高速公路机电设施雷电破坏的分析与治理

蔡智敏

雷电对高速公路机电设施的影响较大，为了保证高速公路机电设施的正常運行，需做好雷电防护工作。文章从雷电对机电设施的危害途径、雷击风险评估、防雷措施等方面，阐述了高速公路机电设施的防雷工作要点。

雷电危害;高速公路;机电设施;防雷措施

U412.36+6-A-39-136-4

0 引言

高速公路机电系统的安全、稳定运行是高速公路运行质量与性能的重要保障。高速公路机电系统是一个技术复杂，机电设备分布点多、线长、面广的集成系统，主要包括监控系统、通信系统、收费系统、隧道机电系统等。受高速公路路段长，沿线环境开阔、多样，机电系统自身脆弱等因素影响，高速公路机电系统较易遭受雷电侵袭。机电设施一旦遭受雷击，轻则会使设备出现故障、损坏，重则会使整个机电系统瘫痪，影响高速公路车辆的正常运行，造成不好的社会影响。因此，做好高速公路机电设施雷电防护工作意义重大。本文将从雷电的危害、高速机电设施易受雷灾的原因、雷击风险评估、防雷措施等方面进行阐述，以对高速公路机电设施的防雷工作有一个全面的了解。

1 雷电的危害

自古以来，雷电给人类带来了不计其数的经济和人身伤害。雷电发生时，会释放出强大的脉冲电流，伴随着强大的热能、机械能、电能，会引起建筑物起火、受损，导致人员伤亡，影响电子、电气设备，带来严重损失和后果[1]。据相关统计结果显示，在各种灾害造成的损失中，因雷电灾害造成的损失比例较大。随着社会经济的全面提速发展，机电设备的使用从国防建设到国民生活遍布各个领域。但是，机电设备本身的过电压水平和抗干扰能力较弱，伴随着机电系统的不断发展，雷击灾害对人类的威胁也就越大，这就需要深入对机电系统的雷电防护进行研究。

雷电是大气中一种强烈的放电现象，放电电压可以高达数百万伏，放电电流可以高达几十万安培。雷电分为云闪和地闪：云内和云与云之间的放电，称为云闪;云与大地之间的放电，称为地闪。雷电的破坏力巨大，会严重威胁高速公路机电设施的安全运行。云闪对机电设施的影响较小，地闪的影响较大，发生地闪时雷电流泄放到大地中，

在泄放过程中对机电设施造成破坏即为雷电灾害。为了更好地预防雷灾，就得了解雷电入侵机电设施的方式。雷电流的入侵方式主要有雷电直击、雷电感应、地电位反击三种方式[2-5]。

（1）雷电直击：带电云层与地面物体之间发生的剧烈放电现象称为雷电直击。雷电击中建筑后，会产生强大的热效应、电效应、机械力。热效应会烧毁线路或设备;电效应会产生很高的电压，击穿设备;机械力会炸毁设备。在雷击点及其相连金属物体会有很高的电压，可能会引起接触电压或跨步电压等触电事故，危害人身安全。

（2）雷电感应：雷电感应分为静电感应和电磁感应。静电感应：带电云层使地面某一范围金属物体会因为静电感应带上与云层电荷相反的电荷。当云层发生放电后，云层电荷消失，地面金属物体感应出的电荷也会流散，由于泄流电阻大，会出现局部高电压，从而造成伤害。电磁感应：云层放电时，雷电脉冲会形成强大的磁场，在周围的金属物体上感应出电动势，在闭合的金属回路中感应出电压、电流。感应产生的过电压会影响机电设施的正常工作，甚至损坏机电设施。雷电感应的强度虽然不如雷电直击，但是雷电感应的影响范围要大于雷电直击，感应电压、电流可以通过线路传输到更远，从而扩大雷电感应的危害范围，因此要更加注重对雷电感应的防护措施。

（3）地电位反击：雷电击中接闪器后，防雷装置的电位升高，会与周围不共地的机电设施之间出现电位差。当电位差大于一定值时，会发生间隙击穿，从而损坏机电设施，这种由电位差导致的空气间隙击穿称为地电位反击。

2 高速公路易受雷灾原因

受高速公路环境因素、雷电防护工作等因素的影响，高速公路机电设施雷电灾害发生的概率较大[6]，主要表现为以下几个方面：

（1）承灾体脆弱性：机电设施大多数为弱电设备或电子设备，其本身的抗干扰能力较弱，受雷击影响发生故障的可能性较大。

（2）环境因素：高速公路一般是位于较为空旷的地方，收费站、收费站建筑物、外场设备等设施相对于周边环境，较为突出，容易遭受雷击。高速公路线路长、面积大等因素也增加了高速公路机电设施遭受雷击的概率。在电子化高度发展的今天，为了提供更好的服务，更多的机电设施投入使用，也对防雷工作提出了更高的要求。

（3）轻视雷电感应的防护工作：根据实际的工作情况，雷电防护主要侧重于对雷电直击的防护，对于雷电感应的防护工作较为轻视。很多设计、施工单位对于雷电感应的防护认识不够到位，忽视了相关的防护工作。但是在实际工作中，雷电感应造成的损失要大于雷电直击造成的损失，因此需加强对雷电感应的防护工作。

（4）高速公路机电设施防雷检测工作不到位：根据相关制度要求，防雷装置需进行定期检测和维护，一般每年至少开展一次防雷装置检测工作。就实际情况来说，部分高速公路机电设施并没有设置完善的防雷检测制度，在发生雷灾后也没有进行防雷检测和整改，这留下了雷击隐患，会加大雷电事故发生的可能性。

3 雷击风险评估

为了减少高速公路机电设施的雷击损失，需要做好雷击风险评估，并根据评估结果做好防雷措施。

20世纪初提出了“综合防雷系统”的概念，完善了雷电防护工作，但是要做到完全避免雷击损害是不现实的。国际相关标准和我国相关防雷规范也指出，建筑物按规范安装避雷装置，也只是将雷击伤害降到最低程度，只是减少雷击带来的损失和伤害。各行各业认为大量投入资金建设防雷工程就能起到最好的防护效果，但是效果可能并不尽如人意。所以，才需要对雷击风险进行合理的评估，从而实现科学、精准、经济的雷电防护。雷击风险评估可以为建设项目雷电防护设计提供重要的参考依据，可更有针对性地采取防雷措施，为风险控制、建设成本控制提供有效的建议。

雷电灾害风险评估是根据项目所在地雷电活动特征、环境情况、承灾体情况，运用科学的评估方法，对雷击建筑物、线路、建筑物附近或线路附近引起的后果进行计算分析，从而判断建筑物是否需采取或增加雷击防护措施以及判断其防雷薄弱环节，并对防雷措施的选择提供参考建议。雷电灾害风险评估主要是以GB/T21714.2-2015雷电防护标准为技术路线，通过计算风险R来进行评估[7-8]。不同的雷击损害成因（雷击建筑物、雷击建筑物附近、雷击线路、雷击线路附近），会造成不同的损害类型以及损失类型。每种损失类型都有与其对应的风险分量R 1-R 4，需要根据损害成因和损害类型，进行各风险分量的计算，各风险分量的总和即为风险R。

风险分量计算的公式如下：

R x=N x×P x×L x（1）

式中：

N x——每年危险事件次数;

P x——建筑物的损害概率;

L x——每一次损害产生的损失率。

4 防雷措施

雷击风险评估可以为防雷设计提供可靠的参考依据，根据评估结果进行合理、科学的防雷设计，既能有针对性地加强防雷措施，也能避免不必要的浪费。防雷措施主要分为两个方面：外部防雷措施和内部防雷措施[3][9]。

4.1 外部防雷措施

外部防雷措施主要为雷电直击防护措施，这是防雷击危害最直接、最有效的防护措施，主要由接闪器、引下线、接地装置构成。外部防雷措施需要在建筑物上装设接闪装置，通过引下线将雷电引入接地装置，利用接地装置将雷电流顺利地泄放到大地中去。

当雷电流击中接闪装置时，接闪装置、引下线、接地装置的电位会升高，如果被保护设备离接闪装置的距离太近，会对设备造成雷电流反击，从而击坏设备。为此，外部防雷装置与被保护设备应该保持一定间距，以防止雷电反击。此外，引线下的数量会影响雷电流的分流效果，雷电流击中接闪装置后，雷电流流过引下线会产生强大的感应磁场。引下线越多，流经每根引下线的电流越少，产生的感应磁场就越小。雷击建筑还会引起接触电压和跨步电压，伤害人身安全。当建筑物受雷击时，人体接触了带电物体，会在接触点和地面间形成电位差，即为接触电压。雷电流流散到地面上，会在地面上形成电位差，人的双脚若是跨开的状态，就会在两脚间形成电位差，即为跨步电压。为了避免接触电压和跨步电压带来的伤害，应采取必要的均压措施。

高速公路机电设施雷电直击防护主要包括机电设施所在建筑物、收费亭、外场设备的雷电直击防护。雷电直击防护的具体措施参阅《GB 50057-2010建筑物防雷设计规范》《GB/T 21714.3-2015雷电防护第3部分：建筑物的物理损坏和生命危险》等相关规范，本文不展开具体的阐述。只有外部防雷措施是不足的，在雷电流动过程中雷击电磁脉冲、地电位反击、雷电感应等多种情况可能使机电设备损坏或者失效，为了减少这些情况带来的损害，还必须做好内部防雷措施。

4.2 内部防雷措施

内部防雷措施是防止雷击电磁脉冲、雷电感应、地电位反击等二次雷害的有效手段，主要由等电位连接系统、屏蔽系统、浪涌保护器、合理布线、共用接地系统等几部分组成。

（1）等电位连接系统：等电位连接是将分开的各金属物体采用金属导线进行电气连接，将电气和电子设备的金属外壳、机架、金属管、电缆屏蔽层、电涌保护器接地端等以最短的距离与等电位连接带相连，从而使他们成为一个等电位体，减少电位差。要求最短距离连接，是因为这样可以减少环路面积，降低雷电流脉冲产生的电磁感应强度。

（2）屏蔽系统：雷击发生时，机电设施会受到雷击电磁脉冲的干扰，由于机电设施自身的过电压耐受水平较低，容易被损坏。屏蔽则是减少电磁脉冲干扰的重要手段，可以减弱雷击产生的电磁干扰，降低机电设施遭受电磁脉冲伤害的概率。屏蔽系统应构建法拉第笼来实现电磁屏蔽功能，应该尽可能利用建筑物本体的金属构件。法拉第笼是第一层屏蔽，还不能很好满足机电设施的屏蔽要求，需要在机房或者设备本身增加金属屏蔽网，提高屏蔽性能。另外，线路屏蔽也是减少磁场干扰的重要方法。机电设施线路应尽量采用屏蔽线缆或者穿金属管、金属线槽敷设，并按相关要求做好等电位连接和接地。

（3）浪涌保护器：浪涌保护器是用于限制电涌电压和泄放电涌电流的装置，当雷击发生时，会产生瞬态过电压，浪涌保护器内部的非线性电器元件（如压敏电阻等）的阻抗会迅速减小，将雷电流泄放至大地，以保护后端线路和设备。浪涌保护器的应用应注意上下级能量的配合，才能有更好的效果。

（4）合理布线：机电设施是由电气、电子设备以及电源、信号等各种线路共同组成的，为了保证在遭受雷电直击或雷击机电设施附近时不受影响，要考虑线路布设、设备放置的合理性。①机电设备应尽量敷设在建筑物底层的中心位置，并与引下线、建筑物结构钢筋保持一定距离。②线路应尽量采用屏蔽线路或者穿金属管道敷设。③机电设备线路与电力线路、金属管道之间保持一定的距离，且敷设时应避免交叉、缠绕。

（5）共用接地系统：共用接地系统是將防雷接地、工作接地与安全保护接地等接地系统连接到一个公共的接地装置上，或者将这些接地系统相互连接起来，从而形成一个统一的接地系统。当雷电流泄放到接地装置中时，共用接地装置可以保证各接地系统之间不存在电位差，就不会发生因地电位反击损害设备的情况。

高速公路机电设施的内部防雷需要根据以上几个系统进行合理的防雷设计和施工，具体的措施可参考《GB 50057-2010建筑物防雷设计规范》《GB 50174-2017数据中心设计规范》《GB/T 21714.4-2015雷电防护第4部分：建筑物内电气和电子系统》《GB/T 37048-2018高速公路机电系统防雷技术规范》等相关规范。只有通过这几方面防雷措施的协调配合才能最大限度限制雷击造成的损失，保证系统的稳定运行。

5 结语

高速公路机电设施防雷工程是一项庞大复杂的系统工程，本文主要从雷电危害形式、雷击风险评估、防雷措施等方面阐述了高速公路机电设施防雷工作的要点。高速公路是我国经济发展的基础，是重要的交通枢纽，其稳定运行对于经济和民生具有重要的意义，而机电设施是高速公路的重要组成部分，是高速公路防雷工作的重点。随着省界收费站的取消，ETC门架的应用对高速公路机电设施防雷工作提出了更高的要求。因此，要提高对高速公路机电设施防雷的重视程度，做好高速公路机电设施的防雷工作，将雷击危害降到最低，保证高速公路的正常运行。

参考文献：

[1]杨 坚.计算机机房雷电感应危害计算分析及防护措施研究[D].北京：中国地质大学（北京），2007.

[2]盛 江.爆炸危险场所防雷工程研究及应用[D].杭州：浙江大学，2009.

[3]王 肃.电子信息系统雷击灾害风险评估及其应用[D].上海：华东理工大学，2015.

[4]史秀红.雷击对铁路信号系统的影响分析[D].成都：西南交通大学，2012.

[5]窦志鹏.光伏发电系统雷电危害及防护研究[D].南京：南京信息工程大学，2018.

[6]李晓华.雷电对高速公路机电设备造成的危害与防范措施[J].中国高新科技，2018（20）：115-117.

[7]王百朋.陕西地区雷电特征及风险评估系统研究[D].西安：西安电子科技大学，2014.

[8]马俊贵，纳 丽，齐晓鹏，等.几种雷电灾害风险评估计算方法应用对比分析[J].气象与环境科学，2018，41（2）：129-133.

[9]冯民学，吕久平，高岩渊.浅析高速公路雷电危害及防御[J].气象科学，2003（3）：365-371.