隧道配套设施的雷电防护设计

陆人治 方 辉 李思遥

(1.浙江东方防雷工程有限公司,浙江杭州310017;2.杭州市市政设施监管中心,浙江杭州310011)

0 引 言

随着时代的进步,为缓解交通压力和缩短交通距离,许多城市交通都建有过江、穿湖与穿山隧道。杭州是著名旅游城市,随着大都市的规划,市政府把景区交通作为一个重点项目来抓,近几年完成了12条隧(地)道工程建设,隧(地)道建成后,大大缓解了杭州西湖风景区与周边地区之间的交通压力,对杭州旅游业发展意义重大。

杭州地理上有钱塘江、西湖及周边多山峦,属雷击多发地区。据统计,仅2005年就有五老峰隧道、灵溪隧道、北山路(岳庙)地下通道的监控设备、供电线路遭受雷击损坏,影响交通运行。由于早期隧道设计建设时,G B50343-2004防雷规范未颁布实施,隧道的配套设施(建筑、机电设备)防雷设施极不完善。每到雷雨天气,各控制中心只能采取暂时关停设备的方式来躲避雷击;在设备关停期间,隧道内行车安全事故就失去有效监控。因城市交通安全需要,随着杭州城市隧道配套设施雷电防护项目的招、投标,浙江东方防雷工程有限公司有幸进行雷电防护设计,本文就涉及隧道配套设施雷电防护相关分析、具体设计作以探讨。

1 隧道配套设施雷电环境分析

1.1 地理环境

历史气象资料统计表明：杭州地区年平均雷暴日为40 d,属雷电多发地域。某些隧道相对地域比较集中,如：玉皇山隧道、九曜山隧道 、吉庆山隧道、五老峰隧道、西湖隧道、灵溪隧道地处杭州西南侧,由于西湖三面环山,小气候使得局部气流运动多变,空间容易形成雷积云,产生雷电、暴雨等强对流天气,雷击发生概率极高。

1.2 雷击背景

据杭州市近些年雷灾资料收集、分析,西湖周边地域为杭州市两条雷击最频繁线路之一,沿湖方圆数公里,几乎每年都有单位建筑及弱电设备遭雷击的案例：2005年西湖景区雷击死人事件、隧道运行设备每年遭雷击即是最好的证明。

2 隧道配套设施防雷隐患

依据《建筑物防雷设计规范》G B 50057-94(2000版)、《建筑物电子信息系统防雷技术规范》G B 50343-2004、《中华人民共和国气象法》、《计算机信息系统雷电电磁脉冲安全防护规范》G A267-2000等有关防雷法规、规范要求,通过对隧道配套设施现场实地勘察,隧道配套设施主要雷击隐患有：

(1)杭州市隧道配套设施的建筑物防直击雷措施不够完善,部分设备接地电阻超标;

(2)部分隧道低压供电系统电源防浪涌保护措施不符合国家规范要求;

(3)部分隧道信号系统防浪涌保护措施不符合国家规范要求;

(4)机房未采取等电位连接措施;

3 隧道配套设施防雷等级划分

3.1 隧道建筑物防雷分类

3.1.1 雷击概率计算

按杭州市雷电活动强度计算雷击地面年平均密度[次/(km2·a)]：

式中 Td—当地年平均雷暴日,根据当地气象台资料取40。

计算建筑物雷击概率

式中N1—建筑物预计雷击次数(次/a)

k—校正系数(因位于湖边选取1.5)

Ae—建筑物雷击等效面积(由下式确定)

当建筑物高度 H小于100 m,其每边的扩大宽度D和等效面积Ae按下式计算:

其中:D—每边扩大宽度

L,W,H—建筑物长宽高(长、宽、高取区域最大值)

以某一隧道机房建筑长、宽、高分别为40,15,8(m)为例,由以上公式计算得雷击次数 N1:

N1=0.0423(次/a)3.1.2 防雷等级划分

根据国家现行《建筑物防雷设计规范》G B50057-94(2000版),建筑物的防雷分类根据其重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果,按防雷要求可分为3类。参照《建筑物防雷设计规范》G B50057-94(2000版)第2.0.4条第2款：“预计雷击次数大于0.012次/a,且小于或等于0.06次/a的省部级办公建筑物及其它重要或人员密集的公共建筑物”,比对计算所得预计雷击次数0.0423次/a,隧道建筑物防雷类别划定为三类。

3.2 隧道电子信息系统雷电电磁脉冲防护等级分类

3.2.1 室内入户设施年预计雷击次数 (N2)的计算

根据国家现行《建筑物电子信息系统防雷技术规范》G B50343-2004,

式中,Ng—建筑物所处地区雷击大地的年平均密度[次/(km2·a)]

Ae1′—电源线缆入户设施的截收面积(km2)

Ae2′—信号线缆入户设施的截收面积(km2)电源线:

(低压电源埋地线缆)Ae1′=2×ds×L×10-6;L取200 m,ds取100 m。

信号线:

(埋地信号线缆)Ae2′=2×ds×L×10-6;L取200 m,ds取100 m。

入户设施年预计雷击次数:

总预计雷击次数N=N1+N2=0.0423+0.232=0.2743(次/a)

3.2.2 可接受的最大年平均雷击次数 Nc的计算

因直击雷和雷击电磁脉冲引起信息系统设备损坏的可接受的最大年平均雷击次数(G B50343—2004录A)按下式确定：

Nc=5.8×10-1.5/C

式中:Nc—直击雷和电磁脉冲引起信息系统设备损坏的可接受的最大年平均雷击次数;

C—各类因子,C=C1+C2+C3+C4+C5+C6;

C1—信息系统所在建筑物材料结构因子,建筑主结构和屋顶结构均为钢筋混凝土材料,C1取1.0;

C2—信息系统重要程度因子,系统为集成化的低电压微电流设备 C2取3.0;

C3—信息系统设备耐冲击类型和抗冲击能力因子,本因子与设备的耐各种冲击的能力有关,与采用的等电位连接措施有关,与供电线缆、信号线屏蔽接地状况有关。本系统的设备耐冲击能力较弱,C3取1.0;

C4—信息系统设备所在雷电防护区(LPZ)的因子,由于系统所处区域电磁场强度没有衰减,应为于LPZ0B区,C4取1.5;

C5—信息系统发生雷击事故的后果因子,本信息系统中断不会产生严重后果,C5取0.5;

C6—表示区域雷暴等级因子。杭州年雷暴日为40 d/a,属于多雷区,故 C6取1.0。

由以上得 C=C1+C2+C3+C4+C5+C6=8.0

代入公式 Nc=5.8×10-1.5/C

3.2.3 电子信息系统雷电电磁脉冲防护分级计算

防雷装置拦截效率的计算公式:E=1-Nc/N

得:E=1-0.0229/0.2743=0.9165

根据《建筑物电子信息系统防雷技术规范》G B50343-2004第4.2.4条,“当0.90＜ E ≤0.98时,定为B级”的依据,隧道电子信息系统雷击电磁脉冲防护等级以B级设计。

4 现代防雷设计

4.1 现代防雷技术要点

现代防雷体系是在传统防雷技术的基础上充实了针对以信息系统为对象的室内防雷内容而形成的。现代防雷体系的要点是：在分析雷害途径的基础上,划分不同层次的防雷区域,采取接闪、泄流、接地、等电位连接、屏蔽和限压等各种防雷措施,全方位、多层次,统筹安排,综合治理,使之大幅度的提高外部建筑和室内信息系统的防雷可靠性。

雷电可能对信息系统造成危害的入侵渠道主要是：电源线、信号线和接地线。

雷电过电压防护的基本原理是在瞬态过电压的极短时间内,在被保护区域内的所有导电部件之间建立一个等电位,这种导电部件包括了供电系统的有源线路和信号传输线,也就是说为了对信息系统雷击电磁脉冲的防护,要用一种现代高科技电涌防护器(SPD)设置在供电、信号线路上,使在极短的时间(ns级)内,将可能产生高达千安级的雷电流从电源传输线和信号传输线分流或传导入地。

4.2 设计内容

杭州市隧道配套设施的防雷项目,非新建项目属改造性质,主要完善隧道配套设施的建筑物直击雷防护,配套设施的雷击电磁脉冲的防护及等电位连接接地设计。

4.2.1 直击雷防护 综合运用拦截(接闪器)、分流(引下线)、消散(接地装置)、等电位连接技术,构成一个完整的防直击雷体系;设置的避雷针保护范围以满足《建筑物防雷设计规范》G B50057-94(2000年版)规定的滚球法计算确定,被保护物确保在避雷针的保护范围内。

参考提前放电 ESE避雷针的工作原理,借鉴《建筑电气》2005年06期上海交大朱宇栋等学者“一种ESE避雷针的提前放电时间测试”文章结论：“在该标准规定的测试条件范围内ESE避雷针比普通避雷针的平均放电时间明显提前,值得注意的是这种提前放电时间受试验条件的影响较大”。以及北京雷电防护装置测试中心2009年9月20日检测报告的“提前放电时间与降低接闪电压”相关结论如图1所示。在杭州市隧道建筑物上空为不至于使局部雷云电荷积累形成过大的雷击强度,减弱隧道配套设施可能感生的过电压;防雷工程以社会效益为主兼顾经济效益,设计采用法国SATELIT提前预放电避雷针。

图1 SATELIT+ESE2500避雷针检测报告示意图

4.2.2 感应雷防护 隧道电子信息系统防护等级为B级,依据国标《建筑物电子信息系统防雷技术规范》G B50343-2004,及电涌的来源除了雷电之外还有电气设备的操作过电压(在电感性负载突然切断时,在电感元件中储存的磁场能量释放出来,变成为电场能量,产生很高的过电压,操作过电压虽然电压不高,但持续时间较雷电为长,而且发生的频度较雷电高得多,因此在敏感设备的电涌防护中也是应该考虑的);当电压开关型浪涌保护器至限压型保护器之间的线路长度小于10 m、限压型保护器之间的线路长度小于5 m时,在两级浪涌保护器之间加装退耦装置。当浪涌保护器具有能量自动配合功能时,浪涌保护器之间的线路长度不受限制。浪涌保护器有过电流保护装置和劣化显示功能。设计电源3级保护、信号一级保护形成对感应雷的有效防护,如图2。

B级：电源SPD相关参数如下：

第1级电源SPD：型号CRE-CD140,安装在隧道总配电低压侧;(标称电流 In:80 kA;电压保护水平Up:2.6 kV)

第2级电源SPD：型号CRE-CD80,安装在控制室、隧道内(风机、照明)分配电柜;(标称电流 In:40 kA;电压保护水平 Up:2.3 kV)

第3级电源SPD：型号CRE-CD40,安装在监控电源、车检控制电源、风速仪电源、COVI系统电源供电线路进线处;(标称电流 In:20 kA;电压保护水平Up:1.6 kV)

B级：信号通信线路、控制线路SPD相关参数如下：

监控视频信号SPD：型号CREX-BNC/05,安装在监控主设备视频线路端口;(标称电流In:5 kA;工作电压 UN:5 V)

监控、PLC控制信号SPD：型号CREX-J24,安装在监控主设备及PLC柜控制线路端口;(标称电流 In:5 kA;工作电压 UN:24 V)

火灾报警信号SPD：型号CREX-J48,安装在火灾报警柜控制线路端口;(标称电流 In:5 kA;工作电压 UN:48 V)

紧急电话、广播信号 SPD：型号 CREXJ110,安装在广播及紧急电话主设备线路端口;(标称电流 In:5 kA;工作电压 UN:110 V)

网络信号 SPD：型号 CREX-RJ45,安装在控制室服务器网络进线端口;(标称电流 In:5 kA;工作电压 UN:5 V)

图2 隧道口机房防雷设计示意图

5 结 语

隧(地)道内集成大量高灵敏、高精度的设备、仪器,由于设备的耐压值低,对过电压特别是雷电过电压较为敏感。本文从隧(地)道配套设施(建筑、机电设备)的特点出发,提出直击雷防护、供电线路的防雷、接地系统改造、等电位连接、综合布线等雷电综合防护措施,建立切实可行的雷电防护体系,并提出了采用优化避雷针等较为先进的防雷技术,确保隧(地)道内设备安全运行。

运行3年,无因雷击造成设备损坏而影响工作。

[1] 机械工业部.建筑物防雷设计规范G B50057-94(2000版)[S].北京：中国计划出版社,2000.

[2] 陈渭民.雷电学原理(第2版)[M].北京：气象出版社,2006.

[3] 苏邦礼.雷电与避雷工程[M].广州：中山大学出版社,1996.

[4] 四川省建设厅.建筑物电子信息系统防雷技术规范G B50343-2004[S].北京：中国建筑工业出版社,2004.

[5] 朱宇栋,雷徐嵩,吴 斌,等.一种ESE避雷针的提前放电时间测试[J].建筑电气,2005(06)：16-18.

[6] 北京雷电防护装置测试中心.SATELIT+ESE2500提前放电避雷针检测报告[R].2009-09-20.