金丽温高速公路温州段隧道设备雷击事故浅析

吴晓伟 王永振 蔡坚健

(1.浙江省防雷中心，浙江 杭州310017;2.浙江金丽温高速公路有限公司，浙江 杭州310005)

0 引言

2008年8月浙江金丽温高速公路全线机电系统进行防雷整改，整改结束后，仍发生了多起隧道弱电设备雷击情况，其中木西岙隧道尤显严重，给高速公路的正常运行带来很大安全隐患。根据高速公路管理中心相关人员反映，发生在隧道的雷击事故情况有两种:一是在SPD未损坏的情况下，可变信号远程控制系统的编码转换器、PLC通讯端口、隧道口摄像机等设备损坏;二是设备运行正常，而线路中的电涌保护器损坏。金丽温高速公路管理中心多次组织整改，包括对地电位反击的处理、提高相应线路上的电涌保护器通流量等，但效果仍不理想。本文从理论角度分析引起以上雷击事故的原因，提出整改措施。希望能为类似防雷整改项目提供一些意见建议。

1 隧道设备与雷击事故简况

以木西岙隧道为例(如图1所示):木西岙隧道为过山隧道，长度约400 m。隧道口有变配电房和UPS控制机房。变配电房方面:附近的10 kV高压电网拉到变配电房变压器(箱式变电站)变380 V后，通过分配电柜供设备使用，配电房自备柴油发电机。隧道内配电:隧道内系统设备主要有风机、广播、监控、照明、信号灯、风速仪、CO浓度探测等。隧道口设备:可变情报板、可变限速标志灯、立杆式监控摄像机、流量仪、测速仪等。

图1 隧道外设备布局简图

历史气象资料统计表明，温州地区年平均雷暴日为51 d，属于高雷区。2008年的防雷整改中，针对隧道的防雷整改措施有:变电所及UPS机房的直击雷防护、隧道设备供电线路的电涌防护、机电系统设备的等电位接地(含控制线路的电涌防护)。防雷整改后，在4—9月雷雨季节，木西岙隧道损坏设备有RTU(区域控制器)，照明控制PLC(如图2)，隧道口可变限速控制单元，隧道内摄像机(如图3)。这些弱电设备中尤其以隧道口可变限速控制单元雷击事故率最高。只要是雷雨天气，可变限速控制单元均发生不同程度损坏。

隧道口可变限速标志是分布在隧道两头，一头一个，一头可变限速标志与隧道内设备间距离大约30 m，另一头大约430 m。供电和通讯线路布线分开并通过管道敷设，电力电缆用的是钢管，通讯电缆用的是PE管，隧道内摄像机是用视频线传输视频信号到UPS房光端机。监控设备都是由UPS供电，其它的通讯电缆敷设基本都在房间内部。

图2 PLC内频繁损坏的端口

2 雷击事故原因分析

2008年浙江金丽温高速公路全线机电系统防雷整改中，针对供电线路、通讯线路设置了完善的电涌保护装置，可以说电涌保护器设防覆盖了全部的系统线路(如图4所示)。

图3 隧道口摄像机

2009年雷击事故发生后，建设单位和施工单位及时组织相关人员现场勘查分析，提出一些补救措施。

措施一:把先前共地的高压电网接地和用户内部接地分开各自独立，达到接地电阻都小于4Ω。可是效果并不理想，雷击还是会损坏设备。

图4 高速公路隧道机电系统雷电防护图

措施二:提高安装在损坏设备线路上的电涌保护器通流量，增加其内部一个元器件的功率。改造后效果比较明显，但过了3个月左右一次雷击过程后新更换上的SPD还是基本被损坏。而后再更换，SPD仍有出现损坏的情况，设备都还正常运行。

从第一项补救整改结果看，各系统间的共地和独立接地不是造成雷击事故的根本原因。从第二项补救整改结果看，设备供电、通讯线路是存在雷击过电压的;安装在系统线路的SPD被击坏，SPD起到了保护设备的作用，但SPD的经常性损坏也会对系统设备带来安全隐患，同时也造成维护成本的增加。

那么是什么原因引起的这些系统设备经常性雷击损坏呢?

首先，从直击雷防护角度分析。温州市年平均雷暴日为51 d，属于高雷区。隧道处于山地环境，雷暴日明显多于市区。隧道变电所和UPS控制机房按照要求实施了直击雷防护，从局部来说是满足了防直击雷要求。

其次，从电源线路雷电侵入分析。引入隧道变电所的高压电源线路为架空线，由变电所进入隧道的供电线路采用埋地穿金属管敷设，且在低配端安装了B级电涌保护器，在UPS机房电源配电柜、通讯控制柜、UPS电源线路安装C级电涌保护器，考虑到雷击环境的恶劣情况，在各系统现场控制端也安装了D级电涌保护器。变电所接地网、UPS控制机房接地网、现场设备接地实施了共地等电位连接。接地电阻为1.2Ω。实践也证明，供电线路的电涌防护是可靠的、合理的。

再次，从通讯线路雷电侵入分析。这些通讯线路均由隧道口或隧道内的信息采集器采集信号，工作电压24 V。这些模拟信号通过现场控制器转换为0～20 mA数字信号，这些数字信号通过通信电缆传输到UPS控制机房的控制单元模块集中处理，处理后的信号再通过光端机转换通过光缆传输到高速公路管理控制中心。由于光缆加强筋接地后对空间电磁辐射具有较好的屏蔽作用，现场控制器和UPS控制机房的控制单元模块雷击损坏及其线路上安装的电涌保护器损坏充分说明了从现场控制到机房集中控制的通讯电缆是雷击事故发生的关键点。

根据防直击雷设计保护原理，雷电不会直接击中隧道内通讯线路。雷击损坏设备及电涌保护器是雷击产生的感应过电压、过电流引起的。根据GB 50057—2000第6章推荐的计算雷电电磁场的公式及法拉第定律:

距雷击点Sa(m)的磁场强度

μ 为真空磁导率，μ =4π·10－7N/A2

感应回路面积S与磁感应强度B的乘积是变化的磁通量

根据法拉第定律，取短时雷击的波头时间T1，则线路上叠加的感应电压

对于平行敷设的电源、通讯线路，S是线路长度l和线路间距d的乘积;隧道口控制箱距离UPS控制机房的距离l取30 m，信号线平行间距取 0.5 m;

首次雷击i0取150 kA，波头时间 T1取10μs;首次以后雷击i0取37.5 kA，波头时间T1取0.25μs;根据雷击点Sa的不同，回路上的感应电压也会不同(见表1)。

表1 雷击点与线路感应电压的关系

在防雷整改中通讯线路选用的电涌保护器额定工作电压为24 V，最大持续工作电压为27 V，标称放电电流为5 kA，电压保护水平线－线为60 V，线－地为30 V。而通讯线路工作电压为直流24 V，信号为0～20 mA数字信号，通过理论计算值和电涌保护器参数的比较发现，电涌保护器选取的参数与实际雷击情况不匹配，就无法对线路雷击感应电流、电压起到很好的防护效果。

3 故障解决措施探讨

通过理论分析计算，线路上产生的雷击感应过电压、过电流是引起系统设备和SPD损坏的主要原因。如何降低线路上产生的雷击过电压、过电流是解决这些雷击事故的关键。合理的屏蔽措施能大大改善雷击情况，若能从根本上改变线缆的材料是最好的选择。如将通讯电缆穿金属管并两端接地，这样的屏蔽处理方式能从很大程度上减小线路感应过电压、过电流的强度。条件允许的可根据当地雷电监测资料，详细了解该区域最大雷击强度，通过理论计算空间电磁场强度和线路上可能感应的过电压、过电流强度，从而选择适配的电涌保护器和合理的屏蔽措施。对通讯线路，将传输电缆更换为光缆能从根本上改善线路引起的雷电感应侵入。建设单位把问题最为严重的木西岙隧道的隧道口可变限速标志通讯改为光缆，到目前为止没有发生过一起雷击事故。

4 结语

随着电子计算机技术、微波、光通信技术日益发展，各类电子设备在高速公路机电系统中大量应用，雷电感应到附近的导体中形成过电压，可高达几千伏、上万伏，对微电子设备的危害极大。雷电的主要侵入通道有电源线路、各类信号传输线路、天馈路线和进入系统的管、缆、桥架等导体侵入设备系统，造成电子设备失效或永久性损坏。因此，雷击电磁脉冲的防护是在入侵通道上将雷电流泄放入地，从而达到保护电子设备的目的。其主要方法是采用隔离、均压、滤波、屏蔽、过压过流保护、接地等方法。因此要设计具体的高速公路的防雷系统必须充分调查，因地制宜，并合理应用各种防护措施，才能保证各设备及系统的正常运转，避免雷击造成设备的损坏及人员的伤害。此外，防雷整改实施前对高度公路机电系统进行雷击风险评估也是极为必要的;每年雷雨季节前后，对防雷系统问题的排查和设备维护同样重要。

［1］ 机械工业部.建筑物防雷设计规范GB 50057—94(2000年版)［S］.北京:中国计划出版社，2001.

［2］ 四川省建设厅.建筑物电子信息系统防雷技术规范GB 50343—2004［S］.北京:中国建筑工业出版社，2004.

［3］ 谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波［M］.北京:高等教育出版社，1999.