高速公路机电防雷接地技术分析

曹志杰

【摘 要】良好的接地效果是防雷成功的重要保证之一。本文分析了雷电对高速公路电气设备的影响，针对机电设备防雷技术与措施进行了探讨。

【关键词】高速公路；机电防雷；技术措施

良好的接地效果是防雷成功的重要保证之一，如何做好以防雷接地为核心的高速公路机电系统的防雷问题应受到广泛的重视。防雷接地是让已经纳入防雷系统的闪电能量释放入大地，是分流和释放直击雷和雷电干磁干扰能量的最有效的手段之一，也是电位均衡补偿系统的基础。

1.雷电对高速公路电气设备的影响

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，而高速公路机电系统是由通信系统、收费系统、监控系统、隧道通风照明等各分系统共同构成。而雷击很容易给这些系统带来损害。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四类：（1）直击雷；（2）感应雷；（3）传导雷；（4）开关过电压。

1.1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；雷电直接击中建筑物，雷电的不到50%的能量将会从引下线等外部避雷设施泄放到大地，其中接近40%的能量将通过建筑物的供电系统分流，其中5%左右的能量通过建筑物的通信网络线缆分流，其余的雷击能量通过建筑物的其他金属管道、缆线分流。这里的能量分配比例会随着建筑物内的布线状况和管线结构而变化。

1.2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。发生雷击时，雷电电磁脉冲（LEMP）在上述有效范围内，在所有的导体上产生足够强度的感应浪涌。因此分布于建筑物内外的各种电力、信息线路将会感应雷电而对设备造成危害。

1.3传导雷（雷电波侵入）：在更大的范围内（几公里甚至几十公里），雷电击中电力或信息通讯线路，然后沿着传输线路侵入设备。其中地电位反击也是传导雷中的一种；雷电击中附近建筑物或附近其他物体、地面，导致地电压升高，并在周围形成巨大的跨步电压。雷电可能通过接地系统或建筑物间的线路入侵雷电延建筑物内部设备形成地电位反击。

1.4开关过电压：由于雷击影响，开关上电压瞬时升高，造成影响是直接烧毁空气开关，使线路断电，系统不能正常运行。

2.防雷接地技术

2.1直流工作接地

随着科技的不断成熟，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。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格，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问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经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4mm*40mm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。

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220V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，雷电来袭时，能切断雷电进入设备通路，迅速对地放电，同时确保信号系统正常工作。

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，由于人体是个导电体，就会在机电设备一人一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1Ω。

3.机电设备防雷技术措施

3.1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（电涌保护器）。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 机电电子防雷

安装监控等电子设备的建筑物，除了按照建筑物防雷等级进行外部防雷设计外，还要进行内部防雷设计：安装必要的电涌保护器（SPD）、实行等电位连接等。道路监控、收费、通信系统等使用了大量电子产品，除了采取一般建筑物防雷措施外，还要特别注意防电涌。

电子信息系统防雷要综合做好分流（泻流）、均压（等电位）和屏蔽。分流：接闪器、引下线（或主筋）和接地，将雷电流分流入地，而不流过被保护设备和部件，避免雷电引起对系统设备的反击。均压：还要同一层同一部位的不同电缆外皮、设备外壳、金属构架（构件）、管道等做好等电位连接，以均衡电位。这样建筑物内不会产生反击和跨步电压，有利人身安全和减少雷电电磁脉冲对电子设备的干扰。屏蔽：采用屏蔽电缆、屏蔽箱盒、法拉第屏蔽笼等或其他可利用的自然屏蔽体，防御球雷、侧击和绕击雷的袭击，防御雷电电磁脉冲，阻挡、衰减施加在设备上的过电压能量。

3.3合理布线

对于易受雷击影响的弱电、强电线路，应穿金属管防护，金属管可靠接地。引入线路加装避雷器或电涌保护器。减小因雷电灾害造成的线路间的影响，把雷电灾害减低到最低程度。电子信息系统设备交流配电应采用TN—S系统接地方式。当交流电源采用TT系统时，从建筑物内部总配电柜（箱）开始引出的配电线路和分支线路必须采用TN—S系统。为防止SPD失效短路，应在SPD前安装短路保护器件。

4.结束语

高速公路机电系统的防雷是一项复杂而系统的工程，不管如何复杂，都离不开良好的防雷接地效果。要做好高速公路机电系统防雷工作，应重视全方位、立体化综合防治，对发生的实例探讨研究，针对性地采取适当的防雷接地措施，并加强日常的防雷接地检测，有效地预防雷击对机电系统的损坏，以期达到良好的防雷保护效果。