简析高速公路收费站机电系统的防雷设计

简析高速公路收费站机电系统的防雷设计

曾明

浙江高速信息工程技术有限公司

摘要：高速公路收费站机电系统的防雷设计，主要从防直击雷和防闪电电涌侵入两个方面进行分析。直击雷防护设计较为简单，利用接闪杆或接闪带进行防护。防闪电电涌侵入是雷电防护的重点，供配电部分应选择同流量相匹配的电源SPD进行分级防护，电话系统应注重接口和冗余的考虑。基于此，本文简述了雷击对高速公路收费站机电系统的危害性以及高速公路收费站机电系统防雷设计的必要性，对高速公路收费站机电系统防雷设计要点进行了简要分析。

关键词：雷击；高速公路收费站机电系统；危害性；防雷设计；必要性；设计要点

高速公路收费站机电系统防雷指的是收费岛、监控楼和配电站这一区域的机电系统防雷。基于雷电危害方式、途径的多样性、复杂性，现代防雷技术强调在认识、掌握雷击事故的规律，认真调查收费站的地理、地质、土壤、气象、环境等条件、特别是建筑物是否地处多雷区的基础上，结合高速公路线长点多的实际特点，实施全方位防护的立体防雷。将过去局部的或单一的雷电过电压保护措施纳入到整体、系统的防雷体系，采用接闪分流、接地、布线和防地电位反击等一系列技术措施，全方位拦截雷电的侵入。

一、雷击对高速公路收费站机电系统的危害性分析

雷电是雷云层接近大地时，由于热空气与冷空气摩擦形成带电荷水滴，并于正负电荷达到限值时，出现云团之间、云团对大地的放电现象。就危害性来考虑，雷电灾害可初步分为直击雷、感应雷与球形雷三种。雷击事故分为直接雷击事故和感应雷电事故两类，直击雷电事故主要有：雷电的热效应、雷电的电效应、雷电的电动力效应造成物体的危险。感应雷危险虽然没有直击雷危险那么猛烈，但它发生的机率比直击雷高的多，因为直接雷击通常是指落地雷，指雷云对大地某一物体的放电造成物体的击毁、人畜的死伤。而感应雷是一次雷击之后，在某一个较大的范围内产成电磁感应雷或静电感应雷，通称雷电浪涌现象，这种浪涌可以通过电力线、电话线、导电金属管、信息线路等传播到数公里远，使雷害范围扩大。而对高速公路机电设备构成雷击威胁的主要是直击雷与感应雷。前者是指雷电产生时的巨大电流，由于地电位的骤升形成巨大的电位差作用，造成机电设备和建筑物的损毁，严重时或防护不当会造成人员伤亡。后者即感应雷、雷击电磁脉冲，主要是通过电源供电线路、天馈线以及信号数据传输线等侵入通道叠加于线路信号之上，由此形成的瞬间高电压脉冲极易造成弱电机电设备及微电子元件的损坏，很容易酿成严重事故。

高速公路收费站机电系统内集中了电源、计算机网络、有线通信、无线通信、视频监控、程控交换机等各类子系统，都会不同程度地遭受雷电侵害。轻者部分设备被雷电击坏，系统丧失部分功能；重者全系统瘫痪，经济损失严重；更有甚者，雷雨季节因系统频繁遭受雷电侵扰，系统不能正常运行，全部系统功能尽失，给交通安全带来极大隐患。

二、高速公路收费站机电系统防雷设计的必要性

高速公路收费站机电系统内集中了电源、计算机网络、有线通信、无线通信、视频监控、程控交换机等各类子系统，都会不同程度地遭受雷电侵害。轻者部分设备被雷电击坏，系统丧失部分功能；重者全系统瘫痪，经济损失严重；更有甚者，雷雨季节因系统频繁遭受雷电侵扰，系统不能正常运行，全部系统功能尽失，给交通安全带来极大隐患，因此必须加强对其进行防雷设计。

三、高速公路收费站机电系统防雷设计要点的分析

结合某高速公路收费站为例，根据相关标准规定，对该收费站光纤传输及信号控制系统、雨棚信号灯系统、非接触性IC卡读写器、有线对讲、报警系统和闭路电视监视等机电系统的防雷设计进行分析。

1、光纤传输和信号控制的防雷设计。某收费站采用光纤传输。光纤为石英玻璃组成，不会传导雷电流，只需将光纤屏蔽外层（支架）牢靠接地即可。交换机作为以太网同外界通信的关键设施，在交换机输入端应安装信号SPD。该收费站有四路信号上传到片区中心进行信号控制，另有四路传输控制信号，故应安装8口的以太网信号SPD进行以太网防闪电电涌侵入防护。在收费站机电系统中信号控制系统发挥着重要的作用，如控制台计算机、专用控制器、车辆检测器、自动栏杆机、通行信号灯、黄色闪光报警器、雾灯、车牌自动识别装置等都是通过信号控制的设备，也都是雷电防护中应考虑的对象。该收费站有8个车道，也就是有8套信号控制系统，因此也应安装8套相应的信号SPD。

2、雨棚信号灯防雷设计。雨棚信号灯电缆连接车道控制器和雨棚信号灯的两端，受雷电影响大，因此应在此处安装信号SPD。雨棚控制线路分为正向和反向两种，正向控制为七芯，其中四芯为12伏直流控制线和三芯电源线；反向为三芯电源线。所以正向四芯控制线要选用信号SPD，正反向电源线选用单相电源SPD。因此，每套雨棚信号灯需两台单相电源SPD、一台信号SPD。该收费站共有8套雨棚信号灯系统，就需安装10台电源SPD，5台信号SPD。

3、非接触性IC卡读写器的防雷设计。安装在收费亭内的感应卡系统，为信号控制系统。其电压很低，极易被感应雷侵袭，因此在两端接口前端应分别安装信号SPD。该收费站有6套非接触性IC卡读写系统，应安装12台信号SPD。

4、对讲、报警系统的防雷设计。某收费站的对讲、报警控制电缆通过金属电缆进入，采用12芯24V直流有线对讲线路和8芯12V直流交叉报警线路，根据国标应在监控室12芯24V的有线对讲直流线路设备接入端安装相应信号SPD，在监控室8芯12V的交叉报警系统直流线路设备接入端安装相应的信号SPD。

5、闭路电视监视系统的防雷设计。该收费站闭路电视监视系统采用四画面分割器，当雷电流沿视频信号传输线引入时，该设备极易被击坏，故应在四画面分割器的视频接口处安装视频信号SPD对设备进行保护。视频监视器记录着重要的信息资料，一旦被雷电击坏其损失是不可估量的。因此，在该站7台彩色视频监视器前端需选用相应的视频监控SPD。在该站还有电视墙，虽然电视墙并非是特别重要的设备，但电视墙作为配套的监控设备，其电源部分和信号部分也应分别考虑雷电防护。

6、收费站机电系统的其它防雷要求。（1）室外供电线、信号线的铠装电缆或同轴电缆应分别穿金属管或金属槽敷设，金属管或金属槽应保持全线电气贯通，至少两端与各自接地网做等电位的可靠电气连接。（2）在收费亭电源线、网络线、监控信号进出线端安装相应的过电压保护器，安装位置应合适正确。（3）收费广场摄像机一侧的过电压保护器SPD的接地端可连接到云台金属外壳的保护接地线上，再从云台金属外壳保护接地端连接至摄像头支撑杆地网上，云台处的所有金属外壳、金属构件均应可靠接地，信号线如为铠装光缆，则不需安装防雷器件，但铠必须接地，如为同轴电缆，须安装视频防雷器。其交流电源线加装过电压保护器。

结束语

综上所述，高速公路一般地处空旷的郊区，极易受到雷电的威胁，在高速公路雷电防护设计中，主要以收费站为考虑对象，每一站都有进车道和出车道，每一车道都有与之相应的配套系统。如雨棚信号控制系统、车道监控摄像机、车道控制器、自动栏杆、IC卡系统等，为了保障高速公路收费站的安全，必须加强对其机电系统进行防雷设计。

参考文献：

[1]王长江.高速公路收费站防雷工程设计[J].科技致富向导，2014（08）

[2]李小龙等.高速公路收费站防雷技术探讨[J].内蒙古气象，2016（10）

[3]陈彦旭.高速公路收费站配套系统防雷设计分析[J].科技创新导报，2015（01）