沙河北桥收费站综合防雷设计探讨

李 强，陈 明，张 超

（1.辽宁省新民市气象局，辽宁 新民110300；2.辽宁省锦州市气象局，辽宁 锦州121001；3.辽宁省北镇市气象局，辽宁 北镇121300）

1 引言

随着我国交通事业的不断发展，公路、桥梁成为交通枢纽的重要组成部分。本着“以路养路”、“以桥养桥”为目的而设置的收费站，由于所处的位置特别及内部管理电子化，日常所遭受的雷击已非仅仅是直击雷，更多是感应雷。因此，公路收费站的防雷必须采用综合防雷技术。

在公路收费系统中有大量耐电压等级低、防干扰要求高的微电子设备，最怕遭到雷击。普通的避雷装置在接闪了强大的雷电流通过引下线泄流入地时，附近的空间发生了强大的电磁场变化，会在相邻的导线（包括电源线和信号线）上感应雷电的过电压。

2 现场勘察情况

沙河北桥收费站地处沈营线，地界为苏家屯区，周围为农田，环境比较开阔，无高层建筑，因此该站极易遭受雷击。

（1）该站收费罩棚为金属结构，且通过金属立柱支撑，经测试，阻值为1.5Ω，满足防直击雷要求。

（2）罩棚外有8个摄像头，未考虑防雷措施。

（3）罩棚内的每个收费亭（共8个收费亭）里各安装一只球形摄像头，同时在摄像头的入端口分别安装了视频防雷保护器，但该防雷器的接地线较长，同时与视频和通信控制线绑扎在一起，不符合国家规范要求。

因为避雷引下线与摄像机的电源、视频、控制线绑扎在一起，当引下线对地泄放雷电流时，在其周围产生了强大的电磁场，这强大的电磁场通过耦合在电源线、视频线、控制线中形成感应过电压将设备烧毁。视频矩阵输入端口也因串入过电压而击穿。

（4）收费站办公楼为金属结构，且未考虑接地，这种做法一是不符合国家规范要求，二是给办公室内工作人员的人身安全带来极大危害。

（5）办公楼内的监控室的监控主机端未考虑防感应雷措施，同时电源系统也未考虑防感应雷措施。

（6）市电输入是从变压器架空引线进入室内的配电盘，且未考虑防感应雷措施。

（7）楼内的网络系统也未考虑防感应雷措施。

3 设计依据

（1）依据国际电工委员会IEC标准、德国VDE和中国GB标准与规范的要求，该计算机房系统包括电脑网络、不间断供电电源和安防设备等装置。

（2）IEC61312雷电电磁脉冲的防护。该标准为建筑物内或建筑物顶部信息系统有效的雷电防护系统的设计、安装、检查、维护；并对装有这系统（如电子系统）的建筑物评估LEMP屏蔽措施的效率的方法。针对现有的防雷器（SPP）应用在防雷区概念安装上提出相关的要求。

（3）IEC 61643SPD电源防雷器。该标准对电源防雷器用于交直流电源电路和设备上，额定电压在1000ac或1500dc，电源防雷器分级分类测试和应用。

（4）IEC 61644SPD通讯网络防雷器。该标准对通讯网络防雷器用于通信信号网络系统，这类防雷器内置过压过流元器件，额定电压在1000ac或1500dc，电源防雷器分级分类测试和应用。

（5）VDE0675过电压保护器。过电压放电保护器（电源防雷器）适用于额定交直流电压在100～1000V范围内之供电配电系统，对应于防雷器作出分级分类要求。

（6）《建筑物防雷设计规范》（GB50057－94）2000年版。为使建筑物防雷设计因地制宜地采用防雷措施，防止或减少雷击建筑物所发生的人身伤亡和文物、财产损失，做到安全可靠，技术先进，经济合理。该规范不适用于天线塔、共用天线电视接收系统、化工厂户外装置的防雷设计。

（7）《通信工程电源系统防雷技术规定》（YD5078－98）。

（8）《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》（GB50169－92）。

（9）《低压配电设计规范》（GB50054－95）。

4 设计方案

4.1 确定建筑物的防雷类别

（1）建筑物年预计雷击次数应按下式确定：

式中：N—建筑物年预计雷击次数（次／年）；k—校正系数，取2；Ng—建筑物所处地区雷击大地的年平均密度［次／（km2·年）］；Ae—与建筑物截收相同雷击次数的等效面积（km2）。

（2）雷击大地的年平均密度应按下式确定：

式中：Td为年平均雷暴日，沈阳地区取35d／年。

（3）建筑物截收相同雷击次数的等效面积应按下式确定：

式中：L＝29m，W＝12m，H＝9m为此楼的实际情况数值。

因此Ae＝0.009（km2）

综上所述，将此楼的实际情况数值一一代入上述公式计算，最后确定N＝0.031＞0.012（次／年），因此，可确定此建筑物为三级防雷建筑物。

4.2 相应保护措施

4.2.1 防直击雷保护措施

沙河北桥收费站的收费亭和站办公楼虽为金属结构屋面，可做为防直击雷避雷设施，但直击雷仍给人们极大的心理威胁。现根据笔者多年工程实践，可在收费亭和办公楼之间的草坪或草坪边的水泥地面处安装18.5m高的独立避雷针，它虽未必能完全保护整个收费亭，但可以起到以下作用：本身可吸引直击雷，减少收费亭或办公楼遭雷击的机会；直击雷击中独立针所产生的电磁场的危害比直击收费亭或办公楼的危害要小得多。这样做可以减少或避免亭内或办公楼内工作人员遭雷击的几率。

避雷针采用雷安LAZ1000－1B优化避雷针，该针的重要特点是它既能够很好地保持导体引雷、雷电入地，从而代替被保护物受雷击的传统优点，又能够在雷电流经过它而入地时，使避雷针引下线上的di／dt显著减少（可以减少到原来的30%以下），从而使避雷针引下线四周的二次雷击效应减少到能够忽略不记的程度，而雷电流入地时的电位反击效应也能够减少到忽略不记，这样，避雷针的一系列局限性得到了比较彻底的克服。同时该针既经济实惠，造型美观，还能防护直击雷。

将雷安LAZ1000－1B优化避雷针套个2m长的镀锌钢管，再将管体安装在14m高的三角形铁塔上，全部采用焊接。雷电流可通过塔体入地，将塔体底座即塔基础与地网相连接。这样可起到等电位连接作用。

4.2.2 防感应雷保护措施

（1）电源系统。第一级防雷保护，在室外配电室的两路总配电输入端安装2只通流容量为100kA的三相总电源避雷保护器，并通过BV16黄绿相间的铜缆连接到接地排上。连接线尽量短，要求不长于0.5m；第二级防雷保护，在大楼监控室3个UPS的输入端分别安装1台40kA的三相总电源避雷保护器。并通过BV16黄绿相间的铜缆连接到室内的接地排（PE）上。

（2）与监控中心相连的收费点之间的线缆应该有防雷保护措施。建议应穿铁管并将该铁管屏蔽接地。

（3）所有电缆必须穿管埋地敷设。金属管道与综合接地系统良好连接。

（4）强电导线和信号传输电缆不共用同一个金属管道。

（5）线缆由地下管道进入建筑物内如需爬墙也应该沿墙体敷设金属管道，并与综合接地体良好连接。

（6）在计算机WAN（广域网）的接口和调制解调器的接口安装信号避雷器。

（7）在监控主机外线入口处和摄像头处安装16对摄像头避雷器。并用BV4铜导线与防雷接地地网相连接（图1）。

图1 摄象机系统防雷图

4.2.3 接地处理及地网效果

接地是避雷技术最重要的环节，不管是直击雷、感应雷或其他形式的雷，避雷工作的最终都是把雷电流送入大地，因此没有合理而良好的接地装置是不可能谈及防雷的。所以说设计、施工好，高标准的接地系统是防雷工作的重中之重。同时接地系统也是设备能否正常工作的安全保证。由此可见接地系统显得尤为重要。

在收费站办公大楼的墙外做一“L”型地网，挖深0.8m、宽0.5m的地沟（应尽量避开人员出入的地方，若避不开，应采取防止跨步电压的措施）。在“L”形地沟内将接地模块水平放入，用土填实，然后在每隔相距5m的距离分别垂直夯入长度为2m的DN40镀锌钢管10根，最后将接地模块和垂直地极用40mm×4mm的镀锌扁钢水平连接，连接处采用电焊接，并在连接处做防腐处理。在开挖的地网沟中回填优质土壤，且夯实，以保证地网阻值的稳定性。

由于收费站办公楼无引下线，所以应将屋面的槽钢通过直径为12的圆钢连接，然后与地网相连接。

断接卡的设置：引下线距地1.8m处设一断接卡，并用断接卡保护箱将其保护起来，防止连接处因雨淋等原因而引起腐蚀。同时断接卡距地部分的引下线用断接卡保护管进行保护。设置断接卡的目的就是为了便于地网的维护和测量。

实施以上措施后，接地电阻可控制在＜4Ω以下，完全符合接地规范和国家强制标准。接地体之间所有焊点，均应进行防腐蚀处理，接地装置的焊接长度扁钢为宽边的2倍。接地体埋深，其上端距地面应不小于0.8m，在寒冷地区接地体应埋设在冻土层以下，接地坑应回填土壤电阻率低的土壤。

5 结语

防雷是牵涉多学科多方面的系统工程，对设计到施工、维护，以及使用材料都有一定的要求。特别是电涌保护器，用在不同环境、不同工作条件都应有最佳参数选择，防雷和接地对线路的布置都有一定的要求，这些往往在工程设计阶段就应该考虑进去，以便统一规划，按层次、有步骤地施工，如果工程设计开始时，未考虑防雷，以致工程建成后遇到雷害时再进行补救，往往事倍功半，增加投资，有时候很难施工，甚至不能施工。目前，一般系统网络集成公司对各种网络传输线都是采用塑料线槽屏蔽，但是塑料线槽对电磁没有屏蔽和封锁作用，当网络工程完成后，再返工就会造成投资的严重浪费。如果在设计时就提出要求穿铁管走线，无论对工程的造价、美观和施工都带来很大的好处。

［1］ 郭建新.安全技术与管理［M］.北京：中国石化出版社，2008.

［2］ 中国机械工业联合会 建筑物防雷设计规范［S］.北京：中国机械工业联合会，2011.

［3］ 解广润.电力系统过电压［M］.北京：水利电力出版社，1985.

［4］ 崔政斌.用电安全技术［M］.北京：化学工业出版社，1998.

［5］ ［英］J.R.柯顿.光源与照明［M］.4版.陈大华，等译.上海：复旦大学出版社，2004.