浅谈茂湛高速公路机电系统的防雷保护

摘 要：高速公路机电系统既有强电设备又有大量的弱电设备，极易遭受雷击，给高速公路运营管理带来极大的不便。文章简要介绍了茂湛高速公路防雷系统的设计原则及设计方案，并提出了有效的建议。

关键词：高速公路；机电系统；防雷保护

中图分类号：U417.7 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2012）06－0038－02

高速公路机电系统主要包括收费、通信、监控设备的弱电系统，也包括供配电照明设备的强电系统。由于高速公路在远离市区的郊外，所涉地域广，距离长，穿越地形复杂，机电系统设备极易遭受雷击，将导致系统无法正常运行，造成一定的经济损失，给高速公路运营带来影响，因此高速公路防雷保护非常重要。茂湛高速公路是国家两纵两横公路主骨架同（江）―三（亚）国道主干线的一段，起于广东茂名市电白县坡心镇，终于湛江市遂溪县黄略镇，全长82.3 km。其道路全程均为雷电频繁发生地区，对其机电工程的防雷保护是日常设备维护的一个主要工作，在对该路段的防雷设施检测过程中，积累了一些对机电工程防雷保护的经验，以供交流。

1 高速公路雷电的危害性

雷击对机电工程电子设备所造成的危害主要有以下3个方面：

1.1 直击雷

雷电直接击在设备上（主要是外场设备），它的高电压和大电流产生的电磁效应、热效应、机械效应对设备造成直接损坏。

1.2 感应雷

雷电直接击在建筑物防雷装置或建筑物附近，由静电感应或电磁感应而引起的过电压。

1.3 地电位反击

接闪器放电时，引起接地极地电位上升，对设备产生反击。主要损害用金属电缆与本建筑以外相连的成对设备。

2 高速公路机电工程防雷设计的原则

必须贯彻整体防护的思想，结合公路沿线的实际情况，综合运用分流（泄流）、均压（等电位）、屏蔽、接地等各项技术，构成一个完整的防护体系。

（1）将整个机电系统作为一个整体保护对象来考虑防雷保护。既考虑各个子系统的防雷保护，又考虑各个弱电子系统之间及其与供配电子系统之间的有效衔接，做到安全可靠、经济合理。

（2）根据雷电保护区的划分原则，确立高速公路机电系统雷电过电压分级保护的思路。

（3）根据雷电的3种途径分别采取措施，并结合传统防雷手段（保护、屏蔽、分流、均压、接地），实施重点防雷。根据目前高速公路机电系统的实际情况，将防护感应雷作为重点防护方案。

（4）根据高速公路所处的地理环境特点及机电设备所处的雷电保护区域范围，选择合理的SPD电气性能参数和产品功能。

3 茂湛高速公路机电系统的防雷措施

3.1 分中心及收费站防雷

茂湛高速公路全线共7个收费站，服务区2个，茂湛高速公路监控分中心在湛江市遂溪县遂城镇。收费站及监控分中心内有大量运行的电子、微电子设备，是整个高速公路的指挥调度枢纽，地面较为空旷，因此防雷保护尤为重要。依据《建筑物防雷设计规范》（GB50057－94）的建筑物防雷分类标准，监控分中心及收费站划为第二类防雷建筑物。

（1）外部防雷：收费站及收费分中心采用大楼建筑物的结构钢筋构成等电位的“法拉第”笼，采用联合接地，在大楼设计时统一考虑接闪杆、引下线及接地系统，接地电阻≤1 Ω。

（2）电源防雷：根据分级保护的原则，在变电站低压出线入总配电柜前安装第一级冲击电流Iimp（10/350 μs）≥12.5 kA、电压保护水平Up≤2.5 kV的60 kA电源浪涌SPD；在收费、通信等电源室总进线端每路安装第二级冲击电流Iimp（10/350 μs）≥10.0 kA、电压保护水平Up≤1.5 kV的40 kA电源浪涌SPD。

（3）内部防雷：在机房的防静电地板下，沿墙根敷设均压带，均压带采用≥75 mm2紫铜带或30 mm×3 mm铜带作为主材。将主材沿墙环绕一周，并依照防护等级要求，形成闭合网格状态，网格大小应在3 m×3 m内，并与接地汇流排可靠连接。将机房内的配电箱金属外壳、电源地、避雷器地、机柜外壳、金属门窗和管道、电缆屏蔽层等，均接在接地汇流排上，形成联合接地。同时用35 mm2的铜缆作为引下线接至地网上。

3.2 收费广场防雷

（1）外部防雷：收费大棚采用联合接地的方式进行接地处理，利用金属屋面作为接闪器，并设置辅助防雷地网。辅助防雷地网的网格为5 m×5 m，用料是4 mm×40 mm扁钢和5 mm×5 mm×50 mm角钢，两端与收费站及收费车道的环形地网相连，连接点不少于两处。另外，还利用建筑物每根柱子内的主钢筋作为防雷引下线与地网相连，此设计实现了地网均压等电位，能有效的防止地电位反击。

（2）电源防雷：在每个收费站内引出至收费广场的电源线出口处每路安装40 kA的过电压保护器，并在此电源线引至收费广场的进线端处安装同样的过电压保护器。用来防止收费广场与收费站之间落雷产生的过电压将站内或收费广场内的设备损坏。

（3）内部防雷：每个收费亭下均设置接地汇流排，亭内所有设备外壳均用35 mm2的铜缆接到接地汇流排上，从汇流排上单独用导线就近接至地网。

3.3 信号及数据防雷

（1）在摄像机的馈线两端安装相应型号的10 kA的双绞线信号过电压保护器以及视频信号过电压保护器。

（2）在车道设备的信号线两端安装双绞线信号过电压保护器。

（3）在服务器接口处安装网络信号过电压保护器。

3.4 外场设备防雷

由于外场设备遍布全路段，点多、线长、面广，各类电力线、信号线要穿越复杂的地质层面，遭受雷击的可能性极大。外场机电设备主要包括摄像机、可变情报板、气象检测器等，在设计中，在设备顶部安装接闪杆，当接闪杆接闪时，引下线对地泄放雷电流，在其周围产生强大的电磁场，并通过耦合在电源线、视频线、控制线中形成感应过电压将设备烧毁。还应将设备的外壳接地，将电源线、视频线、控制线用金属软管屏蔽起来，底端接地，以减少泻放电流的影响。尽可能采用光纤和光传输设备，如收费广场到收费站机房的收费数据、收费亭的图像传输就可以使用光纤传输，防止雷电过电波的侵入。

4 结束语

防雷保护是衡量高速公路机电设备安全是否完善的一个重要指标和使设备正常运行的重要保证，在设计、安装防雷保护时，要综合考虑地理、地质、土壤和沿线雷电活动规律，同时，每年对防雷装置进行检测，确保防雷装置的有效性。

参考文献：

［1］建筑物电子信息系统防雷技术规范［S］（GB50343－2004）.

［2］建筑物防雷设计规范（2010版）［S］（GB50057－1994）.

On the Lightning Protection of Electrical and Mechanical System in Maozhan Highway

Liu Zhijiang, Li Xing, Ye Ming, Zou Zhihuan

Abstract: The highway electromechanical system has both strong electric equipment and a large number of electronic equipment, which is especially vulnerable to lightning and brings great inconvenience to the highway operation and management. The article briefly describes the design principles and design programs of lightning protection system in Maozhan highway, and proposes effective recommendations.

Key words: highway; mechanical and electrical system; lightning protection