高速公路機電設備接地改造技術研究

吳現濮

(河南省交通規劃設計研究院股份有限公司,鄭州 450000)

0 引言

高速公路建設規模日益擴大,監控、配電照明、通信、收費等各種機電設備遍布各類線路,這對運行管理提出了更加嚴格的要求。接地系統是確保其安全運行的基本條件及重要保障,但高速公路機電設備接地存在不足,無法確保防雷接地的安全性,故分析高速公路機電設備接地改造技術具有重要的現實意義。

某高速公路始建于1998年,機電設備遍布全線,包括監控、配電照明、通信、收費、內部安防、辦公自動化、治超稱重系統等各種半智能及智能電子設備。該公路地處雷暴高發區,2019—2022年的年均雷暴日如圖1。

圖1 高速公路所在地年均雷暴日Fig.1 Average annual thunderstorm days in highway locations

由圖1可知,其年平均雷暴日為74.5～84.5 d/a,雷電持續時間較長,處于曠野的高壓供電線路、路面情報板、高桿攝像槍、隧道口可變標志等極易遭受雷擊,造成設備損壞、系統癱瘓。收集統計高速公路機電系統因雷擊損壞的數據得出如下結果：82%的高壓供電線路因雷擊損壞,32%的路面情報板因雷擊而損壞,高桿攝像槍、隧道口可變標志因雷擊而損壞的比例分別為14%、12%。

1 高速公路機電設備接地改造技術方案

1.1 高壓供電系統接地改造

高壓供電系統為架空線路,極易遭受雷擊,輕者跳閘,重者將導致導線或絕緣子損壞,影響高速公路收費運營工作的順利推進。在周邊供電線路遷移的同時優化改造架空線路,將工程高壓架空線路改為地下電纜敷設工程[1]。在電纜首端、尾端加裝HY5WS-17/50高壓氧化鋅避雷器,代替變電器低壓側閥型避雷器。在配電房低壓柜總進線開關出線位置、低壓柜總出線電纜首端輸出開關后(或分配電箱進線位置)、電方低壓出線電纜末端分別安裝第一級防雷箱REP-D380B7C、第二級避雷箱REP-D380B7C、第三級避雷箱REP-D380B3(參數見表1),電纜鎧裝鋼帶、避雷箱柜體外殼均接入接地網。對現場局部重要設備安裝防雷插座REP-D220CK,打造末端精細防護體系。

表1 避雷箱參數Tab.1 Lightning arrester parameters

1.2 建筑物與構筑物機電接地改造

新增路面低桿照明應連接橋梁段燈桿基礎、護欄內部鋼筋,進行鍍鋅扁鋼敷設,經扁鋼與路基段接地網連接。路基段燈桿設置獨立接地極,接地電阻小于等于10 Ω,基礎接地極經鍍鋅鋼管屏蔽保護接入地網,桿體與燈具保護接地線相連,打造等電位體系。

對于嚴重銹蝕的高速公路收費站點,重新進行防腐處理。將塔頂消雷器基礎、主塔鋼筋與護欄、燈支架、爬梯等外露金屬構件相連接,在未設置防雷設施建筑物頂部的女兒墻、屋脊等位置借助φ12鍍鋅圓鋼明裝避雷帶,避雷帶內相鄰支撐點間距100 cm,短針根長度50 cm。避雷帶殼與面層棚架、金屬構件、金屬凸出物、金屬管道可靠焊接,按照25 m及以下的間距由外側重新引下線,外側2.5 m±0.5 m位置開挖深0.8～1.0 m溝,溝內打入50 mm×50 mm×5 mm×2500 mm接地極,相鄰接地極之間相隔10 m,借助40 mm×4 mm鍍鋅扁鋼連接成接地網,將設備接地、信號線接地、電源線接地防靜電地板金屬支架、監視器接地、控制臺金屬計價與電池金屬機柜、UPS不間斷電源外殼接地,就近與接地網進行環形可靠連接,形成可靠等電位接地體系。

1.3 隧道出入口機電設備接地改造

為確保隧道出入口安全,令保護接地與防雷接地電阻達到國家規范要求,根據隧道出入口位置土壤電阻率高、可施工空間小、地理環境復雜的特點,綜合采用隧道主體接地網與變電所接地網連接、隧道洞口增設接地極、隧道內補充接地扁鋼接地改造方案,明確由預留預埋接地鋼筋、隧道主體鋼筋、電纜橋架接地扁鋼、電纜溝組成的高速公路隧道主體接地網,掌握室外人工接地極、建筑物結構基礎內鋼筋組成的隧道變電所接地網,采用40 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼直埋敷設方式,連接隧道主體接地網與隧道變電所接地網,擴大接地網面積,接地網周邊開挖0.7 m及以上深度接地溝,溝內均勻撒施高碳石墨降阻劑,降低接地電阻。重新檢測接地電阻值,將φ40 mm×2500 mm熱鍍鋅鋼管制作的人工接地極設置在接地電阻值仍超標的隧道洞口,接地溝開挖深度超出0.7 m,放入接地體后回填黏性土[2]。根據隧道主體接地網、變電所接地網連接后實測的接地電阻值確定接地網面積,有序完成人工接地,確保接地網保護效果。對隧道電纜溝內接地扁鋼嚴重銹蝕、缺失的部分采用40 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼,沿著電纜溝支架敷設接地扁鋼,將長度超出100 mm的接地扁鋼與支架進行可靠焊接防腐,形成可靠接地保護體系,參數見表2。

表2 隧道出入口機電設備接地改造參數Tab.2 Grounding modification parameters of electromechanical equipment at tunnel inlet and outlet

2 機電設備接地改造實踐

2.1 高壓架空改地下電纜敷設

地下線纜接地電阻與總體長度、土壤電阻率、埋設深度、直徑及等效直徑、形狀系數有較大關系。改造前,應確定適宜的地下電纜接地形狀,計算公式如下：

R=p[ln(L2/hd)]+AL/2πL

(1)

式中,R為地下電纜接地電阻,Ω;p為土壤電阻率,Ω·m;L為水平接地的總長度,m;h為水平接地的埋設深度,m;A為水平接地的形狀系數[3]。將已有數值代入,確定地下電纜接地電阻小于4 Ω的接地形式。確定形式后,沿著縱向、橫向開挖地下電纜敷設溝,敷設溝水平距離為5 m、8 m、10 m,深度為-0.8～0.6 m,寬度為0.4 m左右,形成一個網格。在網格外理直地下電纜,水平放入網格溝槽內,緊密與底部貼合。

2.2 高壓氧化鋅避雷器安裝技術

避雷器、電纜、電線線夾、電線端子、電線接頭準備完畢后,在待保護電氣設備周邊安裝高壓氧化鋅避雷器,確保其與機電設備之間距離恰當。利用電線接頭連接高壓氧化鋅避雷器、機電設備之間的電線[4]。將電線端子安裝到高壓氧化鋅避雷器與機電設備之間的電線上在高壓氧化鋅避雷器、機電設備之間的電線端子上安裝電線線夾。采用電氣測試法驗證高壓氧化鋅避雷器的運行情況,確保其安裝正常。

2.3 接地棒安裝技術

安裝隧道出入口接地棒時,應保持尖頭向下、抗沖擊螺栓向上的角度,將接地棒垂直于隧道出入口接地溝底部中心位置放置,促使接地棒、水平接地體無限接近,距離水平接地體“T”字交叉點(或十字交叉點)0.2 m以內(見圖2)。

1.接地網干線;2.接地棒圖2 接地棒安裝Fig.2 Grounding rod installation

確定位置后,利用重錘打入接地棒,打入期間接地極始終與地面呈90°[5]。在接地棒頂端距離地面20 cm時取下抗沖擊螺栓,連接新的接入棒,繼續在新的接地棒頂端安裝連接器、抗沖擊螺栓。重復多次,直到接地棒深度適宜,最終接地棒頂端與地面相距5 cm左右,此時取下連接器及抗沖擊螺栓,布放水平接地極,經鍍鋅圓鋼連接隧道機電設備及接地棒。

2.4 避雷帶明裝焊接技術

避雷帶接地線焊接時,應優先選擇搭接焊,焊劑為3個及以上棱邊,焊接長度為扁鋼寬度的2倍(或圓鋼直徑的6倍),在焊接痕跡外100 mm及以上位置進行除銹除焊藥防腐操作。根據避雷帶明裝圖紙要求提前規劃焊接過程,充分發揮放熱焊接牢固耐用、導電性能佳、耐腐蝕性強、速度快等優勢,具體見圖3。

圖3 避雷帶明裝焊接流程Fig.3 Lightning-belt surface mounting welding process

應打磨所需焊接部位,令材料露出本色。以打磨點為中心,左右各延伸10 cm來回烘烤加熱打磨材料,加熱時間為1.5 min,縮小放熱焊接反應前后溫差。根據要求平整焊接部位,利用塑料自黏帶纏繞端頭,利用夾具完成模具固定,采用噴燈加熱去除多余水分[6],在模具內放入杯狀焊藥,經電子控制器終端控制點火。點火結束后1～2 min移除模具,利用清潔刷去除焊接點焊渣,確保焊接質量。

2.5 接地線螺栓連接技術

對于部分無法使用焊接方式的有色金屬接地線,可先進行表面處理,再進行螺栓連接,接地溝內支架利用314不銹鋼膨脹螺栓固定,具體見圖4。

1.螺栓;2.連接板;3.接地引下線圖4 接地線螺栓連接Fig.4 Bolted ground cable

從增加連接有效接觸面來看,結合導體電阻、導體橫截面積負相關關系,為降低接觸電阻,可在螺栓直徑相同情況下綜合考慮螺栓材料屈服極限、螺栓危險截面面積、導體接觸電阻、導體長度、導體截面積、接觸壓力等因素,選擇外徑30 mm、有效連接面積466.09 mm2的專用螺栓。專用螺栓與接地線連接方式為外連接,以螺桿端頭內六角為撬杠支撐點,將撬杠穿入扁鋼,將撬杠端頭伸入內六角孔內,以一個較為輕緩的力道向上方提拉接地引下線,促使接地引下線連接板順撬杠滑動,完成接地引下線與螺桿的連接[7]。在高速公路攝像機桿子防直擊雷引下線接地位置增設接地極,合理并接機電設備接地體,避免桿子避雷針引雷地電位抬高電磁感生電涌,對機電設備造成損壞。

3 接地改造效果

接地電阻是機電設備接地系統質量評估的重要指標,是判定公路機電設備接地系統安全水平的主要參數之一。采用接地電阻測量儀法(或電壓表法),得出改造前后電設備接地電阻實測結果,見表3。

表3 改造前后機電設備接地電阻實測結果統計Tab.3 Statistics of measured ground resistance of electromechanical equipment before and after modification

由表3可知,接地改造前,3～6號監測點接地電阻遠遠超出規范要求(4 Ω),改造后,實測電阻下降,達到規范要求,符合《公路隧道交通工程設計規范》(JTG/T D71-2004)相關要求,表明改造效果良好。

4 結束語

由變電所接地網、人工接地網、人工接地鋼筋、左右側電纜溝銅芯電纜及沿電纜橋架敷設扁鋼組成的高速公路機電設備接地系統未考慮惡劣露天環境,在運營一段時間后極易因接地扁鋼銹蝕、接地鋼筋銹蝕而出現連接位置脫落、接觸不良等問題,致使接地電阻值無法達到規范要求,故需要改造高速公路機電設備接地,降低接地電阻,確保機電安全。