高速公路筑養過程中的防雷措施

燕海兵

從我國第一條高速公路投運至今,高速公路機電系統都不同程度地遭受雷電侵害。輕者部分設備被雷電擊壞,系統喪失部分功能;重者全系統癱瘓,經濟損失慘重,甚至給交通安全帶來極大隱患。隨著我國高速公路的不斷增加,機電系統遭受雷擊的事件也在不斷增加,因此,高速公路機電工程防雷是高速公路機電建設不可缺少的一部分,特別是雷害重災區的高速公路機電防雷工程更加不能忽視。

高速公路機電系統應采用先進的防雷設備,加上嚴格而合理的工程建設和運行措施,這樣才能把雷害降至最低直至消除。在高速公路機電工程建設中要綜合考慮各種因素,不同的系統應采用不同的防雷措施。

1 雷電侵入機電系統的途徑

1.1 由系統通信線和信號傳輸電纜侵入

高速公路機電工程中的通信線主要包括計算機系統的網絡線、攝像系統的信號線等,信號電纜直接與設備接口相連,因此信號傳輸電纜線中出現的雷過電壓、過電流會通過設備接口直接侵入設備。

1.2 由交流供電線路侵入

不管是架空的高壓電力線還是低壓電力線,均可能被直擊雷或感應雷擊中。

1.3 高地電位反擊

機電設備附近的避雷針或房屋避雷裝置可以吸引雷電,保護建筑物,但當雷擊時強大的雷電流經引下線和接地裝置導入大地時,接地裝置周圍土壤形成喇叭形電位分布。當計算機設備的接地裝置與其接近時,高地電位便可由此侵入計算機設備造成危害。

2 防雷接地的種類和作用

2.1 工作接地

供電系統用變壓器的中性點直接接地,在工作或事故情況下,保證電器設備可靠地運行,降低人體接觸電壓,迅速切除故障設備或線路。

2.2 保護接地

電器設備在正常工作情況下,不帶電的金屬部分與接地體之間應做良好的金屬連接。在中性點的接地系統中,如果電器設備沒有保護接地,當該設備某處絕緣損壞時,外殼將帶電,同時由于線路與大地間存在電容,人體觸及此絕緣損壞電器設備外殼,則電流流入人體形成通路,人將遭受觸電的危險。設有該接地裝置后,接地電流將同時沿著接地體和人體兩條通路流過,接地電阻越小,流過人體的電流也越小,當接地電阻極微小時,流經人體的電流可不至于造成危害,人體避免觸電的危險。

2.3 重復接地

將零線上的多點與大地多次做金屬性連接。當中性點直接接地系統中發生碰殼或接地短路時,可降低對地電壓;當零線發生斷裂時,可以使故障的危害程度減輕。

2.4 直流工作接地

為使同一系統的計算機、微電子設備的工作電路具有同一電位參考點,將所有設備的零電位點接于同一接地裝置,它可以穩定電路的電位,防止外來干擾,這稱為直流工作接地。同一系統的設備接于同一接地裝置后,無論是模擬量還是數字量,在進行交換或通信時,才有統一的電位參考點,從而給接于同一接地裝置的計算機或微電子設備提供穩定的工作電位,有效地衰減以致消除各種電磁干擾,保證數據處理或信號傳遞準確無誤。

2.5 防雷接地

為使雷電浪涌電流導入大地,使被保護物免遭直擊雷或感應雷等浪涌過電壓、過電流的危害,所有建筑物、電器設備、線路、網絡等不帶電金屬部分,金屬護套,以及一切水、氣管道等均應與防雷接地裝置做金屬性連接。

3 高速公路機電工程防雷措施

3.1 監控外場設備的防雷設計

外場設備包括CCTV設備、車輛檢測器、可變情報板、可變限速標志、可變交通信號燈等。直擊雷的防范措施是在CCTV立柱頂端安裝避雷針,經接地引下線與接地網相連。對感應雷的防范,在外場機箱的出入線處加設防雷器,防雷器的接地端與地網相連。為了防止雷電對設備的嚴重破壞,建議在外場設備機箱內,除了設置防雷器外,對電源進線加設變壓器隔離;對信號進線采取光電隔離措施。外場設備接地裝置采用一字排開,一般埋設在高速公路的斜坡底或排水溝的兩邊,防雷接地電阻不大于10 Ω。

3.2 集群基站鐵塔的防雷設計

該系統防雷須滿足以下幾點:

1)鐵塔頂端設置避雷針,天線應在避雷針的45°傘狀保護范圍之內。

2)鐵塔避雷針應設置專用接地引下線,材料采用40×4鍍鋅扁鋼,接地引下線路要求與機房方向相反。

3)當鐵塔位于機房旁邊時,鐵塔地網應延伸到塔基四腳處1.5 m的范圍,接地體呈網狀,網格尺寸應不大于3 m×3 m,其周邊為封閉式,同時還要利用鐵塔基礎地樁內兩根以上主鋼筋作為鐵塔地網的垂直接地體。接地電阻應小于4 Ω。

4)鐵塔設備的電源線、信號線和控制線應采用鎧裝電纜,并要求遵從饋線接地原則,每根線纜在機房入口處應分別對地加裝避雷器。

3.3 站房設備的防雷設計

必須為所有室內機電工程設備提供防雷接地、工作接地和保護接地,地網應沿機房建筑物散水外設環形(可以不封閉)接地裝置,接地網上焊接一根40×4的扁鋼,穿墻進入站房內,在底層的豎井邊側設置一個接線盒,作為整座樓的接地匯合端;在接線盒內設置一塊銅排,一端連接扁鋼,另一端連接各樓層的接地引下線。每樓層內設置一個接地銅排,樓層內的所有接地線包括防雷設備的接地、工作接地和保護接地都接到接地銅排上。

3.4 收費廣場防雷設計

收費廣場的天棚作為建筑物應有防雷設施,故在收費亭內外的設備不易遭受直擊雷的破壞,因此設備防雷主要針對感應雷,防雷保護主要針對纜線兩端,包括電源線、信號線、網絡線等。接地網宜設置在收費廣場的外側,沿公路邊坡一字排開,接地電阻應小于4 Ω。采用一根25 mm2的銅芯線,將地網連到廣場邊側收費亭人井內的接線盒銅排上,連接各個收費亭的接地銅排。

3.5 信號傳輸線的屏蔽

電纜最外層的鎧裝保護套應多點可靠接地;電纜屏蔽的效果取決于它的轉移阻抗和絕緣層介質的絕緣強度,因此,宜選用轉移阻抗小的電纜。

3.6 光電隔離

隨著光纖和光傳輸設備價格的下降,在投資允許的情況下,盡可能采用光設備。如收費廣場到收費站機房的收費數據、收費亭的圖像傳輸就可以使用光纖傳輸,防止雷電過電壓的侵入。

3.7 均壓

均壓就是把導體做良好的導電性連接,使它們達到電位相等,為雷電流提供低阻抗的連續通道,使其迅速導入大地。把收費站(中心)機房的設備、金屬管道、電纜的金屬外皮、構架等主要金屬物,就近接到電氣裝置的保護接地裝置上。在機房的金屬管道、電纜等進入或引出處,把保護接地干線、電氣裝置的接地干線、金屬管道、電纜的金屬外皮、建筑物的水管等導電部分,在等電位聯結端子板上連接起來,然后再與接地母線相連。

3.8 分流

雷電感應過電壓是造成機電系統電子設備損壞的主要原因之一。為防止雷電過電壓波侵害,機電系統還應在電纜和終端設備的輸入端連接處裝設避雷器和保護器件。

3.9 聯合接地

在條件可能的情況下,最好使建筑物和機電系統或機電系統不同的子系統之間采用聯合接地方式。在建筑物和機電系統之間采用聯合接地時,接地體以采用自然接地體為主。當自然接地體同時滿足3個條件,即接地電阻能滿足規定值要求;基礎外表面無絕緣防水層;基礎內鋼筋必須連接成電氣通路,同時形成閉合環,閉合環距地面不小于0.7 m。

4 結語

高速公路機電系統防雷接地問題很復雜,涉及到的方面也較多,筆者認為,在今后的機電工程中,應盡可能采用聯合接地,接地電阻小于1 Ω,同時加強避雷器的使用,這樣可以減少雷擊造成的損失。

[1] 花鐵森.建筑弱電工程安裝施工手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1999:29-43.

[2] 葉佩生.計算機機房環境技術[M].北京:人民郵電出版社,1999:105-110,148-156.