高速公路機電設施雷電破壞的分析與治理

蔡智敏

雷電對高速公路機電設施的影響較大，為了保證高速公路機電設施的正常運行，需做好雷電防護工作。文章從雷電對機電設施的危害途徑、雷擊風險評估、防雷措施等方面，闡述了高速公路機電設施的防雷工作要點。

雷電危害;高速公路;機電設施;防雷措施

U412.36+6-A-39-136-4

0?引言

高速公路機電系統的安全、穩定運行是高速公路運行質量與性能的重要保障。高速公路機電系統是一個技術復雜，機電設備分布點多、線長、面廣的集成系統，主要包括監控系統、通信系統、收費系統、隧道機電系統等。受高速公路路段長，沿線環境開闊、多樣，機電系統自身脆弱等因素影響，高速公路機電系統較易遭受雷電侵襲。機電設施一旦遭受雷擊，輕則會使設備出現故障、損壞，重則會使整個機電系統癱瘓，影響高速公路車輛的正常運行，造成不好的社會影響。因此，做好高速公路機電設施雷電防護工作意義重大。本文將從雷電的危害、高速機電設施易受雷災的原因、雷擊風險評估、防雷措施等方面進行闡述，以對高速公路機電設施的防雷工作有一個全面的了解。

1?雷電的危害

自古以來，雷電給人類帶來了不計其數的經濟和人身傷害。雷電發生時，會釋放出強大的脈沖電流，伴隨著強大的熱能、機械能、電能，會引起建筑物起火、受損，導致人員傷亡，影響電子、電氣設備，帶來嚴重損失和后果[1]。據相關統計結果顯示，在各種災害造成的損失中，因雷電災害造成的損失比例較大。隨著社會經濟的全面提速發展，機電設備的使用從國防建設到國民生活遍布各個領域。但是，機電設備本身的過電壓水平和抗干擾能力較弱，伴隨著機電系統的不斷發展，雷擊災害對人類的威脅也就越大，這就需要深入對機電系統的雷電防護進行研究。

雷電是大氣中一種強烈的放電現象，放電電壓可以高達數百萬伏，放電電流可以高達幾十萬安培。雷電分為云閃和地閃：云內和云與云之間的放電，稱為云閃;云與大地之間的放電，稱為地閃。雷電的破壞力巨大，會嚴重威脅高速公路機電設施的安全運行。云閃對機電設施的影響較小，地閃的影響較大，發生地閃時雷電流泄放到大地中，

在泄放過程中對機電設施造成破壞即為雷電災害。為了更好地預防雷災，就得了解雷電入侵機電設施的方式。雷電流的入侵方式主要有雷電直擊、雷電感應、地電位反擊三種方式[2-5]。

（1）雷電直擊：帶電云層與地面物體之間發生的劇烈放電現象稱為雷電直擊。雷電擊中建筑后，會產生強大的熱效應、電效應、機械力。熱效應會燒毀線路或設備;電效應會產生很高的電壓，擊穿設備;機械力會炸毀設備。在雷擊點及其相連金屬物體會有很高的電壓，可能會引起接觸電壓或跨步電壓等觸電事故，危害人身安全。

（2）雷電感應：雷電感應分為靜電感應和電磁感應。靜電感應：帶電云層使地面某一范圍金屬物體會因為靜電感應帶上與云層電荷相反的電荷。當云層發生放電后，云層電荷消失，地面金屬物體感應出的電荷也會流散，由于泄流電阻大，會出現局部高電壓，從而造成傷害。電磁感應：云層放電時，雷電脈沖會形成強大的磁場，在周圍的金屬物體上感應出電動勢，在閉合的金屬回路中感應出電壓、電流。感應產生的過電壓會影響機電設施的正常工作，甚至損壞機電設施。雷電感應的強度雖然不如雷電直擊，但是雷電感應的影響范圍要大于雷電直擊，感應電壓、電流可以通過線路傳輸到更遠，從而擴大雷電感應的危害范圍，因此要更加注重對雷電感應的防護措施。

（3）地電位反擊：雷電擊中接閃器后，防雷裝置的電位升高，會與周圍不共地的機電設施之間出現電位差。當電位差大于一定值時，會發生間隙擊穿，從而損壞機電設施，這種由電位差導致的空氣間隙擊穿稱為地電位反擊。

2?高速公路易受雷災原因

受高速公路環境因素、雷電防護工作等因素的影響，高速公路機電設施雷電災害發生的概率較大[6]，主要表現為以下幾個方面：

（1）承災體脆弱性：機電設施大多數為弱電設備或電子設備，其本身的抗干擾能力較弱，受雷擊影響發生故障的可能性較大。

（2）環境因素：高速公路一般是位于較為空曠的地方，收費站、收費站建筑物、外場設備等設施相對于周邊環境，較為突出，容易遭受雷擊。高速公路線路長、面積大等因素也增加了高速公路機電設施遭受雷擊的概率。在電子化高度發展的今天，為了提供更好的服務，更多的機電設施投入使用，也對防雷工作提出了更高的要求。

（3）輕視雷電感應的防護工作：根據實際的工作情況，雷電防護主要側重于對雷電直擊的防護，對于雷電感應的防護工作較為輕視。很多設計、施工單位對于雷電感應的防護認識不夠到位，忽視了相關的防護工作。但是在實際工作中，雷電感應造成的損失要大于雷電直擊造成的損失，因此需加強對雷電感應的防護工作。

（4）高速公路機電設施防雷檢測工作不到位：根據相關制度要求，防雷裝置需進行定期檢測和維護，一般每年至少開展一次防雷裝置檢測工作。就實際情況來說，部分高速公路機電設施并沒有設置完善的防雷檢測制度，在發生雷災后也沒有進行防雷檢測和整改，這留下了雷擊隱患，會加大雷電事故發生的可能性。

3?雷擊風險評估

為了減少高速公路機電設施的雷擊損失，需要做好雷擊風險評估，并根據評估結果做好防雷措施。

20世紀初提出了“綜合防雷系統”的概念，完善了雷電防護工作，但是要做到完全避免雷擊損害是不現實的。國際相關標準和我國相關防雷規范也指出，建筑物按規范安裝避雷裝置，也只是將雷擊傷害降到最低程度，只是減少雷擊帶來的損失和傷害。各行各業認為大量投入資金建設防雷工程就能起到最好的防護效果，但是效果可能并不盡如人意。所以，才需要對雷擊風險進行合理的評估，從而實現科學、精準、經濟的雷電防護。雷擊風險評估可以為建設項目雷電防護設計提供重要的參考依據，可更有針對性地采取防雷措施，為風險控制、建設成本控制提供有效的建議。

雷電災害風險評估是根據項目所在地雷電活動特征、環境情況、承災體情況，運用科學的評估方法，對雷擊建筑物、線路、建筑物附近或線路附近引起的后果進行計算分析，從而判斷建筑物是否需采取或增加雷擊防護措施以及判斷其防雷薄弱環節，并對防雷措施的選擇提供參考建議。雷電災害風險評估主要是以GB/T21714.2-2015雷電防護標準為技術路線，通過計算風險R來進行評估[7-8]。不同的雷擊損害成因（雷擊建筑物、雷擊建筑物附近、雷擊線路、雷擊線路附近），會造成不同的損害類型以及損失類型。每種損失類型都有與其對應的風險分量R?1-R?4，需要根據損害成因和損害類型，進行各風險分量的計算，各風險分量的總和即為風險R。

風險分量計算的公式如下：

R?x=N?x×P?x×L?x（1）

式中：

N?x——每年危險事件次數;

P?x——建筑物的損害概率;

L?x——每一次損害產生的損失率。

4?防雷措施

雷擊風險評估可以為防雷設計提供可靠的參考依據，根據評估結果進行合理、科學的防雷設計，既能有針對性地加強防雷措施，也能避免不必要的浪費。防雷措施主要分為兩個方面：外部防雷措施和內部防雷措施[3][9]。

4.1?外部防雷措施

外部防雷措施主要為雷電直擊防護措施，這是防雷擊危害最直接、最有效的防護措施，主要由接閃器、引下線、接地裝置構成。外部防雷措施需要在建筑物上裝設接閃裝置，通過引下線將雷電引入接地裝置，利用接地裝置將雷電流順利地泄放到大地中去。

當雷電流擊中接閃裝置時，接閃裝置、引下線、接地裝置的電位會升高，如果被保護設備離接閃裝置的距離太近，會對設備造成雷電流反擊，從而擊壞設備。為此，外部防雷裝置與被保護設備應該保持一定間距，以防止雷電反擊。此外，引線下的數量會影響雷電流的分流效果，雷電流擊中接閃裝置后，雷電流流過引下線會產生強大的感應磁場。引下線越多，流經每根引下線的電流越少，產生的感應磁場就越小。雷擊建筑還會引起接觸電壓和跨步電壓，傷害人身安全。當建筑物受雷擊時，人體接觸了帶電物體，會在接觸點和地面間形成電位差，即為接觸電壓。雷電流流散到地面上，會在地面上形成電位差，人的雙腳若是跨開的狀態，就會在兩腳間形成電位差，即為跨步電壓。為了避免接觸電壓和跨步電壓帶來的傷害，應采取必要的均壓措施。

高速公路機電設施雷電直擊防護主要包括機電設施所在建筑物、收費亭、外場設備的雷電直擊防護。雷電直擊防護的具體措施參閱《GB 50057-2010建筑物防雷設計規范》《GB/T 21714.3-2015雷電防護第3部分：建筑物的物理損壞和生命危險》等相關規范，本文不展開具體的闡述。只有外部防雷措施是不足的，在雷電流動過程中雷擊電磁脈沖、地電位反擊、雷電感應等多種情況可能使機電設備損壞或者失效，為了減少這些情況帶來的損害，還必須做好內部防雷措施。

4.2?內部防雷措施

內部防雷措施是防止雷擊電磁脈沖、雷電感應、地電位反擊等二次雷害的有效手段，主要由等電位連接系統、屏蔽系統、浪涌保護器、合理布線、共用接地系統等幾部分組成。

（1）等電位連接系統：等電位連接是將分開的各金屬物體采用金屬導線進行電氣連接，將電氣和電子設備的金屬外殼、機架、金屬管、電纜屏蔽層、電涌保護器接地端等以最短的距離與等電位連接帶相連，從而使他們成為一個等電位體，減少電位差。要求最短距離連接，是因為這樣可以減少環路面積，降低雷電流脈沖產生的電磁感應強度。

（2）屏蔽系統：雷擊發生時，機電設施會受到雷擊電磁脈沖的干擾，由于機電設施自身的過電壓耐受水平較低，容易被損壞。屏蔽則是減少電磁脈沖干擾的重要手段，可以減弱雷擊產生的電磁干擾，降低機電設施遭受電磁脈沖傷害的概率。屏蔽系統應構建法拉第籠來實現電磁屏蔽功能，應該盡可能利用建筑物本體的金屬構件。法拉第籠是第一層屏蔽，還不能很好滿足機電設施的屏蔽要求，需要在機房或者設備本身增加金屬屏蔽網，提高屏蔽性能。另外，線路屏蔽也是減少磁場干擾的重要方法。機電設施線路應盡量采用屏蔽線纜或者穿金屬管、金屬線槽敷設，并按相關要求做好等電位連接和接地。

（3）浪涌保護器：浪涌保護器是用于限制電涌電壓和泄放電涌電流的裝置，當雷擊發生時，會產生瞬態過電壓，浪涌保護器內部的非線性電器元件（如壓敏電阻等）的阻抗會迅速減小，將雷電流泄放至大地，以保護后端線路和設備。浪涌保護器的應用應注意上下級能量的配合，才能有更好的效果。

（4）合理布線：機電設施是由電氣、電子設備以及電源、信號等各種線路共同組成的，為了保證在遭受雷電直擊或雷擊機電設施附近時不受影響，要考慮線路布設、設備放置的合理性。①機電設備應盡量敷設在建筑物底層的中心位置，并與引下線、建筑物結構鋼筋保持一定距離。②線路應盡量采用屏蔽線路或者穿金屬管道敷設。③機電設備線路與電力線路、金屬管道之間保持一定的距離，且敷設時應避免交叉、纏繞。

（5）共用接地系統：共用接地系統是將防雷接地、工作接地與安全保護接地等接地系統連接到一個公共的接地裝置上，或者將這些接地系統相互連接起來，從而形成一個統一的接地系統。當雷電流泄放到接地裝置中時，共用接地裝置可以保證各接地系統之間不存在電位差，就不會發生因地電位反擊損害設備的情況。

高速公路機電設施的內部防雷需要根據以上幾個系統進行合理的防雷設計和施工，具體的措施可參考《GB 50057-2010建筑物防雷設計規范》《GB 50174-2017數據中心設計規范》《GB/T 21714.4-2015雷電防護第4部分：建筑物內電氣和電子系統》《GB/T 37048-2018高速公路機電系統防雷技術規范》等相關規范。只有通過這幾方面防雷措施的協調配合才能最大限度限制雷擊造成的損失，保證系統的穩定運行。

5?結語

高速公路機電設施防雷工程是一項龐大復雜的系統工程，本文主要從雷電危害形式、雷擊風險評估、防雷措施等方面闡述了高速公路機電設施防雷工作的要點。高速公路是我國經濟發展的基礎，是重要的交通樞紐，其穩定運行對于經濟和民生具有重要的意義，而機電設施是高速公路的重要組成部分，是高速公路防雷工作的重點。隨著省界收費站的取消，ETC門架的應用對高速公路機電設施防雷工作提出了更高的要求。因此，要提高對高速公路機電設施防雷的重視程度，做好高速公路機電設施的防雷工作，將雷擊危害降到最低，保證高速公路的正常運行。

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