高速公路的雷电防护

摘要:文章结合近几年对高速公路的防雷检测,对高速公路遭受雷击损害可能的侵入途径作了分析,采取经济合理、安全可靠的措施来防止高速公路雷击事故的发生。

关键词:高速公路;防雷检测;道路安全

中图分类号: TU248 文献标识码:A 文章编号:1674-0432(2010)-08-0241-2

1 概述

雷击对高速公路的破坏不仅会造成重大经济损失,更为严重的是会影响高速公路收费、监控、通信系统的正常工作。这是由于高速公路机电系统一般建于空旷地带,点多、面广、线长,既有强电设备,又有大量的监控、通信、传感等弱电设备,外场设备遍布全路段,各类高集成度电子器件、大规模及超大规模集成电路的广泛采用,使得设备的灵敏度增高,而耐过电压、过电流的能力降低,对雷电侵袭的抵御能力差。而且传输和控制线路往往穿越复杂的地质层面,这些都是易遭雷击或雷电感应的薄弱点。同时,在高速公路设计和施工中强电和弱电系统的防雷问题往往被忽视,接地的要求也不统一。由于上述原因,高速公路尤其是机电系统的综合防雷薄弱环节相对来说较多,因此易遭雷害,特别是感应雷害和反击雷害。

要消除高速公路尤其是机电系统雷害,应从技术和管理两个方面着手,采用先进的防雷设备,加上严格而合理的工程建设和运行措施,这样才能把雷害降至最低直至消除。在公路建设中要综合考虑各种因素,根据系统的重要程度来确定最优的综合防雷方案。

2 高速公路的综合防雷

高速公路的综合防雷主要包括对建筑物及相关辅助设施和监控、收费、通讯三大系统的防雷。

2.1 建筑物的雷电防护

对一般的监控楼、通信楼等建筑物宜利用钢筋混凝土屋面板、梁、柱和基础的钢筋作为接闪器、引下线和接地装置。将雷电流能量通过合理、有效的路经向大地泄放,利用建筑物钢筋构造。建筑物每个柱内的两根主钢筋应焊接作为防雷接地的引下线,并与基础中引出的不少于两根钢筋焊接到地网上。梁与柱、墙与楼板间的钢筋要真正做到绑扎或搭接,如有些地方无法绑扎或搭接,应每隔20m左右焊接一点,将建筑物的钢筋混凝土屋面板、梁、柱、基础钢筋、金属门窗、金属防盗护栏等较大金属构件等电位连接,构成等电位“法拉第笼”,以改善建筑物内电磁环境。建筑物内部所有不带电金属物体应电气连通,实现建筑物内部的等电位。屋面上的所有金属物均应与楼顶避雷装置多点可靠电气连接。卫星接收天线等均应在接闪器的有效保护范围内。此外要注意建筑物顶部的通信设备(卫星天线、无线通信设备)、广告牌、装饰照明灯等设施的防雷措施。

对设有信息系统的建筑物应充分利用建筑物钢筋结构构造良好屏蔽效果及等电位连接的“法拉第笼”,充分利用建(构)筑物的门窗、在机房内敷设闭合等电位连接带,将室内所有不带电的金属构件如机柜、机架、机壳、防静电地板、天花板等金属构件可靠接地。进一步减少雷电电磁脉冲危害。

2.2 监控系统的雷电防护

监控系统包括收费亭、车道、收费广场及沿线安装有各种监控设备的区域,含有视频控制主机、摄像机、监视器等。因此监控系统的防雷可分成三部分,即监控室、外场和传输系统的防雷。

2.2.1 监控室的防雷 监控室内的监视器、控制主机等防雷应与所处的建筑物防雷系统紧密结合起来,且自身应做好保护和接地措施。

(1)接地是消除雷电和静电最根本的手段。监控系统应采用联合接地,其接地电阻不宜大于1.0欧姆,设备间等电位连接。

(2)监控系统的保护除了做好监控室内系统的供电电源线、信号传输线的屏蔽接地或金属外皮接地外,还应加装相应的浪涌保护器,即把进入监控系统设备的各种工作电压(交流和直流)在受外界浪涌影响时限制在额定工作范围内,确保系统正常运行。

(3)出入建筑物的监控系统缆线应埋地,且应在两端分别安装SPD保护,缆线的金属外护套两端应就近接地。

(4)监控系统的云台、防雨罩必须就近接地。

2.2.2 外场设备的防雷 外场机电设备一般采用金属杆、金属架和金属箱,其金属构件即可作为防雷接闪器,顶端如有其它非金属设备时,应增设避雷针或避雷带(网),使其在接闪器的有限保护范围内,金属构件应保证整体电气导通并可靠接地。

外场设备的防雷包括对摄像头的直击雷和感应雷的防护。

(1)摄像头架设在独立杆上,可利用其独立杆作为接闪器,或采用独立避雷针进行直击雷的防护。且应对避雷针和摄像机进行有效的接地,尽量减少接地电阻值,保护摄像机的安全运行。

(2)为了防止摄像机供电电源线和信号线上的感应雷电流、雷电波侵入设备,对电源和信号加装浪涌保护装置。

2.2.3 传输系统的防雷

(1)出入建筑物的网络金属数据线应穿金属管道或采用屏蔽电缆后,再从地下引入其他机房,金属管后铠装电缆的金属护层两端应就近与地网焊接。

(2)地处多雷区、强雷区与机房外用金属缆线连接的各类网管系统数据线,雷电过电压保护必须采用下列措施:

①控制及数据采集用的网络接口应具有相应物理接口的SPD保护;②局域网工作站终端设备输入口应具有相应通信接口的SPD;③出入建筑物的各类金属数据线两端的网络接口必须具有SPD保护。

2.3 收费系统

该系统的防雷涉及收费主系统、收费现场各收费点以及它们之间传输网络线的防雷。收费现场各车道收费亭信息系统防雷应与收费棚防雷相结合。收费现场地处空旷地带,其收费棚为金属棚,极易接闪雷电。

由于收费亭等建筑物一般采用钢架结构、金属顶棚,当金属板厚度不小于 0.5mm时,宜利用其金属顶棚及其他金属构件作为接闪器(应无绝缘被覆盖),当顶棚外有非金属物构件时,应增设避雷针等接闪器,使其在保护范围内。为减少流经每根引下线的雷电流,改善周围电磁环境,应利用所有金属支柱或柱内钢筋作为引下线。所有顶棚的金属构件及避雷针均应与作为引下线的金属支柱可靠电气连通。为了避免接触电压和跨步电压对人身安全及设备的危害,收费亭接地应充分利用收费岛地基钢筋、车道钢筋网、金属护拦、金属收费亭等实现等电位连接。

收费大棚的接地系统应利用收费大棚结构柱的基础钢筋、收费岛以及车道的基础钢筋作为接地体,并与高速公路路面的钢筋网多点相连接。

在收费站应将收费车道、办公楼、配电房的地网连为一体,相互间用4×40mm扁钢带不少于两处连接,实现地网均压等电位,防止地电位反击。如接地电阻达不到高速公路机电系统最小接地电阻要求时,可在办公楼和配电房之间的空地上建设地网,网格为5×5m,用料是4×40mm扁钢和5×50×50mm角钢,两端与办公楼、配电房的环形地网相连,连接点不少于两处。

收费广场高竿灯、收费外场摄像接地,也宜与上述地网共地,如距离较远(大于20m)时亦可独立接地网,视为独立避雷针,其接地系统宜做成放射状。

2.4 信息系统的防雷

所有暴露于室外的供电电缆、信号电缆均应采取屏蔽措施,可采用屏蔽电缆、穿金属管或走金属桥架(闭合),并保持全线贯通、埋地敷设,两端就近接地。电源线、信号线的敷设应符合综合布线的有关规范,并在适当位置安装相应电涌保护器。

(1)信息系统SPD保护设计,应根据系统内电子设备安装的具体情况,确定被保护对象和保护等级,做到统筹规划、整体设计。

(2)信息系统的接地引线布放,应考虑雷电电磁场不均匀分布的影响。

(3)出入建筑物的电力电缆(线)、通信缆线应采用金属护套电缆或敷设在金属管内。

(4)信息系统的SPD保护设计,应注意对各保护区的合理设置,其保护水平应小于该保护区内被保护设备的耐压,以达到逐级保护电子设备的目的。

(5)各类网管系统的金属数据线垂直长度大于30m时,应穿金属管,其金属管两端必须就近与楼层的均压网或接地网焊接。

2.5 低压配电系统的防雷

根据收费系统在高速公路中的重要性,其低压配电系统应设置三级电源防雷。

第一级:在电源的总进线端安装总电源防雷器,将由外部线路可能引入的雷击高电压引至大地泄放,以确保后接设备的安全。由于办公楼至收费亭的距离有几十米甚至上百米,因此,收费亭总配电箱也相当于电源总配电箱。所以需在总配电箱及收费亭总配电箱的电源总进线端各并联一个电源防雷器,并根据所在地区的年雷暴日确定防雷器的流通容量(最大放电电流);

第二级:为了将经过第一级防雷器泄放后的残压作进一步泄放,需在监控室配电箱及各收费亭配电箱的电源进线端各并联一个电源防雷器,其流通容量应比第一级防雷器低一级;

第三级:针对终端设备,在监控室的电视墙、地图板、投影仪、计算机及各收费亭内的计算机等设备的电源进线端,串联安装插座式防雷器,其作用是将雷电及其他浪涌电压限制到对设备没有损害的水平,特别是对日常的电源系统操作过电压、电源高次谐波等具有限制和保护作用。

3 运行与维护

每年雷雨季节前应对接地系统进行检查和维护;接地网的接地电阻宜每年进行一次测量;每年雷雨季节前应对运行中的防雷器利用元件老化测试仪进行一次检测,雷雨季节中要加强外观巡视,发现电源避雷器出现问题须及时处理。

作者简介:魏超(1972-),男,山东济南人,山东省雷电防护技术中心科长,助理工程师,研究方向:防雷装置检测。