芻議高速公路機電系統過電壓保護與防雷接地設計

陳志強

廣東新粵交通投資有限公司

芻議高速公路機電系統過電壓保護與防雷接地設計

陳志強

廣東新粵交通投資有限公司

本文主要從高速公路機電系統過電壓保護與防雷接地設計的重要性出發并重點分析了高速公路機電系統的過電壓入侵途徑和高速公路機電系統防雷接地設計兩方面。

機電系統；高速公路；防雷接地設計

高速公路防雷系統工程中房建防雷與機電系統防雷應具有良好協調性，機電設計中防雷部分在設計上需有良好的綜合性和系統性，即在技術參數的確定、防雷產品選型、施工材料的選取、防雷器安裝等方面都要深入研究和探討，防雷系統方案要完整 , 技術指標和工藝要求要明確。

1 高速公路機電系統過電壓保護與防雷接地設計的重要性

現階段，電子科學技術的快速發展，使得人們對高速公路機電系統建設安全穩定性的需求越來越大。然而，在實際進行公路工程路基路面的施工過程中，會給其沿線的土壤電阻率造成一定影響，這就使其成為了雷電或雷擊感應的薄弱點。在此情況下，高速公路的機電系統就會遭受不同程度的雷電侵害。例如，部分機電系統設備功能喪失，嚴重的甚至能導致系統癱瘓，這就給公路涉及的交通運輸網絡以及工程建設的經濟成本帶來隱患和損失。長此以往，高速公路網絡的建設水平將難以得到快速發展。因此，相關建設人員應在明確高速公路機電系統過電壓保護問題的前提下，找出具體控制的措施。

2 高速公路機電系統的過電壓入侵途徑分析

2.1 輻射耦合的入侵

高速公路機電系統的過電壓輻射耦合入侵方式，是以雷電產生的電磁脈沖作用于周圍的媒介來向外傳播的。換句話說，就是以電磁波的形式來影響公路工程機電系統的過電壓保護。電磁波的輻射耦合途徑包括：電纜、天線以及機殼等。

2.2 傳導耦合的入侵與控制

高速公路機電系統的過電壓入侵，主要是通過電子設備與系統電子設備之間的傳導耦合來實現作用的。此過程，傳導耦合的作用是通過雷電流與電子設備之間的電路連接來實現的。當雷電發生時，雷電流就會沿著機電系統設備內的連接電路，影響電子設備的正常運行。

這里指的系統連接線路包括：電源線、連導線以及信號線等。而系統過電壓的傳導入侵也可按照耦合方式的不同，分為電容性耦合、阻抗性耦合以及電感性耦合。對其進行控制可通過在系統的控制回路中安裝浪涌保護器，以降低線路的阻抗和電源內阻。值得注意的是，由于電感性耦合引起的感應過電壓入侵，是與雷電流的工作頻率成正比的。因此，系統建設人員可通過減小互感，來實現高速公路機電系統的過電壓保護。

3 高速公路機電系統防雷接地設計分析

3.1 明確防雷接地的設計要求

在設計高速公路防雷接地系統的過程中，設計人員要充分考慮工程所處的環境影響因素、雷電活動情況、設備布設情況以及雷擊造成問題的影響范圍等。具體來說，設計人員可綜合采用分流、接閃、屏蔽、均壓、共用接地以及合理布線等電磁脈沖防護措施。此過程，接地設計人員要以綜合治理、全面規劃以及應用先進技術為核心，從而實現高速公路機電系統的防雷接地設計應用效果。

3.2 接地系統設計

目前，高速公路機電系統建設采用的防雷接地系統設計，大多為共用接地系統，其是由等電位連接網絡以及相關的接地裝置組成的。而接地裝置是由人工接地體和自然接地體組成。因此，在實際的系統設計過程中，設計人員要先保證接地電阻值接入的電子設備為最小值。對于接地裝置的設計使用，要采用自然接地體，即建筑物的基礎鋼筋、收費島、收費大棚支柱的基礎鋼筋以及車道的基礎鋼筋等。此外，在設置機電系統空地建設的過程中，要將人工水平接地體與垂直接地體的間距控制在5m以內。這樣一來，就能降低地方限制所帶來的設計影響。

3.3 直擊雷防護設計

設計人員應根據高速公路防雷設計的規范內容，將收費亭和監控中心大樓所能承受的雷擊次數設置在0.06次/a以上，即二類防雷建筑工作。具體來說，設計人員可按照滾球法來設計直擊雷的防護效果。首先，設計人員要確定避雷針的布局、樹木以及高度等指標參數，以保證其具有保護高速公路收費亭以及監控中心大樓各類通信天線安全的效果。其次，作用于收費亭的直擊雷防護設計，可將金屬構架、金屬頂棚、金屬支柱以及路面的基礎鋼筋作為引下線、接閃器以及其他相關的接地裝置。此外，對于廣場的照明設備、道路，也要通過設置避雷針以保證人員使用的安全穩定性。最后，設計人員還要對廣場的攝像機、情報板以及立柱等場外設備，設置避雷針以實現與場外電子設備的接地共用。

3.4 屏蔽和等電位處理設計

由于高速公路的監控中心大多設置在建筑物的低層，因此雷擊屏蔽及等電位處理設計人員，應使建筑結構中的金屬門窗框與鋼筋形成一個屏蔽籠。具體可在監控中心機房底部通過預設等電位連接端子板，以實現防雷接地系統電氣的就近連接。對于機房的外墻結構來說，結構鋼筋的設備應加密，即將鋼筋的網孔控制在200×200mm以內。這樣一來，鋼筋結構就能實現與門窗的電氣連接，從而形成一個完整而可靠的屏蔽籠。

3.5 感應雷及雷擊電磁脈沖(LEMP)的防護設計

由于感應雷及電磁脈沖所產生的電動勢，是通過高速公路機電系統中的信號數據傳輸線、電源供電線路以及各種管線而形成了瞬間高電壓脈沖。這種電磁脈沖會嚴重破壞機電系統中的各類用電設備以及微電子芯片。一方面，設計人員要對信號系統進行防雷處理。相關研究表明，進、出建筑物的信號線纜主要作用于：直擊雷防護區(LPZ0B)、直擊雷非防護區(LPZ0A)以及第一防護區(LPZ1)交界處。因此，設計人員應通過設置具有配套適用性的SPD，來保護車輛檢測信號輸入處、收費亭網絡信號以及電動欄桿的控制信息等。另一方面，防雷接地設計人員還要電源系統采取相應的控制措施。具體來說，設計人員要在直擊雷防護區(LPZ0B)、直擊雷非防護區(LPZ0A)以及與第一防護區(LPZ1)交界處，通過安裝能夠承受I級分類試驗的限壓型浪涌保護器和浪涌保護器作為第一級防雷保護設備。這里指的具體內容包括：變電所、配電房處的變壓器高以及低壓側應分別安裝適配的電源SPD等。

4 結束語

綜上所述，高速公路機電系統的過電壓保護工作，要在明確不同入侵途徑的前提下，通過安裝浪涌保護器與減小互感來實現保護。而防雷接地設計要按照雷擊的類型，對高速公路機電系統進行分塊設計，以提高接地設計的作用效果。

[1]柳志江,李杏,葉明,鄒治寰. 淺談茂湛高速公路機電系統的防雷保護[J]. 科學之友,2012,04：38-39.