高速公路筑养过程中的防雷措施

燕海兵

从我国第一条高速公路投运至今,高速公路机电系统都不同程度地遭受雷电侵害。轻者部分设备被雷电击坏,系统丧失部分功能;重者全系统瘫痪,经济损失惨重,甚至给交通安全带来极大隐患。随着我国高速公路的不断增加,机电系统遭受雷击的事件也在不断增加,因此,高速公路机电工程防雷是高速公路机电建设不可缺少的一部分,特别是雷害重灾区的高速公路机电防雷工程更加不能忽视。

高速公路机电系统应采用先进的防雷设备,加上严格而合理的工程建设和运行措施,这样才能把雷害降至最低直至消除。在高速公路机电工程建设中要综合考虑各种因素,不同的系统应采用不同的防雷措施。

1 雷电侵入机电系统的途径

1.1 由系统通信线和信号传输电缆侵入

高速公路机电工程中的通信线主要包括计算机系统的网络线、摄像系统的信号线等,信号电缆直接与设备接口相连,因此信号传输电缆线中出现的雷过电压、过电流会通过设备接口直接侵入设备。

1.2 由交流供电线路侵入

不管是架空的高压电力线还是低压电力线,均可能被直击雷或感应雷击中。

1.3 高地电位反击

机电设备附近的避雷针或房屋避雷装置可以吸引雷电,保护建筑物,但当雷击时强大的雷电流经引下线和接地装置导入大地时,接地装置周围土壤形成喇叭形电位分布。当计算机设备的接地装置与其接近时,高地电位便可由此侵入计算机设备造成危害。

2 防雷接地的种类和作用

2.1 工作接地

供电系统用变压器的中性点直接接地,在工作或事故情况下,保证电器设备可靠地运行,降低人体接触电压,迅速切除故障设备或线路。

2.2 保护接地

电器设备在正常工作情况下,不带电的金属部分与接地体之间应做良好的金属连接。在中性点的接地系统中,如果电器设备没有保护接地,当该设备某处绝缘损坏时,外壳将带电,同时由于线路与大地间存在电容,人体触及此绝缘损坏电器设备外壳,则电流流入人体形成通路,人将遭受触电的危险。设有该接地装置后,接地电流将同时沿着接地体和人体两条通路流过,接地电阻越小,流过人体的电流也越小,当接地电阻极微小时,流经人体的电流可不至于造成危害,人体避免触电的危险。

2.3 重复接地

将零线上的多点与大地多次做金属性连接。当中性点直接接地系统中发生碰壳或接地短路时,可降低对地电压;当零线发生断裂时,可以使故障的危害程度减轻。

2.4 直流工作接地

为使同一系统的计算机、微电子设备的工作电路具有同一电位参考点,将所有设备的零电位点接于同一接地装置,它可以稳定电路的电位,防止外来干扰,这称为直流工作接地。同一系统的设备接于同一接地装置后,无论是模拟量还是数字量,在进行交换或通信时,才有统一的电位参考点,从而给接于同一接地装置的计算机或微电子设备提供稳定的工作电位,有效地衰减以致消除各种电磁干扰,保证数据处理或信号传递准确无误。

2.5 防雷接地

为使雷电浪涌电流导入大地,使被保护物免遭直击雷或感应雷等浪涌过电压、过电流的危害,所有建筑物、电器设备、线路、网络等不带电金属部分,金属护套,以及一切水、气管道等均应与防雷接地装置做金属性连接。

3 高速公路机电工程防雷措施

3.1 监控外场设备的防雷设计

外场设备包括CCTV设备、车辆检测器、可变情报板、可变限速标志、可变交通信号灯等。直击雷的防范措施是在CCTV立柱顶端安装避雷针,经接地引下线与接地网相连。对感应雷的防范,在外场机箱的出入线处加设防雷器,防雷器的接地端与地网相连。为了防止雷电对设备的严重破坏,建议在外场设备机箱内,除了设置防雷器外,对电源进线加设变压器隔离;对信号进线采取光电隔离措施。外场设备接地装置采用一字排开,一般埋设在高速公路的斜坡底或排水沟的两边,防雷接地电阻不大于10 Ω。

3.2 集群基站铁塔的防雷设计

该系统防雷须满足以下几点:

1)铁塔顶端设置避雷针,天线应在避雷针的45°伞状保护范围之内。

2)铁塔避雷针应设置专用接地引下线,材料采用40×4镀锌扁钢,接地引下线路要求与机房方向相反。

3)当铁塔位于机房旁边时,铁塔地网应延伸到塔基四脚处1.5 m的范围,接地体呈网状,网格尺寸应不大于3 m×3 m,其周边为封闭式,同时还要利用铁塔基础地桩内两根以上主钢筋作为铁塔地网的垂直接地体。接地电阻应小于4 Ω。

4)铁塔设备的电源线、信号线和控制线应采用铠装电缆,并要求遵从馈线接地原则,每根线缆在机房入口处应分别对地加装避雷器。

3.3 站房设备的防雷设计

必须为所有室内机电工程设备提供防雷接地、工作接地和保护接地,地网应沿机房建筑物散水外设环形(可以不封闭)接地装置,接地网上焊接一根40×4的扁钢,穿墙进入站房内,在底层的竖井边侧设置一个接线盒,作为整座楼的接地汇合端;在接线盒内设置一块铜排,一端连接扁钢,另一端连接各楼层的接地引下线。每楼层内设置一个接地铜排,楼层内的所有接地线包括防雷设备的接地、工作接地和保护接地都接到接地铜排上。

3.4 收费广场防雷设计

收费广场的天棚作为建筑物应有防雷设施,故在收费亭内外的设备不易遭受直击雷的破坏,因此设备防雷主要针对感应雷,防雷保护主要针对缆线两端,包括电源线、信号线、网络线等。接地网宜设置在收费广场的外侧,沿公路边坡一字排开,接地电阻应小于4 Ω。采用一根25 mm2的铜芯线,将地网连到广场边侧收费亭人井内的接线盒铜排上,连接各个收费亭的接地铜排。

3.5 信号传输线的屏蔽

电缆最外层的铠装保护套应多点可靠接地;电缆屏蔽的效果取决于它的转移阻抗和绝缘层介质的绝缘强度,因此,宜选用转移阻抗小的电缆。

3.6 光电隔离

随着光纤和光传输设备价格的下降,在投资允许的情况下,尽可能采用光设备。如收费广场到收费站机房的收费数据、收费亭的图像传输就可以使用光纤传输,防止雷电过电压的侵入。

3.7 均压

均压就是把导体做良好的导电性连接,使它们达到电位相等,为雷电流提供低阻抗的连续通道,使其迅速导入大地。把收费站(中心)机房的设备、金属管道、电缆的金属外皮、构架等主要金属物,就近接到电气装置的保护接地装置上。在机房的金属管道、电缆等进入或引出处,把保护接地干线、电气装置的接地干线、金属管道、电缆的金属外皮、建筑物的水管等导电部分,在等电位联结端子板上连接起来,然后再与接地母线相连。

3.8 分流

雷电感应过电压是造成机电系统电子设备损坏的主要原因之一。为防止雷电过电压波侵害,机电系统还应在电缆和终端设备的输入端连接处装设避雷器和保护器件。

3.9 联合接地

在条件可能的情况下,最好使建筑物和机电系统或机电系统不同的子系统之间采用联合接地方式。在建筑物和机电系统之间采用联合接地时,接地体以采用自然接地体为主。当自然接地体同时满足3个条件,即接地电阻能满足规定值要求;基础外表面无绝缘防水层;基础内钢筋必须连接成电气通路,同时形成闭合环,闭合环距地面不小于0.7 m。

4 结语

高速公路机电系统防雷接地问题很复杂,涉及到的方面也较多,笔者认为,在今后的机电工程中,应尽可能采用联合接地,接地电阻小于1 Ω,同时加强避雷器的使用,这样可以减少雷击造成的损失。

[1] 花铁森.建筑弱电工程安装施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1999:29-43.

[2] 叶佩生.计算机机房环境技术[M].北京:人民邮电出版社,1999:105-110,148-156.