然屏蔽体，防御球雷、侧击和绕击雷的袭击，防御雷电电磁脉冲，阻挡、衰减施加在设备上的过电压能量。

（4）接地

指将所有金属构架（构件）、管道、电缆金属屏蔽层、穿线铁管连在一起，与屏蔽笼及总接地网就近连接。防雷接地、工作接地、保护接地宜采取共地方式。

（5）箱位保护

在电源线、信号线、接地线等过电压可能侵入端口，装设多级SPD过电压保护装置，将侵入网络系统的冲击过电压控制到设备耐受允许的水平。

（6）合理布线

对于易受雷击影响的弱电、强电线路，应穿金属管防护，金属管可靠接地。引入线路加装避雷器或电涌保护器。减小因雷电灾害造成的线路间的影响，把雷电灾害减低到最低程度。

电子信息系统设备交流配电应采用TN—S系统接地方式。当交流电源采用TT系统时，从建筑物内部总配电柜（箱）开始引出的配电线路和分支线路必须采用TN—S系统。

为防止SPD失效短路，应在SPD前安装短路保护器件；

4.SPD应与所在信号线路匹配

信号线路也应安装二级或三级信号SPD进行雷电保护。“信号防雷器”串接于信号线路，雷电来袭时，能切断雷电进入设备通路，迅速对地放电，同时确保信号系统正常工作。信号避雷器规格多种，分别用于监控、网络、电话、模拟通信、数字通讯、有线电视及卫星天线等设备的防雷。应根据不同种类的信号线路的具体要求，选择相应的SPD。经过SPD的防护，使得雷电压电流降低到电子设备允许的范围内。

（1）在进行信号线路防雷设计和信号SPD选型时应注意：

电压匹配：SPD的最高工作电压≥1.2倍信号线工作电压。

频率匹配：SPD频率≥信号频率。

接口匹配：SPD串接在信号线路上，为匹配阻抗及保持最小接触电阻，应选择与信号线上同类型的接口。

5.监控系统防雷

（1）前端设备：前端设备如摄像头等应置于接闪器（避雷针等）的有效保护范围之内，且避雷针最好距摄像机3～4米的距离。SPD标称放电电流10KA。引上摄像机的电源线和信号线应穿金属管屏蔽。摄像头电源串联低压直流避雷器。前端设备要有良好的接地，接地电阻小于4Ω。

（2）传输线路：

传输线路直埋敷设方式防雷效果最佳。线缆或线缆应屏蔽穿钢管埋地敷设，保持屏蔽钢管的电气连通。电缆进入终端或前端设备前穿金属管埋地引入，且埋地长度不得小于15米。在入户端将电缆金属外皮、钢管同防雷接地装置相连。

（3）终端设备：从直击雷防护、雷电波侵入、等电位连接和电涌保护等多方面进行雷电保护。

6.监控中心的防雷

应多方面进行雷电保护。

（1）监控中心所在建筑物应有防直击雷的避雷针、避雷带或避雷网等。

（2）进入监控中心的各种金属管线应接到防感应雷的接地装置上。架空电缆线直接引入时，在入户处应加装避雷器，并将线缆金属外护层及自承钢索接到接地装置上。

（3）监控中心室内应进行等电位联结。

（4）一般电源上应设置三级避雷保护。在各信号线、控制线等进入前端设备之前或进入中心控制台前应加装相应的避雷保护器。

（5）监控中心采用专用接地装置时，其接地电阻不得大于4Ω。采用综合接地网时，其接地电阻不得大于1Ω。

（6）监控线路电涌保护参照信号线路进行三级防护。

（7）多级使用时，开关型和限压型之间距离＞10m，限压型和限压型之间距离＞5m。

（8）信号线路、监控线路等防雷参照各系统技术要求、现场情况和SPD参数进行防雷设计。

6.网络系统防雷：

（1）在网络交换机前的各端口前安装24口网络防雷器，流通容量5KA。

（2）在服务器的五类线接出端安装单口网络防雷器，流通容量5KA。

（3）在路由器的五类线接出端安装单口网络防雷器，流通容量5KA。

7.通讯信号保护：

（1）电话进线保护：安装通信线路防雷器，流通容量5KA。

（2）电话内线保护：安装电话线路防雷器，流通容量5KA。

（3）ADSL专线保护：安装ADSL专线防雷器，流通容量5KA。

参考文献：

[1]建筑物防雷规范（GB50057-94）

[2]计算机房防雷设计规范（GB50174-93）

[3]电子设备雷击保护导则（GB7450-87）

[4]计算站场安全要求（GB9361-88）

[5]工作与民用电力装置的过电压保护设计规范（GB64-83）

[6]电信专用房屋设计规范（YD5003-94）

[7]过电压保护器（VDE0675）