郑少高速公路监控设施雷电防护设计

摘要 雷电是伴有雷鸣和闪电的天气现象，形成雷电的雷雨云带有大量的电荷，当电荷积累到一定程度时，就会向其它带异性电荷的云或向大地发生迅猛的放电现象。最近十几年来，国内高速公路监控设备的应用日益广泛，但由于高速公路监控系统的电磁兼容能力低下，抗雷电电磁脉冲过电压的能力十分脆弱，在闪电环境下易损性较高，雷击伤害已成为高速公路监控系统的一大危害，引起了高速公路运维企业的普遍关注。

关键词 高速公路；监控设备

中图分类号 TM862 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2013）012-0059-01

防护设计由于高速公路监控系统的各项设备及线路普遍安装、敷设于高速公路沿线、高速公路收费站区和高速公路服务区，高速公路又大多远离市区且周围空旷，这就造成了监控系统极易遭受雷击，影响高速公路的正常运行。因此加强监控系统的防雷保护，在高速公路监控机电系统建设中就显得尤为重要。本文以郑少高速公路监控防雷系统为例，介绍高速公路监控系统如何设计雷电防护。

1 雷电对监控系统的侵害途径及破坏方式雷电对高速公路监控系统的危害主要有以下几种：

1）直击雷，是指雷电直接击中外场设备上造成的设备损坏或雷电直接击在信号线或供电线路上造成线缆熔断或线路绝缘层烧焦。

2）雷电波侵入，设备的信号线、电源线或进入室内的金属管线遭到雷击或被雷电感应时，雷电波沿这些金属导线侵入监控设备，造成电位差导致设备损坏。

3）雷电感应，当雷击中避雷针时，其引下线周围会产生强烈的瞬变电磁场，处于此类电磁场中的各类设备和线路会感应出较高的电动势，这种现象叫电磁感应。当有带电的雷云出现时，在雷云下面的建筑、线路上都会感应出与雷云相反的电荷，这种现象叫静电感应。电磁感应和静电感应统称为感应雷，又叫二次雷，它要比直击雷发生的机率大得多。

2 高速公路监控设施防雷保护设计用电设施防雷保护措施有很多种，例如接闪器、引下线、接地装置，并使用共地、等电位连接、屏蔽及电涌保护器（SPD）等。防雷保护需要对整个系统整体进行全面的考虑和设计，而不能某一个单一设备来完成，通过系统的防雷措施限制雷电对设备的影响，使其达到所需的防雷保护能力。高速公路监控系统防雷设计主要保护的主要对象为监控中心以及高速公路外场监控设备，不同的设备根据设备的重要性及所处的雷击环境的不同所采用的防雷措施也不同。高速公路监控中心一般都设置在具有良好的防雷保护能力的专用建筑物内，建筑物顶部一般都设有避雷针、避雷带等直接接闪器，用以防止直接雷对建筑物及内部设备的破坏。其次，监控中心专用建筑物一般都具有完善的接地系统和等电位连接设备，侵入或感应的雷电流因为这些防雷设施的保护能够最大限度地被泄放或分流，使监控中心的每个监控设施设备直接承受的脉冲残压较小。所以在专用建筑物内的监控中心设备只需要考虑此类感应或侵入雷电流的防护即可。由此可见，设施设备的外部防雷是系统防雷保护的基础，它能够使电子设备处于一个良好的防雷保护区域内。但是，对于没有任何建筑物保护的外场的监控设备来说，因其直接暴露在雷击的威胁之下，防雷保护措施就需要特别对待。不同的外场设备因其所处的环境不同、雷击条件的不同能够分为2种：一种是易受到直接雷影响的设备；另一种是很少受到直接雷影响的设备，前者因所处位置的原因，直接受到直接雷的威胁，需要为其设置避雷针、引下线等直接接闪设备，且外场设备都在防护外壳的保护之下，被雷电直接击中的几率较小，但是依旧无法避免反击雷、感应雷对这类设备的破坏作用，必须使用可以泄放直接雷的等级较高的电涌保护器和接地系统。通过第一级的泄放，雷电流能量被大部分削弱，但存在于线路中的残压对其仍有较高的危害，需要设置第二级电涌保护器来把残余的雷电流彻底泄放。第二种外场监控设备很少甚至不会受到直接雷的威胁，其受到的威胁多为感应雷和电磁脉冲的侵入，这两种威胁与直接雷相比，对监控设备的破坏作用较小，通常情况下只需设置一级电涌保护器就可以达到防雷要求。但是在进行工程设计时，应根据现场的实际环境、条件，区分对待。高速公路监控设施都存在电磁脉冲入侵的威胁，不管是处于严密保护的监控中心或是外场的各类设备，雷电流均可以通过设备的电力电缆、通信电缆侵入监控设备系统，对设备造成损坏。正因为如此，监控设备的供配电电缆和通信线路也要采取符合要求的防雷方案。对线路的防雷保护主要有三个方面：1、为了防止雷电在线路上感应出过电压电磁脉冲，需要对供电及通信线路采用屏蔽层保护措施，并在线路两端做屏蔽接地处理。2、在电缆进出建筑物的位置采取屏蔽层接地等措施。3、为了防止雷电流通过通信线路侵入设备，需要在关键设备通信端口前加信号浪涌保护器等设备。

3 郑少高速防雷设计方案郑少高速公路监控系统由外场设备、传输线缆、监控中心设备组成。监控系统的防护措施主要包括：

1）前端设备的防雷。前端设备主要有监控摄像机、气象检测器、车辆检测器、道路环境检测器等。对它们的防护主要采用接闪器（避雷针或其它接闪导体）防护。为防止雷电波沿线路侵入前端设备，应在设备前的每条线路上加装合适的避雷器，如电源线（220V或DC12V）、视频线、信号线和云台控制线。对于其他如车辆检测器等无架设立杆、高度很低的设备，各线路应加装相应避雷器及做好地线即可。

2）传输线路的防雷。监控系统传输线路主要有通信电缆、光缆及电源线等。传输线路的防雷主要采用金属屏蔽方式防护。高速公路沿线基本都修建有专用管道，其线缆大多采用管道敷设方式，没管道的部分采用直埋方式。对于直埋和管道敷设，传输线路一般采用带屏蔽层的线缆或线缆穿钢管埋地敷设，利用各种金属屏蔽体来阻挡和衰减加在计算机等设备上电磁干扰和过电压能量。对于采用波纹管或塑料管的，可在电缆进入终端和前端设备前加埋钢管保护，埋长钢管长度不小于15米，在终端将电缆的金属外铠、钢管连同防雷接地装置相连。

3）监控中心的防雷。由于监控中心监控设备众多，主要由计算机系统、电视墙系统、视频切换系统等多种系统构成。在高速公路监控系统的防雷设计中，监控室的防雷是最重要的也是最全

面的，要从直击雷防护、雷电波侵入、等电位连接和电涌保护多方面进行设计：①监控中心所在建筑物应有防直击雷的避雷针、避雷带或避雷网。②进入监控室的各种金属管线应与防感应雷的接地装置相连。③架空电缆线直接引入监控中心时，在电缆入户处加装避雷器，并将线缆金属外铠及自承钢索与接地装置相连。④监控中心内设置与建筑物防雷接地等连接到一起的一等电位连接母线（或金属板），防止电位差。⑤电涌保护器（避雷器）的接地线应与等电位连接母排进行电气连接，并保证最直和最短的距离。

综上所述，一般来说防雷接地线不宜过长，当防雷接地线超过30米，其防雷效果仅为50%，如接地线超过50米，其防雷效果就几乎为零了，同时相邻两组地网间不超过20米，应采用共网处理。单个设备采用专用接地装置时，其接地电阻要小于4Ω。系统采用综合接地网时，其接地电阻要小于1Ω。一般来说，监控中心大多采用综合接地的方式。总之，防雷保护是一个系统性的复杂问题，在高速公路监控系统的设计中，不仅要做好对系统所处的地理环境的考察，还要做好线缆敷设、屏蔽、接地地网等方面设计，最后针对现场实际对各类避雷器作出合理选择，这样才能收到良好效果。

参考文献

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