高速公路隧道电气设备如何防雷及避雷

高速公路隧道电气设备如何防雷及避雷

刘新军  

陕西高速电子工程有限公司     陕西省西安市   710054

摘要:国家有关防雷保护技术措施的规定已经非常详细，有关参数指标也十分明确。但因为公路机电系统的施工往往要滞后于土建工程，如果设计阶段再出现某些环节的疏漏或脱节，在项目实施过程中就可能造成技术匹配混淆，甚至出现关联系统的混乱和交叉干扰。本文对目前公路机电系统防雷经常被忽略的几类问题予以梳理澄清，以期对完善防雷保护的系统措施有所借鉴。

关键词:高速公路隧道；机电系统;防雷要点

引言

相对于高速公路隧道内部的电气设备来说，隧道外部的远程控制设备更加繁琐，高速公路隧道外部的传输设备更具面广的流散性特点。尽管在道路施工的时候，高速公路的电子设备装置了防雷系统。但时至今日，在高速公路隧道电气设备方面，雷雨天气对其的隐患仍然很大。

1高速公路机电设备雷击事故原因分析

当自然界带电积云靠近地面并与地面凸起物之间电场强度达空气击穿强度后便会发生激烈的放电现象，每个放电过程都包括先导放电、主放电和余光放电三个阶段。雷暴过程所产生的强大电压将释放大量极具破坏力的热能。雷电通常通过直击雷和感应雷的形式入侵电子设备。直击雷就是雷电直接击中线路，其雷击过电流经由电气设备入地；感应雷则是由电流引发磁场变化以及导体感应到过电压及过电流后所形成的雷击，感应雷对高速公路低压机电设备破坏较大[1]。

2高速公路机电系统防雷措施

2.1外部防雷措施

（1）接闪器。接闪器主要是依照建筑物所处的位置以及重要性和结构特征等对是否使用避雷网、避雷带、避雷针等进行综合考虑，使用合理的方式进行接闪器:控制。（2）引下线。在引下线使用时需要注意对机械强度、耐腐蚀度是否符合标准进行分析，保证连接的牢固性。（3）接地装置。在避雷系统设计时加强接地系统的管理是非常重要的，可以将雷电快速的引入大地当中，不管是感应雷还是直击雷等都可以通过这样的方式进行控制和处理。为了安全的将雷电的能量快速的分流到大地，防止设备出现过度损耗等情况，公路建筑及其内部的电源设备、弱电设备、通信系统都需要做好防雷接地处理，机房弱电系统的防雷接地需要综合化的进行路线分析，加强电气相通,将电磁屏蔽作用充分地发挥出来。

①交流电源防雷接地。在交流电源防雷接地的过程中，主要是为了控制变压器等设备免遭雷击。雷电的感应电流通过线路会对变压器出现冲击，导致变压器在安全运行过程中受到影响，因此需要重视将变压器中性点与地之间的相连，就算出现了事故，变压器也可以自动跳闸对设备进行保护。

②直流工作接地。直流工作接地也是非常重要的，在当前社会快速发展状态下，信息化逐步成为大势所趋。计算机对人类社会发展具有非常重要的作用，计算机逐步引入到各种监控系统当中，在此过程中会出现很多弱电设备。这些弱电设备电子器件是直流工作的，如果出现雷击会导致弱电设备直接烧毁，直流工作接地一方面能够保证微电子系统处于同一低压直流系统当中，避免外来电源对电路电位产生干扰，在电机电系统应用过程中形成一个综合化的管控系统，控制数据的传输和加强弱电保护[2]。

2.2浪涌保护器的选择

2.2.1电源系统SPD的选型及安装

（1）分类。

第一，电压开关型SPD（间隙型）。在无电涌时呈高阻态，但对电涌响应时，其阻抗突变为低阻值的一种SPD。开关型SPD的常用器件有火花间隙、气体放电管等。该类SPD的特点是动态响应时间较慢，通流容量大，适用于LPZOA区或LPAOB区。安装方式一般采用“3+1”的保护模式。电压开关型SPD的起动电压高，电压不稳，且残压太高，容易击穿设备。可见，电压开关型SPD不能单独使用，应作为多级保护中的一级。

第二，限压型SPD（压敏电阻型）。限压型SPD在电涌出现时为高阻抗，随着电涌电流和电压的增加，阻抗连续变小。限压型SPD的组件一般为压敏电阻、抑制二极管。该类型SPD具有连续的电压、电流特性，适用于LPZOB区、LPZ1及以上防雷分区，用于限制雷电过电压。限压型SPD的标称导通电压很低，动态响应时间快，电气性能稳定，残压也很低。因此，该类型SPD可以单独使用，也可以组合使用，进行多级保护。

第三，混合型SPD。这是将电压开关型元件和限压型元件组合的SPD，当承受电压不同时，可以呈现三种不同的特性—两者各自的特性，以及两者组结合的特性。由于开关型SPD的动态响应时间较限压型SPD慢，若将开关型SPD和限压型SPD组合进行多级防护，限压型SPD会先导通，位于首级的开关型SPD起不到防护作用。因此，在选择SPD时，不应将开关型SPD放在首级，而后级保护选用限压型SPD。但是，当环境比较恶劣时，可以将开关型SPD和限压型SPD组合，用作首级防护。

2.2.2安装

第一级SPD：该级SPD主要安装在低压变压器引到总配电柜的进线侧，主要作用是泄放大部分入侵建筑物的雷电流。该区域的雷击危险性较高，属于B级防雷区。选用SPD的标称放电电流应大于40kA，最大持续操作电压应大于385V，泄漏电流应小于20μA，响应时间应少于25ns。

第二级SPD：该级SPD主要是安装在各楼层低压配电箱的低压进线侧，主要作用是防止雷击过电压从交流配电线进入用户端，保护后端设备的安全，免遭雷击。该区域属于C级防雷区，应选用C级防雷保护装置，标称电流放电电流应大于20kA，最大持续操作电压应大于275V，泄漏电流应小于20μA，响应时间应少于25ns[3]。

第三级SPD：该级SPD主要安装在设备控制箱的进线侧，主要作用是进一步减少雷电流的剩余影响，限制电网中的过电压，将电压限制在电气设备所能承受的冲击耐受电压下，进一步保护后端设备的安全。该区域属于D级防雷区，应安装D级防雷保护装置，标称电流放电电流应大于10kA，最大持续操作电压应大于275V，泄漏电流应小于20μA，响应时间应少于25ns。

2.3信号系统雷电防护

将适配的SPD设置在高速公路建筑物信号线缆直击雷（非）防护区和第一防护区交界处，适配的信号SPD安装在收费岗亭工控机网络信号、电动栏杆、信号检测及输入处。将适配的同轴信号SPD安装在广场摄像机、车道摄像机等视频信号输入/出处；并应在天馈线路上安装相应的SPD保护，同时还应将电缆内芯空线和浪涌保护器接地端接地处理。

2.4屏蔽及等电位处理

在高速公路建筑物底层设置监控中心，借助建筑结构钢筋及金属门窗等组成屏蔽笼，并在建筑物底部预留等电位连接端，使其与就近的建筑物钢筋金属结构形成可靠的电气连接。将建筑物外墙钢筋加密处理，金属门窗设置屏蔽防护，并将钢筋网孔尺寸控制在20cm×20cm，使其与建筑物结构主筋形成可靠的电气连接。此外，还应将防静电地板设置在机房，并在地板下增设面积至少50mm 2的铜排，增设环形闭合接地汇流排，使其与机房等电位接地端形成可靠的电气连接。对于接近机房光缆末端的金属屏蔽层应加强光纤数字配线架等电位应和加强芯连通。

3结束语

对高速公路机电设备造成影响的雷电有直击雷和感应雷两种，高速公路机电系统防雷措施也相应地分为直击雷防护措施和雷击电磁脉冲防护措施两类。无论哪种雷电破坏，高速公路管理部门都应加强防雷应急预案，绝缘外露导电部件，限制人员活动范围并按规范正确设置警示标识，切实减小雷电事故发生概率和造成的损失。

参考文献

[1]李萌.探讨高速公路机电系统中过电压保护和防雷接地的设计[J].科学技术创新，2020（33）：130-131.

[2]牛磊.高速公路机电系统过电压保护与防雷接地设计[J].交通世界，2020（1）：234-235.

[3]彭锦超,何俊豪,陈坤.建筑物弱电设备防雷设计[J].现代建筑电气,2020,6(12):21-24+28.