高速公路电子系统雷电电磁脉冲防护

卓秀然，卓 勉 （.福建省气象局，福建 福州 35000；.福建升威电子工程有限责任公司，福建 福州 35000）

0 前言

高速公路是全立交快速干道，其线路走向、出入口和管理区大多分布在较恶劣的野外暴露环境中，易遭受到雷电危害，特别是高速公路的电子系统（包括通信系统、监控系统、电脑收费和闭路电视系统等）由于金属线缆连接的设备端口雷电浪涌耐受能力非常弱，极易遭受雷电电磁脉冲而引起设备损坏，甚至威胁到交通系统的正常运行。近年来，福建省高速公路电子系统每年均发生多次因雷击造成系统故障的现象，例如厦门某收费站2002年6月30日遭一次雷击，导致收费系统几乎瘫痪，损坏设备类型8种，累计金额达20余万元；2010年泉州某收费站遭受雷击导致收费站陷入瘫痪，影响正常交通达7 h之久。

本文根据实际工程改造经验，从影响的方式和途径入手，提出雷电电磁脉冲防护的要求，同时提出高速公路电子系统防雷管理工作的几点建议，希望能够为高速公路的防雷工作提供一定的参考和指导。

1 雷电电磁脉冲在信号电缆上的耦合机理

国内外雷击造成的危害表明，即使在距离雷击点2 km处，电子设备对于感应或者传导的浪涌电压或者浪涌电流仍旧很敏感。这样大面积的危害除了有现代电子设备比较脆弱的原因以外，主要是由于雷电电磁脉冲通过四通八达的连接电缆耦合产生过电压、过电流传导到电子设备端口造成设备损害。

浪涌电流在电缆中流动时，会产生纵向电压和横向电压。芯线和电缆金属屏蔽层之间产生的纵向电压施加在所连接的设备输入端和接地外壳之间 （共模电压）；芯线之间的横向电压施加在所连接设备的输入电路上（差模电压）。

下面就简要说明雷电电磁脉冲是如何通过阻性耦合、感性耦合、容性耦合耦合到连接电缆上的。

1.1 阻性耦合

如图1所示，雷击建筑物1，在其接地电阻上产生约100 kV的电位差，该幅值足以击穿设备1和设备2的绝缘。这样浪涌电流通过设备1沿着信号线流到设备2以及建筑物2的地网上，造成建筑物2的地电位抬升。

图1 阻性耦合

如果信号电缆屏蔽层两端接地，浪涌电流沿着屏蔽层流到建筑物2的地网上，同样造成其地电位升。建筑物2的地电位升又加到与其连接的其他电缆上，可能造成其他设备损害。

1.2 感性耦合

由于雷电流具有很大的幅值和波头上升陡度，能在所流经的路径周围产生很强的瞬态脉冲电磁场。根据电磁感应定律，这种变化的脉冲电磁场交链导体回路时，能在回路中感应出电动势，产生过电压和过电流。图2和图3给出了信号电缆可能发生电磁感应的例子。

1.3 容性耦合

图2 感性耦合（信号线的芯线之间组成感应环）

图3 感性耦合（信号线与地之间组成感应环）

当各类电缆上空有雷云生成并向下发展为下行先导时，由于雷云和先导通道的感应作用，在各类电缆内将出现反极性的感应电荷（见图4）。图4示出的是常见的负雷云对地放电，雷云以及下行先导的电荷为负，而在电缆中感应的电荷为正，电缆中的负电荷经泄漏电导入地。这些感应电荷的聚积速度取决于先导发展的速度，由于先导发展速度比回击速度小100倍以上。在雷击发生时，雷云以及下行先导的电荷迅速中和消散，而反极性感应电荷将失去束缚，但是这些电荷不能以与回击发展同样的速度来消散，因此形成了对地的过电压，如果在设备处发生闪络，将在电缆中形成浪涌电流。显然，电缆越长，对地电容越大，越易形成容性耦合产生过电压。

图4 容性耦合

2 防雷接地实施方案

2.1 直击雷防护安全要求

高速公路各类站点的直击雷防护措施应满足 《建筑物防雷设计规范》（GB 50057-2000）第二类防雷建筑物的相关规定。对于野外单独的机柜或者监控摄像头等设施应装设独立避雷针，并应设置简易地网用于雷电流的泄放。可在建筑物屋顶设置不大于10 m×10 m或12 m×8 m的避雷网格，避雷网应用直径不小于8 mm的圆钢，避雷网引下线不得少于2根，并沿四周均匀或对称布置，其间距不得大于18 m，接地点不得少于2处。对于屋顶的卫星接收器、天线等设施应架设避雷针进行保护。

2.2 地网实施要求

a）高速公路各类站点应采用联合接地，即将各个机房建（构）筑物的地网、配电设施（变压器等）接地装置等连为一体。当两建（构）筑物之间有电力、信号等线缆连接，且两者接地装置之间的间距在30 m以内时，必须采用热镀锌扁钢将两接地装置联为一体。

b）机房建筑物地网宜采用围绕机房建筑物的环行接地体，有建筑物基础地网时，环行接地体应与建筑物基础地网每隔5～10 m相互作一次连接。

c）接地体埋深不宜小于0.7 m （接地体上端距地面的距离）。水平接地体宜采用热镀锌扁钢，扁钢规格不小于40 mm×4 mm。垂直接地体宜采用长度不小于2.5 m（特殊情况下可根据埋设地网的土质及地理情况决定垂直接地体的长度）的热镀锌钢材，垂直接地体间距为垂直接地体长度的1～2倍，具体数量可以根据地网大小、地理环境情况来确定，地网四角的连接处应埋设垂直接地体。对于小型设施也可采用接地棒等新型接地装置。

d）接地体之间的所有连接，必须使用焊接。焊点均应做防腐处理（浇灌在混凝土中的除外）。接地体扁钢搭接处的焊接长度，应为宽边的2倍；采用圆钢时应为其直径的10倍。

2.3 信号电缆的屏蔽方案

a）对于新建站点，如果需要敷设大量电缆，可建立有笼状结构的电缆沟。电缆沟的钢筋必须焊接连通并且连接到建筑物的钢筋上。对于已经建好但是钢筋连通性不好的电缆沟，可在电缆沟内敷设1～2根热镀锌扁钢，扁钢两端与地网可靠连接。

b）敷设少量信号电缆时可采用套钢管地埋的方式，钢管两端可靠接地。

c）电缆屏蔽层必须两端可靠接地，为了使屏蔽层内的纵向屏蔽电流均匀分布以获得最大限度的屏蔽性能，连接端宜使用同轴连接器 （例如可接地的革兰Gland），连接器对屏蔽层能够提供360°的电接触。

d）对于已经建成的站点（大部分站点属于这种情况），重新埋设电缆沟或者穿钢管以及使用同轴连接器在施工上都存在很大的困难，此时可进行简单连接，即使用接地卡将电缆外层铠装接地，再辅以信号保护器的配合，也能保证设备的安全。

e）对于重要性比较高或者容易遭受雷击的电缆，应采用双层屏蔽或者套钢管的方式。如果条件有限无法实施，应在电缆附近沿线敷设一根热镀锌扁钢，扁钢两端与地网可靠连接。

f）连接电缆中闲置不用的空线对应做好接地处理。

2.4 机房内部的等电位连接实施方案

各站点机房宜优先采用网状连接，可在机房内部沿墙壁设置均压环（一般设置在机房地板以下），均压环截面积应根据最大故障电流或材料机械强度来确定，一般应采用截面积不小于160 mm2的铜排。该均压环从机房的四角用镀锌扁钢或截面积不小于95 mm2的多股铜线引出并和机房环形地网相连，所有连接皆采用焊接的方法并进行防锈蚀处理。机房内各设备应就近与均压环可靠连接。如果网状连接系统的实施或者改造有困难，也可以采用星形系统连接。星形系统连接只适用于设备所在区域面积较小的情况。

另外，机房的接地与等电位连接系统还可根据建筑物的结构、楼层面积、楼层数量和设备布置等实际情况采用网状－星形混合连接形式。

2.5 电源系统雷电防护

a）各类站点的电力电缆应埋地引入，避免架空方式入局。其交流电源系统的雷电过电压保护应使用分级保护，各级浪涌保护器（SPD）的防护水平，应符合本级保护范围内被保护设备的绝缘水平。

b）高压电力电缆入站时，埋地长度应大于200 m；低压电力电缆入站时，埋地长度应大于15 m（高压电力电缆已做埋地处理时，低压电缆的埋地长度可不做限制）。当埋地引入有困难时，应适当增加电源系统第一级过电压保护设备的防护等级。

c）具有金属护套的电缆入局时，应将金属护套接地。无金属外护套的电缆宜穿钢管埋地引入，钢管两端做好接地处理。

d）各类站点电源雷电过电压保护可参照以下要求。

（a）交流供电系统的第一级SPD（I/B级），可根据实际情况选择在变压器低压侧或低压配电室电源入口处安装。

（b）交流次级保护SPD（II/C级），可选择在后级配电室、楼层配电箱、机房交流配电柜处安装。

（c）交流精细保护SPD（III/D级），可选择在控制、数据、网络机架的配电箱内安装或使用拖板式防雷插座。

（d）直流保护SPD可选择在开关电源、直流输出输入端或用电设备端口处安装。

（e）直流集中供电或UPS集中供电的配电室，应分别在远端机房的（第一级）直流配电屏或UPS交流配电箱（柜）内安装SPD，集中供电的输出端也需安装SPD。

（f）向系统外供电的端口，以及从外系统引入的电源端口必须安装SPD。

e）各类电源SPD的使用应满足以下要求。

（a）在使用分级保护时，各级SPD之间应保持必要的退耦距离或增设退耦器件，以确保各级SPD协调工作。退耦器件的电感为8～12 μH，且额定工作电流应符合供电系统的要求；如果无退耦器件，氧化锌SPD与氧化锌SPD之间的退耦距离（电缆长度）应不小于5 m。

（b）在TT供电系统的站内，应使用“3+1”模式的交流电源SPD（即三相分别对零线用限压型器件保护，零线对地使用放电管（间隙）保护）。

（c）在电源SPD的引接线上，应串接保护空开（或保险丝），防止SPD故障时引起系统供电中断。保护空开（或保险丝）的标称电流不应大于前级供电线路空开（或保险丝）的1/1.6倍。保护空开应使用质量可靠、符合防雷要求的产品。

f）各类电源SPD的安装应满足以下要求。

（a）电源SPD的连接线及接地线截面积应符合表1的要求，材料为多股铜线。

（b）使用模块式SPD时，SPD接地线和引接线的长度应小于1 m。

（c）SPD的引接线和接地线，必须通过接线端子或铜鼻连接牢固，防止雷电流通过时产生的线芯收缩造成连接松动。铜鼻和缆芯连接时，应使用液压钳紧固或浸锡处理。

（d）SPD的引接线和地线应布防整齐，在机架上应绑扎固定，走线应短直，不得盘绕。

2.6 信号端口雷电防护要求

a）除了实施联合地网以及信号电缆屏蔽层两端接地等措施外，信号端口必须辅以SPD以进一步将过电压降到设备端口允许的范围以内。

b）各类信号保护器应具有线对地和线间的保护模式，并且其接地线应就近由被保护设备的接地汇流排（端）接地。

c）如果信号保护器为串联型，应注意使用相同的物理接口，并且其动作电压应和设备的工作电压相适应，一般应为工作电压的1.2～2.5倍，SPD的插损应不影响设备正常运行。

2.7 监控系统的防雷要求

a）环境监控和视频监控系统应根据情况对相应线路两端接口及设备电源进行过电压保护。当楼外的监控点不在联合地网范围内时，必须在信号线路及电源线路两端接口处安装SPD。

b）监控线缆的布放应避免使用架空线路，并采用屏蔽电缆或穿金属管敷设。电缆屏蔽层和外部屏蔽体应两端接地。

c）位于联合地网外或远离视频监控中心的摄像机，应分别在控制、电源、视频线两端安装SPD，云台和防雨罩必须就近接地。

d） 选择各类监控接口 （如RS-232、RS-485、RS-424、视频等）SPD时，应满足设备传输速率（带宽）的要求，SPD接口与被保护设备接口应兼容。

3 某收费站防雷改造案例

3.1 工程概况

某高速公路监控中心和外场票亭因地处雷雨天气多发地段，外场、监控系统设备易遭雷击损坏，无法保障现有运营需求。受该收费站所在高速公路公司的委托，福建升威电子工程责任有限公司前往实地进行防雷调查，发现该收费亭存在如下问题。

a）收费站顶棚未设避雷带、避雷针。

b）部分称重仪外壳未接地。

c）光端机传输机柜内的网络和视频端口未采取有效的防雷措施。

d）车道控制器内与称重仪串口连接处未采取防雷保护措施。

e）各票亭的接地线线径偏小。

f）机电房配电箱内无第一级开关电源保护。

g）二楼监控机房内各机柜未做等电位连接。

3.2 防雷整改方案

3.2.1 防直击雷

在顶棚上增设避雷带，顶部采用φ10 mm的圆钢（刷防锈漆）构筑避雷带，引下线采用φ10 mm的圆钢。（注：引下线应对称均匀布设，且引下线的间距不应大于18 m，具体做法视现场情况而定）。该收费站顶棚未设避雷针，应在顶棚4个角处增设避雷针。

3.2.2 防感应雷

a）在机电房配电箱旁加装1套80 kA （8/20 μs）SPD作为第一级SPD保护，防雷箱电源引接线长度和接地线长度均不大于1 m。

b）各票亭的接地线改用不小于16 mm2的地线就近接地。

c）部分称重仪外壳采取有效的防雷接地措施。

3.2.3 电子信息系统的雷电防护

a）各称重仪与光端机传输机的串口连接处加装信号防雷器。

b）传输柜内的网络和视频端口加装网络和视频信号防雷器。

c）二楼监控机房内各机柜做等电位连接。

4 高速公路防雷管理的几点建议

a）相关人员应加强防雷相关知识的学习、培训，充分认识雷电的特点、性质和危害，这样有助于提高对雷电防护的重视程度，避免形成对防雷工作的误解和抵触情绪。

b）切实落实高速公路防雷检测勘察工作。在每年雷季之前，选择具有相应技术和能力的检测机构，特别是在信息机电系统雷电防护具有相当经验的检测机构，对已经在运营的高速公路路段的机电工程存在的雷击事实和雷击隐患进行检测勘察，形成合理高效的防雷管理工作程序。对于检测发现的问题应及时进行整改。

c）高速公路机电工程在设计时应按防雷规范要求进行设计，施工时，应选有相应防雷施工资质的企业进行施工。

d）机电防雷系统建成并投入使用后，应将工程建设资料、每年的检测报告、整改设计文件等资料归档保存，遇到突发事件可随时调取进行查阅并分析原因。

5 结束语

高速公路电子系统的雷电电磁脉冲防护是一个系统工程，问题比较复杂，涉及的方面也比较多，应全方位重视、立体化综合防治。只有真正了解雷击产生的原因，积极探索电子系统防雷的各项措施和方法，才能有效地防止雷电引发的事故，防患于未然，将雷电带来的损失降低到最小，保证高速公路电子系统的正常运行。

［1］GB 50057-94 建筑物防雷设计（2000 年版）［2011-01-13］.［S/OL］.http://wenku.baidu.com/view/a242eb868762caaedd33d4ce.html.

［2］GB 50174-2008电子信息系统机房设计规范 ［2011-01-13］.［S/OL］.http://wenku.baidu.com/view/ba76182fed630b1c59eeb59a.html.

［3］YD 5098-2005通信局（站）防雷与接地工程设计规范［2011-01-13］.［S/OL］.http://wenku.baidu.com/view/889905c52cc58bd63186bdf 5.html.

［4］GB 50343-2004建筑物电子信息系统防雷技术规范［2011-01-13］.［S/OL］.http://wenku.baidu.com/view/e6ac62232f60ddccda38a0f8.html.

［5］JGJ/T 16-2008 民用建筑电气设计规范［2011-01-13］.［S/OL］.http://www.docin.com/p-33817356.html.

［6］IEC 61312 雷电电磁脉冲的防护［2011-01-13］.［S/OL］.http://www.jifang360.com/news/2009527/n2818310.html.

［7］GB/T 50311-2007综合布线系统工程设计规范 ［2011-01-13］.［S/OL］.http://www.jifang360.com/news/2009826/n99741839_4.html.