云湛高速公路防雷设施配置方案

余长春

(广东省南粤交通投资建设有限公司，广州 510623)

0 引言

雷电灾害是自然界最严重的十大灾害之一，危险程度仅次于暴雨、洪涝气象地质灾害的第三大灾害。雷电是自然界雷云强烈放电的一种现象，通常雷电通过直接雷击、闪电电涌侵入方式进入建筑物或通过埋地金属线缆、架空线或金属管道感应传导对设备放电。雷击的发生、雷电流大小与许多因数有关，其中主要的有地理位置、地质条件、季节和气象，其中气象情况有很大的随机性，因此对雷电灾害的防御应根据不同情况做好防雷设施的配置。

1 项目交通工程及沿线设施组成

汕头至湛江高速公路云浮至湛江段(以下简称“云湛高速公路”或“本项目”)项目位于粤西沿海地区，年平均雷暴日高达94.6d，属于高雷暴区。本项目交通工程及沿线设施的主要组成见表1。

表1 公路交通工程及沿线设施分类组成

这些设施和设备以安装特点分主要有：户外门架、户外柱式、户外基础、建筑室内、收费棚下和收费亭内等；以配线特点分主要有：光缆连接和电缆连接等。

设施和设备通常受到两类危害：直击雷和暂态过电压。直击雷容易产生反击电压和感应过电压，对系统造成危害。暂态过电压包括雷电线路传导过电压、内部操作过电压，是配电系统中最常见的干扰形式，对用电设备最具危害性。特别重要负荷的不间断工作电源(UPS)等设备均无法消除暂态过电压的影响。

2 防直击雷的配置

直击雷防护主要指建筑物和其它设施的防雷，其技术措施可分接闪器(避雷针、避雷带、避雷网等金属接闪器)、引下线、接地体和法拉第笼。根据建筑物和设施的地理位置、自身结构、重要程度等，决定是否采用避雷针、避雷带、避雷网或其联合接闪方式。云湛高速公路的户外门架式/柱式设备防雷方式如图1所示。

图1 户外门架式/柱式设备防雷方式(单位：mm)

2.1 门架式设备

门架式设备需要采取避雷带或者避雷针方案。经过“滚球法”测算分析，避雷针方案需设置2根，针高4m。也可采用避雷带方案，沿横梁顶面外沿布置一周圆钢，并在中部增加1处圆钢避雷带隔断，形成两个环状网格。防雷和保护系统采用联合接地方式，防雷引下线和保护接地共用一套接地体，接地电阻不大于1Ω。

2.2 悬臂式可变信息标志

对于户外柱式安装的悬臂式可变信息标志等，接闪器按避雷针配置，避雷针采用φ20mm圆钢，高度1.5m，并以φ16mm圆钢引下接地线。防雷和保护系统采用联合接地方式，防雷引下线和保护接地共用一套接地体，接地电阻不大于1Ω。

2.3 杆上监控摄像机

对于户外柱式安装的监控设施和收费设施的监控摄像机等，接闪器按避雷针配置，避雷针采用φ20mm圆钢，高度1.5m，并以φ16mm圆钢引下接地线。防雷和保护系统采用联合接地方式，防雷引下线和保护接地共用一套接地体，接地电阻不大于1Ω。

2.4 房屋建筑

各类房屋建筑、机房、变电所、收费棚等，均应按规范采取直击雷防护措施，合理设置屋顶网格状避雷带。

2.5 户外箱体

户外安装的配电箱(柜)和设备机箱等装置，采用金属壳体封闭，对直击雷进行隔离和防护，箱体电气接地。弱电类箱体的防雷和保护接地电阻不大于1Ω，强电类箱体的防雷和保护接地电阻不大于4Ω。箱体的防雷和保护接地与安装处的设备接地共用一套接地系统。

3 电源防雷器的配置

电源防雷器主要是防止雷电波通过电气线路对计算机、摄像机、照明灯等用电设备造成危害。要做好电源防雷器的配置首先应弄清楚建筑物防雷分区划分，如图2所示，通常情况是在变压器进出线柜、低压开关柜、UPS进线出线、室内外配电箱、隧道内外配电箱(柜)、外场设备电源进线处等处分别设置各级电源过电压保护器，形成多级保护。

图2 建筑物防雷分区划分

3.1 低压线路一级防护避雷器

在LPZ0(包括LPZ0A和LPZ0B)与LPZ1区的交界处，即在建筑物入口的配电柜(箱)上，具体装设位置在变电所内的低压配电柜、监控配电箱、UPS或EPS配电柜等所有直接向室外馈出的配电回路的开关负荷侧，及室外电源线缆进入各用电负荷所在的楼宇、收费棚、机房、隧道、外场设备的配电箱(柜，或机箱)的第一级进线回路的开关电源侧，配置Ⅰ级分类试验的电涌保护器SPD。

3.2 低压线路二级防护避雷器

在LPZ1与LPZ2区的交界处，即在进入建筑物后的第2级配电柜(箱)上或者在满足条件的建筑物入口的配电柜(箱)上，具体装设位置在变电所内的低压配电柜、监控配电箱、UPS或EPS配电柜等所有直接向室外馈出的配电回路的开关电源侧母线上，及室外电源线缆进入各用电负荷所在的楼宇、收费棚、机房、隧道、外场设备的配电箱(柜，或机箱)的配电系统母线上或者馈出回路的开关负荷侧，配置Ⅱ级分类试验的电涌保护器SPD。

3.3 直流电涌保护器

用于太阳能供电的摄像机供电回路，在LPZ0(包括LPZ0A和LPZ0B)与LPZ1区的交界处，即在太阳能供电线路沿杆体内部进入设备机箱(配电端)配电回路的开关电源侧，安装直流电涌保护器。电涌保护器的每一相均配套匹配的保护熔断器或断路器。

4 信号防雷器的配置

由于雷电波在线路上能感应出较高的瞬时冲击能量，因此要求网络系统设备能够承受较高能量的瞬时冲击，而目前大部分通信设备由于电子元器件的高度集成化而导致耐过电压、耐过电流水平下降，设备在雷电波冲击下遭受过电压而损坏的现象越来越多，其后果是可能造成整个系统的运行中断，系统失灵等，因此必须在网络通信口处加装必要的防雷保护装置，以确保网络通信系统的安全运行。本文介绍云湛高速公路的信号防雷器配置方案。

4.1 网络信号防雷器

用于各类以网络电口接线的监控、收费、通信及电力监控等设备传输线路上，在LPZ0(包括LPZ0A和LPZ0B)与LPZ1区的交界处及LPZ1区与LPZ区的交界处，即在自场外或者室外(隧道外)埋地或者沿杆体内部进入建筑物和设备机箱(柜)回路或者室内(隧道内)的一级设备箱至下一级设备箱的网络电气线路上安装网络信号防雷器。

4.2 串口信号防雷器

用于各类以串口电口接线的监控、收费、通信及电力监控等设备传输线路上，在LPZ0(包括LPZ0A和LPZ0B)与LPZ1区的交界处及LPZ1区与LPZ区的交界处，即在自场外或者室外(隧道外)埋地或者沿杆体内部进入建筑物和设备机箱(柜)回路或者室内(隧道内)的一级设备箱至下一级设备箱的网络电气线路上安装网络信号防雷器。

5 接地装置的设置

电气环境内，各设施均应进行接地，有条件的还应实施总等电位联结或局部等电位联结。云湛高速公路交通工程设施的接地原则：

强电设备的工作、保护、防雷三合一以上的联合接地电阻应≤1欧姆；工作、保护、防雷任意两个二合一的联合接地电阻≤4欧姆；单个工作或保护接地电阻≤4欧姆；单个防雷接地电阻≤10欧姆。

弱电设备的工作、保护、防雷任意两个二合一以上的联合接地电阻≤1欧姆，单个工作或保护接地电阻≤4欧姆，单个防雷接地电阻≤10欧姆。

按照电气特性，如同一个设备分设两个接地，其接地网的间距不宜小于20m。云湛高速公路征地范围内，沿线地形狭窄，难以提供充足的接地体施工区间。且项目地处灰岩区域，接地体打入难度大，因此，工程均按联合接地的方式实施。

接地装置包括水平接地体和垂直接地体，施工时尽量利用房屋建筑、收费棚或设备周围的空地。同时，将设备接地网与房建、收费棚、隧道的结构钢筋连成一体，合理利用自然接地网，以在降低接地电阻值的前提下，适当控制工程成本。

图3 建筑及设备防雷和保护接地方式

6 智能防雷设施在工程项目中的应用

目前，传统项目一般均配置有雷击防护设施，但未进行雷电流、雷击次数和接地电阻值等的在线监测。日常运营维护和事故处理基本依靠人工巡检制度，周期长，抽查面小，不能及时发现防雷设施出现的问题和潜在危害，可能诱发重大事故，造成系统瘫痪，带来难以预计的人员伤亡和财产损失。

云湛高速公路线路长、防雷设施众多且较为分散，更是为人工巡检带来巨大的压力。近年来，随着计算机的普及以及高速公路防雷设施的全面配套，防雷设施各种信息的收集、传输设备和手段都有了很大的更新和改善，为实现高速公路的防雷信息化搭建了基础性的硬件平台。基于以上考虑，云湛高速公路在实施阶段开展了智能防雷监测设施的应用探索研究，研究课题搭建了一套终端感知、系统传输、上层分析管理的综合管理平台。终端感知设备包括防雷器、雷击计数器、状态监测、寿命监测、接地电阻值监测以及雷电流能量分析等，其主要任务是负责采集现场设备的有关信息，监测受控设施的工作状态，加快掌握系统运营状况，及时发现并解决出现的问题，消除隐患。

课题组先期在年平均雷暴日数较高的云湛高速公路化湛段的各外场设备处装设了智能监测终端。图4为化湛段主线良光服务区内装设的雷电信息监测终端的监测情况，横轴为时间(2018年12月～2019年8月)，纵轴为雷电峰值(单位：kA)。数据表明，良光服务区5月至7月监测的雷电信息活动较多，且多发生在12:00至16:00，电流峰值在4kA～6kA范围内。这也印证了广东湛江地区每年5月至9月为多雷电发生期，6月至8月达到高峰期。

图4 良光服务区雷电信息监测情况

2019年5月26日，良光服务区左区的停车场监控摄像机停止工作，在化湛监控中心调入摄像机机箱内的雷电监测终端设备的监测数据，近几日记录受雷击5次，最大电流峰值5.8kA。现场检查摄像机传输电路，发现摄像机本体的高清网络传输口内部电路击穿损毁，摄像机机箱内的电源防雷器和网络防雷器及机箱内的以太网光端机等设备完好。经过查验，此网络高清摄像机自机箱内的以太网光端机RJ45网口以UTP-6网线连接摄像机网口，并在机箱内的以太网光端机网口处设置了1套网络防雷器。接线如图5所示。初步分析，推测是连接网线受雷击产生感应过电压，经一端网络防雷器泄放后的残压瞬时值较高，造成线路另一端无直接过压防护的摄像机网口电路击穿。改造方案在摄像机的网口端增加1套网络防雷器，提高电的感应过电压泄放能力，优化接线如图5所示。优化配置后运营至今，监测受雷击数十次，未再发生击穿损毁的情况。

图5 良光服务区停车场监控摄像机防雷器优化配置

7 结语

高速公路具有站点多、面广、线长、沿线环境复杂多样等特点，需要配置防雷措施的机电工程(包括监控、收费、通信、供配电、照明、隧道通风及消防设施等)中既有强电设备又有计算机等弱电设备，另外还有较大面积的房屋建筑，均易遭受雷电的侵袭，轻者部分设备被雷电击坏，重者造成建筑结构受损、系统瘫痪。因此，防雷设施的配套方案和应用研究十分重要，其配置的优劣也是确保公路正常运营和行车安全不可或缺的一个保障环节。

智能防雷监测系统通过现代的信息技术、控制技术和计算机技术等高新技术手段，结合高速公路的综合管理需求，充分挖掘、整合和共享底层设施的有效管理数据，实现将数据组织成为信息，将信息融入管理，使管理为防雷设施的正常工作，乃至交通运营和规划决策服务，达到全面提高高速公路管理系统的运行效率和服务水平的目的。该系统有效地克服了人工对防雷设施巡检的不足问题，一方面对高速公路防雷设施预防性养护工作起到了较大的推动作用；另一方面，确保了防雷设施的有效性，能够将雷电灾害所造成的经济损失，以及由此引起的交通安全隐患减少到最低，无论是经济效益还是社会效益方面均具有较大的现实意义。