浅析武英高速电子系统防雷

【摘要】：近年来，随着微电子技术、高清摄像技术和计算机技术在武英高速电子系统设备中的广泛应用，使得各种先进电子设备对过电压的要求越来越高。因雷电造成收费站电子设备或系统的损害呈增长趋势，我们必须采取适当的保护措施以避免因过电压及其所产生的过电流对传输线路、通信设备和人员造成的危害。为此，当今时代的高速收费站防雷工作的重要性、迫切性、复杂性大大增加了，各收费站雷电的防御已从直击雷防护到系统防护，我们必须站到历史时代的新高度来认识和研究现代高速收费站防雷技术，同时提高人类对雷灾防御的综合能力。文中主要分析了雷电的成因、危害及防范措施，力争将其对各个收费站先进的电子系统设备产生的危害降低到最低点。本文重点介绍"整体防御、综合治理、多重保护"的防范原则，力争将其产生的危害降低到最低点。

【关键词】： 收费站；电子设备；重要性；防雷措施

中图分类号：TU856 文献标识码： A

引言

雷电是严重的自然灾害之一。每年因雷击所造成的人员伤亡、财产损失不计其数，雷电导致的火灾、爆炸、信息系统瘫痪等事故频繁发生。

目前，测量控制、电子信息等技术已渗透到武英高速各个收费站的监控系统之中，并且各种电子系统设备在各个收费站应用的范围之广、品种之多、数量之大前所未有。其中以微电子技术为基础的电子信息设备由于集成度高、工作电压低、运算速度快、而耐过电压、耐过电流和抗雷电电磁脉冲的能力差，极易遭受雷电的危害。特别是雷电电磁脉冲造成的损害更为严重。如今从卫星通信、导航到计算机网络、通信系统、监控、安全防范系统、测量控制系统等都已成为武英高速收费站的重要系统，而它们都是雷电灾害的重大灾区。

这些设备都属于微电子设备（即弱电设备），其耐过电压冲击的能力很弱，而由电源线、信号传输线、地线侵入的雷电冲击波强度却很大。通过电源线、信号传输线引入的雷电感应冲击大电流，足以使许多微电子设备遭受不同程度的损坏，并危及人身安全，造成巨额的直接经济损失。而更重要的是会导致整个高速收费站的网络瘫痪失控，重要数据丢失，间接经济损失不可估量。

随着社会经济建设的高速发展，武英高速各个收费站报警与监控联网系统建设已经相互贯通，由于这些系统的设备分布广，线路长，不少设备置于露天，极易受到雷电的袭击，系统的防雷问题显得尤为重要和紧迫。

1 发生有关雷击事故的案例

从每年三月份开始，我国部分地区就迎来了暴风雨天气。相关部门也发出了提醒企业、居民注意防雷击的警示。然而因雷电造成的伤亡事故和电子系统损坏事件依然时有发生。雷击虽是天灾，但并非无法抵御。时至7月，雷雨天气有增无减，这就要求我们更加注意安全，做足准备，避免雷击。

雷电灾害是联合国公布的10中最严重的自然灾害之一，也是目前中国十大自然灾害之一。据有关部门估计，全世界平均每分钟发生雷暴2000次，严重威胁了人们的生命安全、电子系统的稳定工作。

我国雷暴活动主要集中在每年的4月至8月。来自中国气象局的消息，据不完全统计，每年7月份，我国都有人遭雷击身亡和多次电子系统的损坏，为一年中同期死亡人数和电子系统损坏次数最多的月份。从20个省（区）统计上报的雷击死亡人数分析，江西省遭受雷击死亡人数最多，湖北省遭受雷击导致电子系统损坏次数最多。

7月份发生的主要雷击事件有：

（1）2012年07月28日，武英高速罗田收费站遭受雷击，三台称重系统被雷严重击坏，导致整个收费系统瘫痪，造成直接经济损失过万，间接经济损失不可估量。

（2）同年，武英高速大别山收费站两台称重系统遭受雷击，严重的影响了整个收费站正常工作，其直接原因是防雷装置还不够完善。

（3）2011年，武英高速魃剿淼蓝啻卧馐芾谆鳎隧道内两边的路标指示灯常常被雷击坏，同时场外的情报板被雷击中无法正常显示数据，对整个武英高速带来严重的不便。

（4）2009年7月24日17时45分，湖北某公安分局派出所遭雷击，击坏7台计算机，3部电话机、1只安防摄像头及部分网络交换机端口。此次雷灾造成直接经济损失4.9万元；

（5）2008年7月18日，黄陂区公安局遭雷击，击坏办公楼和计算机机房中的路由器、交换机、10多台计算机等设备，致使110指挥中心瘫痪。此次雷击造成直接经济损失10万元。雷击原因是防雷装置不完善；

（6）2009年7月5日16时20分左右，呼伦贝尔市交通局二楼总配电箱遭雷击，引起火灾。此次雷灾造成直接经济损失2.4万元。雷击原因是未安装防雷装置；

（7）2011年7月8日，丹阳市遭雷击，击坏吕城交警支队交换器，电话机。此次雷灾造成直接经济损失约13万元；

（8）2012年7月29日晚，安义县交警大队遭雷击，击坏20台计算机。此次雷灾造成直接经济损失10万元。雷击原因是防雷装置不完善；

据统计，仅在2004年和2005年，我国发生雷电灾害19918起，其中伤亡人数达3157人，电子信息系统损坏达1.2万次，直接经济损失数十亿元，是仅次于暴雨洪涝、气象地质灾害之后名列第三的气象灾害。为此总理做出了“提醒各地有关部门加强防雷工作的”重要性批示。

雷电作为我国最严重的三大气象灾害之一，给人们带来的损失是不可忽视的，无论是煤矿、化工、电力、建筑、交通，还是人们生活、森林防火，都会受到夏季雷电的侵害。要保证安全，就要从细节抓起。

2 雷电的成因和危害

2.1 雷电的成因

雷电由大气环流和当地气象因素所决定，是积雨云中云与云之间或云与地之间产生的放电现象，强大电流通过时，又使空气迅速膨胀产生巨大的响声，即雷电。雷电根据形状的不同，可分为枝状、片状、线状等形式，其中枝状最为常见。暖湿气流上升到大约15，000m的高空，在云中产生出正、负电荷，强烈的上升气流造成了云内电荷的分离，正电荷位于云的上部，负电荷在云的下部，云与大地间就形成电场，其下端的负电荷使大地被感应出正电荷，此时雷云与大地之间就成为一个大的已充电的电容器。可触发雷电的电场强度与空气的绝缘度相关，当电场强度在0.5～10（kv/cm）之间，雷云与地间的电势差高到一定程度（约103v/cm～104v/cm）时，大气会被击穿。

2.2 雷电对电子系统的危害

2.2.1 雷电作用下，建筑物内感应雷害

雷电击在建筑物接闪带上，由接闪带通过引下线，将雷电流泄放大地，引下线自上而下产生一个变化旋转快速运动磁场，建筑物内的电源线、网络线等相对切割磁力线，产生感应高压并沿线路传输击毁设备。

雷电产生的感应电压无孔不入，它可以危及机房内所有的用电器，2000年在上海一家银行一次雷击，4台服务器遭受雷击，80多条广域网络线端口及4台网络交换机的RJ45端口全部损坏，直接经济损失十余万元，网络瘫痪近48小时，间接经济损失无法估计。广东省1999年至2000年金融计算机系统遭受雷击损失近亿元人民币。感应雷的能量虽小，但电压较高。所以，对感应雷害的防护，应该是全面的防护。

2.2.2 雷电作用下的网络雷害

1） 广域网络

一般讲，高速系统广域网络通常不遭受直击雷的破坏，1mm2的铜线遭受10KA的雷电袭击，它自身就断了。所以，广域网的雷害主要是感应雷害，击穿方式为线对线和线对机壳（地），在GA173-2002《计算机信息系统防雷保安器》标准中，广域网保护的最大雷电流为5KA，连接广域网一般有以下几类，一类是DDN租用专线，一类是ISD专线，一类是帧中继以及微波通讯方式 。对于专线的接收端口，它的耐压应为5倍工作电压，即Vdc25V，传输速率小于等于2M，插入保安器，使之在雷电作用下，短路保护5KA电流，而端口残压小于25V；而对于话线备份来说，它的工作电压为48V加93 V振铃电压共计175V，插入保安器，保安器的启动电压来说，它的工作电压为48V加93 V振铃电压共计175V，插入保安器，保安器的启动电压。

2）局域网

在武英高速收费站系统局域网的传输电缆中，均采用UTP电缆，UTP电缆的4对线中两对线（1-2，3-6线对）一对线接收一线发送，采用RJ45接口方式。既然局域网电缆采用RJ45型是一收一发，那么，就应按两对线进行雷电保护。

我们做过一次试验，在一条连接服务器的网线旁边，约距网线0.5米处，采用雷击发生器对网线0.5米处一条金属线发射雷电流。由小到大，发射电流为10KA，周边磁场污染了网线，瞬间服务器端口、芯片被击穿，这时，示波器记忆感应高压为100V。

在机房的综合布线中，施工人员为了布线工程的美观漂亮，把很多网线放在墙壁内或者静电地板下面，没有考虑对UTP电缆的屏蔽处理，一旦大楼某些钢筋泄放雷击电流都将引起感应高压，从而击毁设备。另外，对于网络系统，由于雷电引起的电磁脉冲，在机房内产生3Gs的变化电磁场，必然引起网卡端口芯片的烧毁。 因此雷电对高速收费站系统局域网的危害是巨大的。

所以对于综合布线，从防雷角度上考虑，布线一定要明确表示：

首先：电源线不要与网络线同槽架设，数据插座与电源插座保持一定距离；其次：广域网线缆不要与局域网线缆同槽架设；最后：网线与墙壁布置时，有条件应远距离安装。屏蔽槽有厚度要符合要求，并保证两点接地。

2.2.3 雷电作用下的二次效应，雷电高压反击雷

雷电袭击建筑物避雷带，由引下线将雷电流引入大地，由于大地电阻的存在，雷电电荷不能快速全部的与大地负电荷中和，必然引起局部地电位升高，交流配电地和直流逻辑地将这种高电位引入机房，UPS输出、输入端被击穿，小型机及其他网络设备连接断口被击穿。这种反击电压少则数千伏，多则数万伏，直接烧坏用电器的绝缘部分。这种现象在电子收费系统时有发生。

2.2.4 由雷击引起的人身安全问题

雷电泄放大地，由于地电阻较大，不能马上泄放，从而引起地电位升高，由于机房直流逻辑地线和交流配电保护地线不在一点入地，将两个电位值引入机房，这时，一个操作人员的一只手摸在UPS输出负载外壳上（如小型机），而另一只手（或身体）摸在交流配电地线上（如空调），两个电位值将通过操作人员的身体短路，造成操作人员伤亡。美国1996年为此而死亡198人，广东省1997年在报导雷击死亡的170人中，有相当一部分是为此而伤亡的。所以防雷保护设备的确很重要，但是保护人身安全更重要。

在通过具体分析了雷害入侵计算机信息系统的各种途径后，我们得出的结论是：防雷保护设计工作不是简单的避雷设施的安装和堆砌，而是一项要求高、难度大的系统工程，涉及多方面的因素。为此我们的设计指导思想的主旨是，本着“经济、实用、高标准严格要求、高起点、高可靠性"的原则，在遵照执行国家有关标准，国家有关行业标准的基础上，还参考和引入IEC国际电工委员会的有关防雷技术标准要求，以期达到更好的防护效果。

3 收费站电子系统防雷设计的依据

2.3.1 收费站系统电子设备雷电过电压及电磁干扰防护，是保护通信线路、设备及人身安全的重要技术手段，是确保通信线路、设备运行必不可缺少的技术环节，是交通系统电子化建设及运行管理工作的重要组成部分。

2.3.2 方案的设计应依据IEC61312《雷电电磁脉冲的防护》、GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》、GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》、GA173-2002《计算机信息系统防雷保安器》及GB50174-2008《电子信息系统机房防雷设计规范》、GB2887-89《计算机场地技术条件》等进行设计。

2.3.3 方案设计中的所采用的过电压保护产品由国内或世界知名防雷器生产商精工设计制造。其产品符合IEC、GB相关标准，并通过国内邮电、铁道、电力等有关权威检测机构检测认证。

2.3.4 收费站系统、计算机房直击雷防护措施严格依据GB50057-2010第二类建筑物防雷设计、施工标准，其接闪带、引下线、地网系统均合乎规定要求。

4 武英高速防雷概况

2.4.1 遭受雷击事故描述

2012年9月黄黄高速公路管理处武英路段全线电子系统发生了多起隧道、收费站的弱电设备遭受到雷击，其中魃剿淼篮吐尢镌训朗辗颜居认匝现兀给高速公路的正常运行带来很大安全隐患和严重的经济损失。根据高速公路管理中心相关人员反映，发生的雷击事故情况有两种：一是在SPD未损坏的情况下，控制系统的编码转换器、情报板、隧道口摄像机、道路指示灯、车道称重系统等设备损坏；二是设备运行正常，而线路中的电涌保护器损坏。黄黄高速公路管理处武英路段管理中心曾多次组织整改，但效果仍不理想。因此，联络到我们公司要求进行防雷整改，本公司就上述情况做出以下整改措施。

第二节 事故现场勘测及原因分析、解决措施

（1） 魃剿淼

魃剿淼牢双线过山隧道，左线长1205米、右线长1185米。隧道口两头分别有一个配电房和一个UPS控制机房。隧道供电通过附近的10kV高压电网拉到变压器变380V后分配使用。隧道内配电系统主要以箱式变电站、发电机房及UPS设备间并排建立组成。隧道中弱电系统的正常工作电压为24V，如隧道内道路指示灯、隧道口的高杆摄像机等等。隧道内道路指示灯是分别分布在两线隧道中部和两头，共计十二个。据管理中心人员描述，隧道口两端的道路指示灯最易遭受雷击，每次只要打雷，隧道口道路指示灯就会遭受到雷击，无法正常工作。

通过管理中心人员的描述后，我们进行了全面勘测，发现每个隧道口的指示灯离洞口都只有10米，与隧道内供电箱间距离大约100m，每个道路指示灯供电箱内只在总开关处装有一个40KA的SPD，且所有供电空开和SPD的接地均接在一起，导致过低的通流量，使雷电流无法迅速的泄流到大地之中。同时，从通讯线路雷电侵入分析。这些指示灯线路均由隧道口或隧道内的信息采集器采集信号，工作电压24V。这些模拟信号通过现场控制器转换为0～20mA数字信号，这些数字信号通过通信电缆传输到UPS控制机房的控制单元模块集中处理，处理后的信号再通过光端机转换通过光缆传输到高速公路管理控制中心。所以此时我们一定要做好高速公路管理中心的屏蔽措施，以防雷电流从线路中侵入击坏设备。

（2）罗田匝道收费站

罗田匝道收费站连接线为2.568公里，严格按照一级公路标准进行设计。据管理中心人员反映，武英高速7个匝道收费站中遭受雷击次数最多的为罗田收费站，主要是称重系统所有的承台多次遭受雷击，导致整个收费系统瘫痪，造成严重的经济损失。

经勘测，从直击雷防护角度分析。罗田平均雷暴日为51天，属于高雷区。收费站地处空旷野外，土壤多为砂质粘土，且雷暴日明显多于市区。配电房和UPS控制机房部分未按照要求实施直击雷防护，从局部来说并不满足防直击雷要求。

其次，从电源线路雷电侵入分析。引入收费站的高压电源线路为架空线，当雷电发生时，可能会形成感应雷的过电压脉冲，即由于雷云对大地放电或雷云之间迅速放电形成的静电感应和电磁感应，他们在架空线中感应出几千伏到几十千伏的高电位，以波的形式沿着导线传播而引入室内的，导致设备损坏。

（3）解决措施

1） 收费站系统的瞬态过电压保护设计

a. 收费站系统过电压保护必须运用电磁兼容原理将收费站系统局部的防护归结到收费站系统的整体的雷电过电压保护。

b.整个收费站电子设备所处的建筑物作为一个欲保护的空间区域，从电磁兼容的角度出发，可由外到内分为几个雷电保护区，以规定各部分空间不同的雷电磁脉冲（LEMP）的严重程度。

c.根据雷电保护区的划分要求，收费厅和管理所建筑物外部是直接雷的区域，在这个区域内的设备最容易遭受损害，危险性最高，是暴露区，为0区；建筑物内部及计算机房所处的位置为非暴露区，可将其分为1区、2区，越往内部，危险程度越低，雷电过电压对内部电子设备的损害主要是沿线路引入。保护区的界面通过外部的防雷系统、建筑物的钢筋混凝土及金属外壳等构成的屏蔽层而形成。电气通道以及金属管则通过这些界面，穿过各级雷电保护区的金属构件必须在每一穿过点做等电位连接。

d. 在进入收费厅的电源线和通讯线控制柜中的LPZ0与LPZ1、LPZ1与LPZ2区交界处，以及终端设备的前端根据IEC1312――雷电电磁脉冲防护标准，安装上不同类别的电源类SPD，以及通讯网络类SPD。（SPD瞬态过电压保护器）

e.SPD是用以防护电子设备遭受雷电闪击及其它干扰造成的传导电涌过电压的有效手段。

f. 选用和使用SPD注意事项简介：

§我们根据前期对武英高速的勘测情况，在不同使用范围内选用不同性能的SPD。在选用电源SPD时要考虑供电系统的形式、额定电压等因素。LPZ0与LPZ1区交界处的SPD选用的是经过10/350us波形冲击试验达标的产品。对于信号SPD在选型时还需考虑到SPD与电子设备的相容性。

§SPD保护必须是多级的，例如我们对收费站电子设备电源部分雷电保护而言，采取泄流型SPD与限压型SPD前后两级进行保护。

§为各级SPD之间做到有效配合，当两级SPD之间电源线或通讯线距离未达规定要求时，我们在两级SPD之间采用适当退耦措施。

§因武英高速收费站多设在郊区、山区的环境下，故在设计时选用过压型SPD时，考虑到网点供电电源不稳定因素，我们选用40/4、20/4、20/2型等合适工作电压的SPD。

§我们选用的信号SPD满足信号传输带率、工作电平、网络类型的需要，同时接口与被保护设备兼容。

§信号SPD由于串接在线路中，我们选用插入损耗较小的JXD-5、JXD-12、RSD24等信号SPD。

§正确的安装才能达到预期的效果。SPD的安装，我们严格依据厂方提供的安装要求进行安装，并且技术员均有着十多年丰富的安装经验。

3.2、等电位连接

a.实行等电位连接的主体应为：设备所在建筑物的主要金属构件和进入建筑物的金属管道；供电线路含外露可导电部分、防雷装置；由电子设备构成的信息系统。

b.实行等电位连接的连接体为金属连接导体和无法直接连接时而做瞬态等电位连接的电涌保护器（SPD）。

c.通过星型（S型结构或网形M型）结构把设备直流地以最短的距离连到静电地板下面的等电位连接带上，形成一个等电位均压环，同时让过电流更加迅速的泄流到大地。小型机房选S型（汪集、英山、杨柳管理处机房），大型机房选M型结构（总路咀管理处机房）。

d.我们将机房内所有桥架进行跨接，更好的达到屏蔽效果。

5 结语

随着电子设备的高速发展，以及电子设备在收费站的广泛使用，防雷对收费站设备来说已经时不我待，防雷系统的好与坏也直接关系到电子系统和人身的安全。我们严格根据国际、国内相关技术的发展以及国际、国家的有关设计规范去施工。与此同时，我们还必须提高对防雷工作的认识，积极研究现代防雷新技术，加强对防雷系统的维护。如有设备遭受雷击，应对损坏情况和原因进行调查分析，并根据分析结果，对防雷措施加以改进。 此外，防雷整改实施前对高度公路电子系统进行雷击风险评估也是极为必要的；每年雷雨季节前后，对防雷系统问题的排查和设备维护同样重要。

参考文献

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