浅谈高速公路机电系统综合防雷

2014-08-15邢玮琦

山西电子技术 2014年2期

邢玮琦

(山西省自动化研究所，山西太原030012)

1 雷电危害及雷电入侵建筑物内弱电设备途径分析

1.1 雷电危害

雷电已被列为对人类社会危害极大的八大自然灾害之一，除直接雷击造成的人身安全伤害和财产损失外，感应雷对现代电子设备造成的危害也越来越强烈。感应雷击可简单地理解为雷击引起的很高的过电压(过电流)及强烈的电磁场，其主要危害对象是电子设备。高速公路的通信系统、收费系统、监控系统、隧道照明系统、通风系统、消防系统都是对雷电非常敏感的弱电子设备，这些系统如遭雷击破坏其损失是巨大的。主要损失包括以下三方面:

首先是设备损坏所造成的直接经济损失，其次是重要数据丢失，再次是通信系统、收费系统、监控系统、隧道照明系统、通风系统、消防系统停止，这是最大的一方面，对交通、国家、地方经济发展有很大的影响。

1.2 雷电入侵楼内弱电设备途径分析

雷击引起的上万伏的过电压及极强的交变电磁场是损坏楼内设备的主要原因，雷电入侵楼内设备的途径有配电线路、通信线路、地反击、雷击电磁场四条途径。

2 综合防雷保护方案

依据国家气象法对雷电防护装置安装规定和检测要求，结合国务院及山西省防雷主管部门颁发的有关法规要求，通过多年的实践经验及对高速公路涉及机电系统的土建、房建和影响机电系统使用的建筑物防雷设计、供配电防雷设计、等电位和接地网的设计进行了详细的论证和研究，对外场设备的设置、施工工艺进行了分析，以满足各项国家技术标准和各项技术规范，本着高标准严要求同时兼顾经济性的原则，对高速公路机电系统综合防雷做如下设计。

2.1 防雷器设计

根据GB 50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》高速公路雷电防护等级属于B级，应采取三级防雷保护措施。

2.1.1 配电系统防雷保护设计

根据GB 50343－2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》浪涌保护器的安装数量，应根据被保护设备的抗扰度和雷电防护分级确定。

第一级防雷器:在隧道配电室的低压开关柜内、收费站总配电室的动力配电柜的低压电源输入端安装一套雷电通流容量Imax=50 kA(波形10/350 μs);响应时间Ta≤100 ns的三相电涌保护器SPD1，作为一级保护。

第二级防雷器:在收费站的机房配电箱的电源输入端安装一套雷电通流量Imax=40 kA(波形8/20 μs);响应时间Ta≤25 ns的三相电涌保护器SPD2，作为二级保护。

在收费站电源室的UPS电源输出端安装一套雷电通流量Imax=40 kA(波形8/20 μs);响应时间Ta≤25 ns的三相电涌保护器SPD2，作为二级保护。

由于收费广场总配电来自电源室UPS，但是该线路已经出建筑物，所以在收费站的收费广场总配电箱电源输入端安装一套雷电通流量Imax=40 kA(波形8/20 μs);响应时间Ta≤25 ns的三相电涌保护器SPD2，作为二级保护。

第三级防雷器:在收费站的收费车道控制柜和超限站的控制柜的220V电源输入端安装一套雷电通流容量Imax=20 kA(波形8/20 μs);响应时间Ta≤25 ns的三相电涌保护器SPD3，作为三级保护。

在收费站广场摄像机和超限站广场摄像机控制柜的电源输入端安装一套雷电通流容量Imax=20 kA(波形8/20 μs);响应时间Ta≤25 ns的三相电涌保护器SPD3，作为三级保护。

在收费站岗亭内车道控制柜的电源输入端安装一套雷电通流容量Imax=20 kA(波形8/20 μs);响应时间Ta≤25 ns的三相电涌保护器SPD3。

在公路沿线的视频车辆检测控制柜、情报板控制柜、车道指示标志控制柜、PLC控制柜、车辆检测控制柜、气象检测控制柜的电源输入端安装一套雷电通流容量Imax=20 kA(波形8/20 μs);响应时间 Ta≤25 ns的单相电涌保护器SPD3，作为三级保护。

2.1.2 信号防雷保护设计

根据GB 50343－2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》数字用户程控交换机及其它通信设备信号线路，应根据总配线架所连接的中继线及用户线性质选用适配的信号浪涌保护器。

1)在超限站计算机至收费站网络交换机(HUB)间安装一只通流容量5 kA(波形8/20 μs)计算机网络信号SPD以保护用电设备。

2)在电子显示屏的编码器之后至控制器两端各安装一只通流容量5 kA(波形8/20 μs)数据线SPD以保护用电设备。

3)在收费站的车道摄像机和外场摄像机视频线到光端机两端安装通流容量5 kA(波形8/20 μs)视频信号防雷器以保护用电设备。在云台摄像机控制线输入端安装通流容量5 kA(波形8/20 μs)的控制信号防雷器以保护用电设备。

4)在收费站广场摄像机视频线到视频复用光端机两端安装通流容量5KA(波形8/20μs)的视频信号防雷器以保护用电设备。

5)在情报板、车辆检测器、车辆指示标志、车辆检测器、交通信号灯、气象检测器的信号线到本地PLC内的输入输出模块的两端安装通流容量5 kA(波形8/20 μs)的双绞线信号防雷器以保护用电设备。

2.2 等电位连接设计

根据GB 50343－2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》机房采用M型等电位连接网络时，宜使用截面积不小于50 mm2的铜带在防静电地板下构成铜带接地网络。

根据GB 50057－94《建筑物防雷设计规范》采用当S型等电位连接网络时，信息系统的所有金属组件，除等电位连接点外，应与共用接地系统的各组件有大于10 kV、1.25/50 μs的绝缘。

在复杂系统中，M型和S型等电位连接网络这两种形式的优点可组合在一起，该网络的所有金属和设备应与共用接地系统的各组件有大于10 kV、1.25/50 μs的绝缘。

等电位连接是现代防雷技术重要的防护措施之一。将进入监控中心大楼的各类管线的屏蔽层、机架等在进入大楼前进行等电位连接后接地。在进入设备前再进行二次等电位连接后接地。将广场摄像头输出的同轴电缆的外层和其它管线外层在进入大楼前进行等电位连接后接地。

将分开的外导电装置用等电位连接导体连接后接地，以减少系统设备所在的建筑物金属构件与设备之间或设备与设备之间因雷击产生的电位差。利用钢筋混凝土结构的建筑物内所有金属构件的多重连接建立一个三维的连接网络是实现等电位连接的最佳选择。为方便等电位连接施工，应在一些合适的地方预埋等电位连接预留件。

建筑物的各类水管、采暖和空调管道等金属管道的金属外层在进入建筑物处应做等电位连接，燃气管道入户后应在法兰盘连接处插入一块绝缘体，两端用开关型SPD连接后户内金属管道可参加等电位连接，并与建筑物组合在一起的大尺寸金属件连接在一起，按GB50054的要求做总等电位连接之后，接向总等电位连接带，并可靠连通接地。

在建筑物入口处，即LPZ0与LPZ1区交界进行总等电位连接后接地，在后续的雷电防护区交界处按总等电位连接的方法进行局部等电位连接，连接主体应包含系统设备本身(含外露可导电部分)、PE线、机柜、机架、电气和电子设备的外壳、直流工作地、防静电接地、金属屏蔽线缆外层、管道、屏蔽槽、电涌保护器SPD的接地等均应以最短的距离就近与这个等电位连接带直接连接。连接基本方法应采用网型(M)结构或星型(S)结构。网型结构的环行等电位连接带应每隔5m经建筑物墙内钢筋、金属立面与接地系统连接。当采用S型等电位连接网络时，系统的所有金属组件除在接地基准点，即ERP处连接外，均应与共用接地系统的各组件有足够的绝缘(大于10 kV，1.2/50 μs)。

宜利用建筑物的基础钢筋地网作为共用接地系统。如建筑物没有基础钢筋地网，宜在建筑物四周埋设人工垂直接地体和水平环型接地体。接地体的接地电阻不宜大于4 Ω。原则上应在各雷电防护区界面处做等电位连接，但由于工艺要求或其它原因，被保护设备的安装位置不会正好设在界面可能发生的电涌电压时，电涌保护器安装在被保护设备处，而线路的金属保护层或屏蔽层宜首先在界面处做一次等电位连接接地。

埋于土壤中的人工垂直接地体宜采用角钢、钢管或圆钢;埋于土壤中的人工水平接地体宜采用扁钢或圆钢。圆钢直径不应小于10 mm，扁钢截面不应小于100 mm2，其厚度不应小于4 mm;角钢不应小于(40×40×4)mm;钢管壁厚不应小于3.5 mm。人工垂直接地体的长度宜为2.5 m。人工垂直接地体间的距离及人工水平接地体间的距离宜为5 m，当受条件限制时可适当减小。人工接地体在土壤中的埋设深度不应小于0.5 m，在冻土区人工接地体应埋设在冻土层以下。接地体应远离由于砖窑、烟道等高温影响土壤电阻率升高的地方。

在收费站监控室的机房、及监控室防静电地板下采用4 mm×40 mm的铜排设置等电位接地汇流铜排，该铜排与建筑物预留接地点采用16 mm2多股铜导线进行连接，机房及监控大厅内各种金属设备外壳、金属支架、天花板龙骨、强弱电金属线槽、金属门窗等均采用10 mm2多股铜导线与之进行可靠连接;在收费站大棚下各种金属设备外壳、金属支架、强弱电金属线槽、金属门窗之间和收费车道内的栏杆机、摄像机、防撞柱等均采用16 mm2多股铜导线和4 mm×40 mm热镀锌扁钢与汇流排进行可靠连接。

2.3 外场设备接地网设计

为收费站、超限站和监控室做独立接地地网，作为防止直接雷击和感应雷击的共用的接地装置，采用降阻剂和配套使用的优化接地极，使接地电阻小于4 Ω;

在公路沿线云台杆和情报板杆下面各做一个独立地网，作为防止直接雷击和感应雷击的共用的接地装置，采用降阻剂和配套使用的优化接地极，使接地电阻小于4 Ω。

地网尺寸不小于10×20 m，开挖深400×1 000 mm的地沟，在沟内四个角及靠中心的两个角挖深3 m的洞，并在洞内埋优化接地极，其它角打入5×50×50×2500热镀锌角钢，回填层采用长效降阻剂(降阻剂回填深度300 mm)，以保证地阻常年稳定。其它用原土回填，共2个;地网材料垂直接地极采用优化接地极和5×50×50×2 500 mm热镀锌角钢，水平接地极采用4×40 mm的热镀锌扁钢;接地电阻必须小于1 Ω。