高速公路機電設(shè)備防雷措施研究

王文鵬

中圖分類號:G202文獻標(biāo)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(tǒng)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(tǒng)破壞很大,經(jīng)濟損失嚴(yán)重。因此,加大對多雷地區(qū)防雷的經(jīng)濟投入尤為重要。為保證人身及設(shè)備安全,本文作者提出了提出一些在設(shè)計施工中應(yīng)注意的問題供同行交流與參考。

關(guān)鍵詞:高速公路;機電工程設(shè)備;防雷

據(jù)調(diào)查,高速公路機電設(shè)施在運營時,常受到不同程度的雷擊破壞,嚴(yán)重影響機電設(shè)施正常運行,建設(shè)一個良好的防雷系統(tǒng)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(fā)生迅猛的放電現(xiàn)象。雷電直接擊在建筑物或高低壓線路、照明設(shè)施上,易產(chǎn)生爆炸和火災(zāi)、地電位升高和跨步電壓增大等嚴(yán)重后果。

2.感應(yīng)雷

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

(2)靜電感應(yīng):有帶電雷云出現(xiàn)時,雷云下面的建筑物或傳輸線路上會感應(yīng)出與雷云相反的束縛電荷。這種感應(yīng)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(yīng)雷擊。

3.雷電波侵入

電源線、信號傳輸線或進入室內(nèi)的其他金屬導(dǎo)體遭到雷擊或被雷電感應(yīng)時,雷電波沿這些金屬導(dǎo)線或?qū)w侵入設(shè)備,導(dǎo)致高電位差使設(shè)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(dǎo)體上產(chǎn)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(shè)備、線路、人體之間產(chǎn)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(shè)備,也可能造成人身傷害或火災(zāi)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(wǎng)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(yīng)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(shè)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(fù)接地:避免架空線路直接進入建筑物內(nèi),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(fù)接地。

三、防雷分區(qū)

1.我國關(guān)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(qū)

(1)直擊雷非防護區(qū)(LPZOA):本區(qū)內(nèi)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(qū)內(nèi)的電磁場未得到任何屏蔽衰減,屬完全暴露的不設(shè)防區(qū)。

(2)直擊雷防護區(qū)(LPZOB):本區(qū)的各類物體處在外部防雷裝置保護范圍之內(nèi),應(yīng)很少能遭到大于所選滾球半徑的直接雷擊;但本區(qū)內(nèi)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(qū)。

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

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

再次屏蔽的空間:如上述屏蔽大樓的另外設(shè)立的屏蔽網(wǎng)絡(luò)中心。

(5)第n屏蔽防護區(qū)(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(shè)備的后續(xù)雷電保護區(qū)。

再次屏蔽的空間:如上述屏蔽網(wǎng)絡(luò)中心內(nèi)的機器金屬外殼內(nèi)部,或接地的機柜內(nèi)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(shè)計,在變壓器和箱式變的架空線路高壓側(cè)進線和低壓側(cè)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(cè)進線和低壓側(cè)裝設(shè)避雷器。

在變電站或箱式變電站處做聯(lián)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(wǎng)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(shè)計。

3.高度突出的高桿燈、燈塔應(yīng)進行防雷設(shè)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(tǒng)防雷

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

道路監(jiān)控、收費、通信系統(tǒng)等使用了大量電子產(chǎn)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(shè)備外部防雷措施使得直擊雷不能進入內(nèi)部,但感應(yīng)雷能夠通過以下途徑侵入內(nèi)部,形成電涌,對電子設(shè)備等造成危害:

(1)電源線路

高壓線路遭受雷擊后,經(jīng)變壓器偶合。低壓線路能產(chǎn)生100KV左右電壓,擊壞電子設(shè)備或其他電氣設(shè)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(yīng)上千伏電壓;

某一導(dǎo)線被雷電擊中時,相鄰的導(dǎo)線或電纜感應(yīng)出過電壓;

3.電子信息系統(tǒng)防雷基本技術(shù)

電子信息系統(tǒng)防雷,要綜合運用以下幾項技術(shù):

(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(shè)備和部件,避免雷電引起對系統(tǒng)設(shè)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(shè)備外殼、金屬構(gòu)架(構(gòu)件)、管道等做好等電位連接,以均衡電位。這樣建筑物內(nèi)不會產(chǎn)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(shè)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(cè)擊和繞擊雷的襲擊,防御雷電電磁脈沖,阻擋、衰減施加在設(shè)備上的過電壓能量。

(4)接地

指將所有金屬構(gòu)架(構(gòu)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(wǎng)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(shè)多級SPD過電壓保護裝置,將侵入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的沖擊過電壓控制到設(shè)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(yīng)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(zāi)害造成的線路間的影響,把雷電災(zāi)害減低到最低程度。

電子信息系統(tǒng)設(shè)備交流配電應(yīng)采用TN—S系統(tǒng)接地方式。當(dāng)交流電源采用TT系統(tǒng)時,從建筑物內(nèi)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(tǒng)。

為防止SPD失效短路,應(yīng)在SPD前安裝短路保護器件;

4.SPD應(yīng)與所在信號線路匹配

信號線路也應(yīng)安裝二級或三級信號SPD進行雷電保護?！靶盘柗览灼鳌贝佑谛盘柧€路,雷電來襲時,能切斷雷電進入設(shè)備通路,迅速對地放電,同時確保信號系統(tǒng)正常工作。信號避雷器規(guī)格多種,分別用于監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)、電話、模擬通信、數(shù)字通訊、有線電視及衛(wèi)星天線等設(shè)備的防雷。應(yīng)根據(jù)不同種類的信號線路的具體要求,選擇相應(yīng)的SPD。經(jīng)過SPD的防護,使得雷電壓電流降低到電子設(shè)備允許的范圍內(nèi)。

(1)在進行信號線路防雷設(shè)計和信號SPD選型時應(yīng)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(yīng)選擇與信號線上同類型的接口。

5.監(jiān)控系統(tǒng)防雷

(1)前端設(shè)備:前端設(shè)備如攝像頭等應(yīng)置于接閃器(避雷針等)的有效保護范圍之內(nèi),且避雷針最好距攝像機3～4米的距離。SPD標(biāo)稱放電電流10KA。引上攝像機的電源線和信號線應(yīng)穿金屬管屏蔽。攝像頭電源串聯(lián)低壓直流避雷器。前端設(shè)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(shè)方式防雷效果最佳。線纜或線纜應(yīng)屏蔽穿鋼管埋地敷設(shè),保持屏蔽鋼管的電氣連通。電纜進入終端或前端設(shè)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(shè)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(jiān)控中心的防雷

應(yīng)多方面進行雷電保護。

(1)監(jiān)控中心所在建筑物應(yīng)有防直擊雷的避雷針、避雷帶或避雷網(wǎng)等。

(2)進入監(jiān)控中心的各種金屬管線應(yīng)接到防感應(yīng)雷的接地裝置上。架空電纜線直接引入時,在入戶處應(yīng)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(jiān)控中心室內(nèi)應(yīng)進行等電位聯(lián)結(jié)。

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

(5)監(jiān)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(wǎng)時,其接地電阻不得大于1Ω。

(6)監(jiān)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(guān)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(jiān)控線路等防雷參照各系統(tǒng)技術(shù)要求、現(xiàn)場情況和SPD參數(shù)進行防雷設(shè)計。

6.網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)防雷:

(1)在網(wǎng)絡(luò)交換機前的各端口前安裝24口網(wǎng)絡(luò)防雷器,流通容量5KA。

(2)在服務(wù)器的五類線接出端安裝單口網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(nèi)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:

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