高速公路機電設備防雷措施研究

王文鵬

中圖分類號:G202文獻標識碼:A文章編號:1673-0992(2009)06-080-02

摘要:由于高速公路機電系統造價較高,所建位置易遭雷擊,再加上燈桿等高處物體容易引雷,對機電系統破壞很大,經濟損失嚴重。因此,加大對多雷地區防雷的經濟投入尤為重要。為保證人身及設備安全,本文作者提出了提出一些在設計施工中應注意的問題供同行交流與參考。

關鍵詞:高速公路;機電工程設備;防雷

據調查,高速公路機電設施在運營時,常受到不同程度的雷擊破壞,嚴重影響機電設施正常運行,建設一個良好的防雷系統十分重要。

一、雷電分類

1.直擊雷

帶電云層與大地上某一點之間發生迅猛的放電現象。雷電直接擊在建筑物或高低壓線路、照明設施上,易產生爆炸和火災、地電位升高和跨步電壓增大等嚴重后果。

2.感應雷

(1)電磁感應:有雷擊閃電時,在雷擊通道周圍會產生強大的瞬變電磁場。處在電磁場中的電氣設備和傳輸線路會感應出較大的電動勢,以致損壞設備。

(2)靜電感應:有帶電雷云出現時,雷云下面的建筑物或傳輸線路上會感應出與雷云相反的束縛電荷。這種感應電荷在低壓架空線路上可達100KV靜電電位,信號線路上可達40～60KV靜電電位。雷云放電后,束縛電荷迅速擴散,即引起感應雷擊。

3.雷電波侵入

電源線、信號傳輸線或進入室內的其他金屬導體遭到雷擊或被雷電感應時,雷電波沿這些金屬導線或導體侵入設備,導致高電位差使設備損壞或傷人。

4.地電位反擊

雷電擊中接閃器,引下線、接地體以及與它們相連接的金屬導體上產生非常高的瞬時電壓,對與之靠得近卻又沒有連接的金屬物體、設備、線路、人體之間產生巨大的電位差。這個電位差引起的電擊就是地電位反擊。這種反擊不僅足以損壞電器和設備,也可能造成人身傷害或火災爆炸事故。

二、雷電的一般防護

1.直擊雷防護

以避雷針、避雷帶、避雷線、避雷網等為接閃器,通過引下線和接地體把雷電流瀉放到大地。

2.感應雷防護

(1)電源線防雷:主要采用三級防護,防雷器件有電涌防護器(避雷器)等。

(2)信號線防雷:也采用多級防護,防雷器件有電涌防護器(避雷器)等。

(3)等電位連接:把各設備金屬外殼、金屬管線、金屬梁架、金屬門窗等相互連接并可靠接地。

(4)金屬遮罩及重復接地:避免架空線路直接進入建筑物內,盡可能改用埋地電纜并用金屬管遮罩,金屬管在進入建筑物前重復接地。

三、防雷分區

1.我國關于建筑物防雷分類分為一類建筑物防雷、二類建筑物防雷、三類建筑物防雷。

2.IEC雷擊分區

(1)直擊雷非防護區(LPZOA):本區內的各類物體完全暴露在外部防雷裝置的保護范圍之外,都可能遭到直接雷擊;本區內的電磁場未得到任何屏蔽衰減,屬完全暴露的不設防區。

(2)直擊雷防護區(LPZOB):本區的各類物體處在外部防雷裝置保護范圍之內,應很少能遭到大于所選滾球半徑的直接雷擊;但本區內電磁場未得到任何屏蔽衰減,屬充分暴露的直擊雷的防護區。

(3)第一屏蔽防護區(LPZ1):本區內的各物體不可能遭到直接雷擊,在本區內所有導電部件上的雷電流比LPZOB區的電流進一步減小。本區內的電磁場因屏蔽措施而有所衰減。本區一般指在鋼筋結構的建筑物內,不包含窗口附近。

(4)第二屏蔽防護區(LPZ2):為了進一步減小導電部件上的雷電流和電磁場而引入的后續雷電保護區。

再次屏蔽的空間:如上述屏蔽大樓的另外設立的屏蔽網絡中心。

(5)第n屏蔽防護區(LPZn):需要進一步減小雷擊電磁脈沖,以保護敏感度水平高的設備的后續雷電保護區。

再次屏蔽的空間:如上述屏蔽網絡中心內的機器金屬外殼內部,或接地的機柜內部等。

四、室外供配電照明防雷

1.野外變電站和箱式變電站防雷:建議變電站建筑按二級防雷進行設計,在變壓器和箱式變的架空線路高壓側進線和低壓側出線第一、二、三基桿上的絕緣子鐵腳進行接地。

在變壓器和箱式變的架空線路高壓側進線和低壓側裝設避雷器。

在變電站或箱式變電站處做聯合接地,接地電阻≤4Ω;

變壓器和箱式變進出口處的高低壓線路穿鋼管屏蔽,或選用鎧裝電纜,其長度不小于15m。鋼管或外鎧裝與接地網可靠連接;。

2.公路照明的高低壓照明線路,按照三級防雷要求進行防雷設計。

3.高度突出的高桿燈、燈塔應進行防雷設計。為防止雷電波竄到照明線路,在近高桿燈處至少有15米穿鋼管防護電纜或鎧裝電纜,必要時在高桿燈與照明線路連接處安裝低壓避雷器。

五、機電電子系統防雷

1.安裝監控等電子設備的建筑物,除了按照建筑物防雷等級進行外部防雷設計外,還要進行內部防雷設計:安裝必要的電涌保護器(SPD)、實行等電位連接等。

道路監控、收費、通信系統等使用了大量電子產品,除了采取一般建筑物防雷措施外,還要特別注意防電涌。

電涌也叫浪涌或突破,是超出正常工作電壓的瞬間過電壓。電涌的主要成因是雷電。

2.設備外部防雷措施使得直擊雷不能進入內部,但感應雷能夠通過以下途徑侵入內部,形成電涌,對電子設備等造成危害:

(1)電源線路

高壓線路遭受雷擊后,經變壓器偶合。低壓線路能產生100KV左右電壓,擊壞電子設備或其他電氣設施;

(2)信號線路

雷電流通過土壤和信號電纜,進入信號線路;

雷云對地面放電,在線路上感應上千伏電壓;

某一導線被雷電擊中時,相鄰的導線或電纜感應出過電壓;

3.電子信息系統防雷基本技術

電子信息系統防雷,要綜合運用以下幾項技術:

(1)分流(瀉流)

做好做夠接閃器、引下線(或主筋)和接地,將雷電流分流入地,而不流過被保護設備和部件,避免雷電引起對系統設備的反擊。

(2)均壓(等電位)

同一層同一部位的不同電纜外皮、設備外殼、金屬構架(構件)、管道等做好等電位連接,以均衡電位。這樣建筑物內不會產生反擊和跨步電壓,有利人身安全和減少雷電電磁脈沖對電子設備的干擾。

(3)屏蔽

采用屏蔽電纜、屏蔽箱盒、法拉第屏蔽籠等或其他可利用的自然屏蔽體,防御球雷、側擊和繞擊雷的襲擊,防御雷電電磁脈沖,阻擋、衰減施加在設備上的過電壓能量。

(4)接地

指將所有金屬構架(構件)、管道、電纜金屬屏蔽層、穿線鐵管連在一起,與屏蔽籠及總接地網就近連接。防雷接地、工作接地、保護接地宜采取共地方式。

(5)箱位保護

在電源線、信號線、接地線等過電壓可能侵入端口,裝設多級SPD過電壓保護裝置,將侵入網絡系統的沖擊過電壓控制到設備耐受允許的水平。

(6)合理布線

對于易受雷擊影響的弱電、強電線路,應穿金屬管防護,金屬管可靠接地。引入線路加裝避雷器或電涌保護器。減小因雷電災害造成的線路間的影響,把雷電災害減低到最低程度。

電子信息系統設備交流配電應采用TN—S系統接地方式。當交流電源采用TT系統時,從建筑物內部總配電柜(箱)開始引出的配電線路和分支線路必須采用TN—S系統。

為防止SPD失效短路,應在SPD前安裝短路保護器件;

4.SPD應與所在信號線路匹配

信號線路也應安裝二級或三級信號SPD進行雷電保護。“信號防雷器”串接于信號線路,雷電來襲時,能切斷雷電進入設備通路,迅速對地放電,同時確保信號系統正常工作。信號避雷器規格多種,分別用于監控、網絡、電話、模擬通信、數字通訊、有線電視及衛星天線等設備的防雷。應根據不同種類的信號線路的具體要求,選擇相應的SPD。經過SPD的防護,使得雷電壓電流降低到電子設備允許的范圍內。

(1)在進行信號線路防雷設計和信號SPD選型時應注意:

電壓匹配:SPD的最高工作電壓≥1.2倍信號線工作電壓。

頻率匹配:SPD頻率≥信號頻率。

接口匹配:SPD串接在信號線路上,為匹配阻抗及保持最小接觸電阻,應選擇與信號線上同類型的接口。

5.監控系統防雷

(1)前端設備:前端設備如攝像頭等應置于接閃器(避雷針等)的有效保護范圍之內,且避雷針最好距攝像機3～4米的距離。SPD標稱放電電流10KA。引上攝像機的電源線和信號線應穿金屬管屏蔽。攝像頭電源串聯低壓直流避雷器。前端設備要有良好的接地,接地電阻小于4Ω。

(2)傳輸線路:

傳輸線路直埋敷設方式防雷效果最佳。線纜或線纜應屏蔽穿鋼管埋地敷設,保持屏蔽鋼管的電氣連通。電纜進入終端或前端設備前穿金屬管埋地引入,且埋地長度不得小于15米。在入戶端將電纜金屬外皮、鋼管同防雷接地裝置相連。

(3)終端設備:從直擊雷防護、雷電波侵入、等電位連接和電涌保護等多方面進行雷電保護。

6.監控中心的防雷

應多方面進行雷電保護。

(1)監控中心所在建筑物應有防直擊雷的避雷針、避雷帶或避雷網等。

(2)進入監控中心的各種金屬管線應接到防感應雷的接地裝置上。架空電纜線直接引入時,在入戶處應加裝避雷器,并將線纜金屬外護層及自承鋼索接到接地裝置上。

(3)監控中心室內應進行等電位聯結。

(4)一般電源上應設置三級避雷保護。在各信號線、控制線等進入前端設備之前或進入中心控制臺前應加裝相應的避雷保護器。

(5)監控中心采用專用接地裝置時,其接地電阻不得大于4Ω。采用綜合接地網時,其接地電阻不得大于1Ω。

(6)監控線路電涌保護參照信號線路進行三級防護。

(7)多級使用時,開關型和限壓型之間距離>10m,限壓型和限壓型之間距離>5m。

(8)信號線路、監控線路等防雷參照各系統技術要求、現場情況和SPD參數進行防雷設計。

6.網絡系統防雷:

(1)在網絡交換機前的各端口前安裝24口網絡防雷器,流通容量5KA。

(2)在服務器的五類線接出端安裝單口網絡防雷器,流通容量5KA。

(3)在路由器的五類線接出端安裝單口網絡防雷器,流通容量5KA。

7.通訊信號保護:

(1)電話進線保護:安裝通信線路防雷器,流通容量5KA。

(2)電話內線保護:安裝電話線路防雷器,流通容量5KA。

(3)ADSL專線保護:安裝ADSL專線防雷器,流通容量5KA。

參考文獻:

[1]建筑物防雷規范(GB50057-94)

[2]計算機房防雷設計規范(GB50174-93)

[3]電子設備雷擊保護導則(GB7450-87)

[4]計算站場安全要求(GB9361-88)

[5]工作與民用電力裝置的過電壓保護設計規范(GB64-83)

[6]電信專用房屋設計規范(YD5003-94)

[7]過電壓保護器(VDE0675)