广东高速公路机电系统防雷设计意见及建议

广东省珠三角在气候上属于亚热带季风气候中的南亚热带季风气候，夏季高温多雨，受海洋影响，降水丰富，各月降水分布比较均匀，雨季长，一般4月到10月，雷暴雨天气尤其频繁，该省的高速公路机电设备防雷接地就显得尤为重要。笔者根据其参建的常虎高速、莞深高速及正在建设的从莞高速东莞段的运营及建设管理经验及总结，提出高速公路机电系统防雷设计的一些意见及建议。

高速公路机电系统主要由通信、收费、监控以及隧道通风照明等弱电或强电设备系统构成，由于电子设备绝缘强度低、过电压耐受力较差，在穿越多雷区和强雷区时，机电设备很容易受到雷电的干扰造成设备损坏、数据丢失、系统瘫痪；严重者可能造成人员伤亡。为有效预防以上事故的出现，就更应当注意在项目的设计和施工阶段积极处理好机电设备防雷接地问题，强化防雷薄弱环节，保证收费系统及交通运输的安全运行。

一、雷害种类及危害

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。这类常见自然现象已被国际电工委员会（IEC）列为电子时代第一公害。就危害性来考虑，雷电灾害可初步分为直击雷、感应雷（包括）与球形雷3种。雷害主要包括3类：（1）电性质破坏，雷电产生高达数万伏甚至数十万伏的冲击电压，可毁坏发电机、变压器等电气设备，甚至造成火灾、爆炸及严重触电事故；（2）热性质破坏，当几十至上千安的强大电流通过导体时，在极短的时间内将转换为大量的热能，雷击电高达500～1000J的发热能量足以熔化50-200立方毫米的钢棒，故在雷电通道中产生的高温往往造成火灾；（3）机械性质破坏，由于雷电的热效应，还将使雷电通道中木材纤维缝隙和其它结构中间的缝隙里的空气剧烈膨胀，同时使水分及其它物质分解为气体，在被雷击物体内部出现强大的机械压力，使被击物遭受严重破坏或造成爆炸。因此，在机电设备防雷工程应将感应雷作为防范重点予以落实，从雷击的各侵入口着手准备，由将雷击电压、电流引导入地，最大限度地保护电子设备。如收费站广场、收费亭及监控机房等处的综合防雷，还应完善好电位连接与共用接地系统。

二、防雷措施

1.接地系统

良好的接地系统是高速公路避雷技术中最关键的环节，无论何种形式的雷击，都需要利用接地装置将雷电流送入大地。直击雷防护主要是将避雷针、带或线用作接闪器，接收雷电流并经接地装置导入大地；感应雷则是利用等电位连接、屏蔽等方式来完善防护措施。鉴于高速公路建筑物遭受雷击后，内部机电设备可能受到直击过电压、过电流的损害。为尽可能地保护设备安全，将雷电能量安全泄入大地，弱电设备、电源线路以及通信系统均应做好防雷接地装置工作，机房弱电系统的防雷接地建议采取综合布线的方式来防范地电位反击电压对避雷系统的破坏。

（1） 直流工作接地。目前，高速公路控制系统普遍应用了计算机、通信技术等构成的综合自动化系统，包括集成电路、微电子元件等在内的电子器件己成为机电设备的核心。这些弱电系统多采用直流电源，雷击时一旦出现供电电源波动，就可能给弱电设备带来强烈干扰甚至直接烧毁。直流工作接地一方面可使微电子设备均处于同一低压直流系统中，对于稳定电路电位，防止外来电源干扰具有明显效用。同时，高速公路收费站将监控机房、配电房以及数据反馈屏等设施设备的接地系统搭建为一体化的联合接地系统，还可保证信号传输存在统一的电位参照点，可有效地衰减弱电设备问数据传递、转换可能产生的电磁干扰，保证弱电设备工作的高效性。可确保接地装置的安全可靠，机电设备须安装不低于两处的金属扁钢带有效接地，规格应在4～40mm之间，用于防范雷击电流泄底后出现地电位反击的情况。

（2）机电设备保护接地。机电设备正常运行时属于带电体，弱设备绝缘出现损害，就会在机电设备、人与大地间构成电流通路，极易诱发操作人员发生触电危险。由于机电设备长时间使用可能会有绝缘老化或碰撞等情况，为尽可能地消除人员安全隐患，机电设备运行时的不带电金属部分应做好接地装置工作，使设备绝缘破损时能将泄漏电流经人体、接地装置泄流到大地。

（3） 交流电源防雷接地。主要指机电设备交流电源的提供单元—变压器，为防止线路遭受雷击时，雷击感应电流经线路对变压器产生冲击，破坏系统机电设备的安全，可使变压器中性点直接接地运行，即便发生雷击事故，变压器也能自动跳闸保护，有效保证机电设备的安全。对于采用就近供电电源未装设隔离变压器的机电系统，须在供电电源与弱电设备电源系统间增设电涌保护器SPD，分流雷击电磁脉冲所产生的瞬时过电压，使其降低至设备可承受范围内。

2.信号防雷

通信系统、监控系统中的道路数据信号线、语音传输线采用的有双绞线、同轴电缆、光纤光缆等介质，但除了金属光缆外，其余线缆均不排除有遭受雷击的可能性，并由此传递雷击、高位电压破坏设备。

3. 收费广场机电设备防雷

为确保高速公路机电设备安全，避免雷电过电流、过电压的干扰破坏，防雷设计应将收费广场防雷保护划分为外部、内部防雷保护2大块。前者指建筑物的防雷、接地线等，如处于雷电活跃区，计算机终端及机电设备较集中的地方，应以独立避雷针（网）保护好整栋建筑物，将电流引至10m之外；内部防雷保护主要指电涌保护器（SPD）的安装，电源系统应采用TN-S方式保护，根据直击雷、感146应雷有针对性地布设多级电源防雷器。

三、关于高速公路机电设备防雷的建议

由于高速公路防雷技术措施落实面临着点多、线长、面广的特点机电设备防雷仍存在以下隐患：

1.高速公路沿线多属地势平缓区域，公路收费站建筑物大多是周边地区的最高点，加之部分站点所设的标志性金属罩棚、高杆灯与通信铁塔，极易成为引雷的导体。

2.目前供电线路所采用的架空电缆入户形式，客观上为雷电波经线路侵入配电系统创造了途径。

3.高速公路路基、路面施工都会使沿线土壤出现电阻率变化，沿线电子设备所处的特殊位置也易遭受雷击。

四、对于以上指出的雷害隐患问题，提出以下建议供参考：

1.设计及施工须严格按照国家相关规范及标准。

2.防雷系统施工必须落实整体防雷的思路，土建设计与机电设计施工相协调；注意隐蔽工程尤其是机房内部布线的合理设计，尽可能地降低因雷电波引起线缆间电位感应的可能性。

3.室外管道和电缆金属外皮必须就近与接地干线有效连接，控制室内的电缆金属外皮应焊接到联合接地装置，杜绝感应雷及雷电波的侵入路径。

4.防雷模块设备选型必须考虑到产品可靠与否、应用是否广泛，监理单位及相关质监部门要严格审核供货商资质与进货质量，严防以次充好。

5.定期检测接地网线、避雷器，并就监测记录建档，便于发现问题、消除隐患。鉴于接地联合地网会随使用时间推移出现设备老化、虫朽、腐蚀等问题，在接地系统设计施工中应预留改造余地，便于更换接地设置。

五、总结

总之，我们要科学合理地落实好机电设备的防雷设计，积极降低雷击危害，确保高速公路综合服务水平的稳步推进，为国民经济的发展保驾护航。

参考文献：

[1]《从莞高速公路东莞段含清溪支线南段机电工程两阶段施工图设计文件》中交第一公路勘察设计研究院有限公司2012.11

[2]《从莞高速公路东莞段含清溪支线北段机电工程两阶段施工图设计文件》中交第二公路勘察设计研究院有限公司2012.11

[3]《建筑物防雷设计规范》GB-50057 -2010

[4]《高速公路供配电照明系统理论及应用》长安大学信息学院 张洋、赵祥模、许宏科 2000.6

[5]《交通工程设施设计》人民交通出版社2001.10