高速公路机电设备防雷技术探讨

2010-08-15赖伟勇

科学之友 2010年22期

赖伟勇

（广州北环高速公路有限公司，广东广州 510000）

随着科学技术的快速发展，高速公路中广泛地应用了各种电子设备，其机电信息系统既包括有大量通信、收费、监控设备的弱电设备系统，还包括包含供配电照明等设备的强电设备系统。由于电子设备一般绝缘强度低，且过电压耐受力差，极易受到雷电的袭击：此外，高速公路一般地域广、所穿越的地形较复杂，也容易受到雷电的干扰。以往在高速公路的设计和施工中，机电设备的防雷接地问题常被忽视，导致机电系统中存在众多的防雷薄弱环节，机电设备受雷击的事故时有发生，造成了部分机电设备的损毁，甚至整个系统的瘫痪，从而严重影响交通运输的正常运行和安全。因此，加强对高速公路尤其是机电设备的防雷接地保护势在必行。

1 雷电对高速公路机电设备的危害

雷电是一种常发自然现象，通常因大气中热空气与冷空气摩擦而产生带有不同电荷的小水滴，当这种正负电荷达到一定值时，因不同极性的云团之间、云团与地之间存在强大的电场，从而产生云团之间以及云团对大地的放电现象，具有电压高、电流大等特点，很容易破坏电子设备，已经被国际电工委员会列为电子时代的一大公害。

雷电作为一种具有极大破坏力的强干扰源，造成高速公路机电设备损害主要有以下2类：①直击雷，雷电产生时的巨大电流，使地电位瞬间升高，巨大的电位差作用可以造成设备、建筑物的损害和人员伤亡；②感应雷，感应雷电流可以通过电源线缆、通信线路以及卫星天线等途径侵入机电设备房内，尤其以电源电缆感应雷最为突出，对机电设备的弱电电路进行冲击，造成弱电设备烧毁的严重事故。

2 高速公路机电设备接地技术

对于直击雷，其防护通常是通过使用避雷针、避雷带、避雷线等作为接闪器，把雷电流接收下来后，通过接地装置将其安全地送回大地。对于感应雷，则是通过等电位连接、屏蔽、正确可靠的接地等进行相应的防护。可见，无论是直击雷还是感应雷，都需要有一个良好的接地系统，因此，以下主要讨论高速公路机电设备的防雷接地技术。

2.1 防雷接地

当高速公路建筑物被雷电击中后，就有可能对建筑物内部的机电设备造成直击过电压和感应过电流的危害。为了保证雷电击中建筑物后，雷电能量能够安全地泄入大地中，因此将装有机电设备的公路建筑物、内部弱电设备、电源线路、网络通信等系统均与防雷接地装置做有效的防雷金属连接。综上分析，对高速公路机电设备控制机房内弱电系统的综合防雷接地系统可以采取以下综合布线方式。

2.2 交流电源防雷接地

变压器是机电设备交流电源的提供单元，由于变压器通常安装在室外，与上一级电网直接连接。当线路发生雷击时，雷击感应电流就会通过输电线路向变压器冲击，为了保证系统变压器和系统机电设备的安全，通常采用将变压器中性点直接接地运行方式，在正常工作时，可以向机电设备提供220 V相电压电源，当发生线路雷击事故时，可以有效地进行跳闸保护，保证高速公路机电设备的安全。

对于没有装设隔离变压器而直接采用就近供电电源的机电系统，为了防止供电线路发生雷击而使机电设备遭到破坏，可以在弱电设备电源系统和设备供电电源间加装电涌保护器SPD，将雷击电磁脉冲所带来的瞬时过电压通过分流方式降低到弱电设备允许的范围内。

2.3 机电设备保护接地

机电设备在正常工作时是一个带电体，同时也是人操作控制的主要设备，当机电设备运输过程中发生碰撞或使用时间过长都可能导致设备绝缘损害，此时如果运行管理人员没有发现此隐患，而与设备金属外壳直接接触时，由于人体是导电体，就会在机电设备/人/大地间形成一个电流通路，电流就会通过人体流入大地，导致运行人员发生触电危险。为了避免发生触电危险，通常对机电设备正常运行时不带电的金属部分通过保护接地装置与大地有效连接。当发生设备绝缘破损时，泄漏电流就会通过人体和接地装置两回路向大地泄流，如果接地装置的电阻远小于人体电阻时，泄漏电流通过人体的电流就很小，就可以把泄漏电流有效控制在安全范围值下，通常要求机电设备保护接地电阻小于1 Ω。

2.4 直流工作接地

随着电力电子技术的不断成熟，利用计算机技术、通信技术等组成的高速公路控制系统的综合自动化程度有了飞速的发展。计算机、电子集成电路、微电子等电子器件已成为高速公路机电设备的核心。由于弱电系统的工作电压通常采用直流电源，其弱电设备对电源要求很严，当供电电源出现波动时，就会给弱电设备带来巨大的干扰，严重时会烧毁弱电系统中的弱电设备。弱电系统接地可以保证所有微电子设备工作于同一低压直流系统中，有效地稳定电路的电位，防止外来电源对系统的干扰。同时弱电设备共同使用一个接地系统，保证了信号传输过程中选用统一的电位参照点，有利于设备间数字信号和模拟信号的传输，有效地衰减各弱电设备间数模转换带来的各种电磁干扰，提高了系统数据信号的处理速率和信号传递的准确性。建立联合接地系统已成为现代高速机电弱电设备高效工作的有利保障。在高速收费站中，为了数据信号的统一，收费车道、监控机房、数据反馈屏及配电房等公路服务设施的所有机电设备的接地系统形成一个联合接地系统，同时为了保证接地的可靠性，机电设备采用不少于两处的金属4～40 mm扁钢带有效接地，防止雷击电流泄底后地电位反击冲击机电设备。在形成完整的接地防雷系统，应根据相应的规范进行相关的试验，若接地电阻达不到要求，应架设人工接地体配合建筑物钢筋作为一个联合接地网。

3 高速公路机电设备防雷技术措施

3.1 直击雷防护

对于高速公路收费车道、监控机房、数据反馈屏及配电房等长期暴露在空气中的建筑物，应设立完整的直击雷的防护，通常采用避雷针、避雷线作为接闪器，利用建筑物天花板中的钢筋作为避雷网，用建筑物中的基础梁主钢筋作为防雷引下线将雷电流引入大地，达到对机电设备直击雷的防护。

3.2 感应雷及雷电波侵入防护

感应雷是防雷系统中的难点之一，由于感应雷电流可以通过电源线缆、通信线路以及卫星天线等途径侵入机电设备房内，尤其以电源电缆感应雷最为突出，因此对于感应雷的防护，系统电源防雷是难点。

3.2.1 电源部分防护

在弱电设备正常工作所需的电源，是通过电源逆变系统将交流电源转换为机电设备所需的直流电源系统，通常为了防止感应雷对微电子设备的冲击，在逆变器前端加装隔离变压器，并在隔离变压器进出电源两端加装SPD（Eg涌保护器）。电子元件耐压水平通常在额定电压的2倍左右，当发生雷击瞬时电压时，电涌保护器就会将感应电压有效限制在700 V以下，将浪涌电压限制到电子设备安全电压范围内。

3.2.2 设备接地

高速公路机电设备有效接地可以保证设备的正常安全运行，建立联合接地系统大大提高了机电设备的抗干扰能力，促进高速公路监控、收费、指示等功能安全可靠运行。