高速公路機電設備防雷技術探討

賴偉勇

（廣州北環高速公路有限公司，廣東 廣州 510000）

隨著科學技術的快速發展，高速公路中廣泛地應用了各種電子設備，其機電信息系統既包括有大量通信、收費、監控設備的弱電設備系統，還包括包含供配電照明等設備的強電設備系統。由于電子設備一般絕緣強度低，且過電壓耐受力差，極易受到雷電的襲擊：此外，高速公路一般地域廣、所穿越的地形較復雜，也容易受到雷電的干擾。以往在高速公路的設計和施工中，機電設備的防雷接地問題常被忽視，導致機電系統中存在眾多的防雷薄弱環節，機電設備受雷擊的事故時有發生，造成了部分機電設備的損毀，甚至整個系統的癱瘓，從而嚴重影響交通運輸的正常運行和安全。因此，加強對高速公路尤其是機電設備的防雷接地保護勢在必行。

1 雷電對高速公路機電設備的危害

雷電是一種常發自然現象，通常因大氣中熱空氣與冷空氣摩擦而產生帶有不同電荷的小水滴，當這種正負電荷達到一定值時，因不同極性的云團之間、云團與地之間存在強大的電場，從而產生云團之間以及云團對大地的放電現象，具有電壓高、電流大等特點，很容易破壞電子設備，已經被國際電工委員會列為電子時代的一大公害。

雷電作為一種具有極大破壞力的強干擾源，造成高速公路機電設備損害主要有以下2類：①直擊雷，雷電產生時的巨大電流，使地電位瞬間升高，巨大的電位差作用可以造成設備、建筑物的損害和人員傷亡；②感應雷，感應雷電流可以通過電源線纜、通信線路以及衛星天線等途徑侵入機電設備房內，尤其以電源電纜感應雷最為突出，對機電設備的弱電電路進行沖擊，造成弱電設備燒毀的嚴重事故。

2 高速公路機電設備接地技術

對于直擊雷，其防護通常是通過使用避雷針、避雷帶、避雷線等作為接閃器，把雷電流接收下來后，通過接地裝置將其安全地送回大地。對于感應雷，則是通過等電位連接、屏蔽、正確可靠的接地等進行相應的防護。可見，無論是直擊雷還是感應雷，都需要有一個良好的接地系統，因此，以下主要討論高速公路機電設備的防雷接地技術。

2.1 防雷接地

當高速公路建筑物被雷電擊中后，就有可能對建筑物內部的機電設備造成直擊過電壓和感應過電流的危害。為了保證雷電擊中建筑物后，雷電能量能夠安全地泄入大地中，因此將裝有機電設備的公路建筑物、內部弱電設備、電源線路、網絡通信等系統均與防雷接地裝置做有效的防雷金屬連接。綜上分析，對高速公路機電設備控制機房內弱電系統的綜合防雷接地系統可以采取以下綜合布線方式。

2.2 交流電源防雷接地

變壓器是機電設備交流電源的提供單元， 由于變壓器通常安裝在室外，與上一級電網直接連接。當線路發生雷擊時，雷擊感應電流就會通過輸電線路向變壓器沖擊，為了保證系統變壓器和系統機電設備的安全，通常采用將變壓器中性點直接接地運行方式，在正常工作時，可以向機電設備提供220 V相電壓電源，當發生線路雷擊事故時，可以有效地進行跳閘保護，保證高速公路機電設備的安全。

對于沒有裝設隔離變壓器而直接采用就近供電電源的機電系統，為了防止供電線路發生雷擊而使機電設備遭到破壞，可以在弱電設備電源系統和設備供電電源間加裝電涌保護器SPD，將雷擊電磁脈沖所帶來的瞬時過電壓通過分流方式降低到弱電設備允許的范圍內。

2.3 機電設備保護接地

機電設備在正常工作時是一個帶電體，同時也是人操作控制的主要設備，當機電設備運輸過程中發生碰撞或使用時間過長都可能導致設備絕緣損害，此時如果運行管理人員沒有發現此隱患，而與設備金屬外殼直接接觸時，由于人體是導電體，就會在機電設備/人/大地間形成一個電流通路，電流就會通過人體流入大地，導致運行人員發生觸電危險。為了避免發生觸電危險，通常對機電設備正常運行時不帶電的金屬部分通過保護接地裝置與大地有效連接。當發生設備絕緣破損時，泄漏電流就會通過人體和接地裝置兩回路向大地泄流，如果接地裝置的電阻遠小于人體電阻時，泄漏電流通過人體的電流就很小，就可以把泄漏電流有效控制在安全范圍值下，通常要求機電設備保護接地電阻小于1 Ω。

2.4 直流工作接地

隨著電力電子技術的不斷成熟，利用計算機技術、通信技術等組成的高速公路控制系統的綜合自動化程度有了飛速的發展。計算機、電子集成電路、微電子等電子器件已成為高速公路機電設備的核心。由于弱電系統的工作電壓通常采用直流電源，其弱電設備對電源要求很嚴，當供電電源出現波動時，就會給弱電設備帶來巨大的干擾，嚴重時會燒毀弱電系統中的弱電設備。弱電系統接地可以保證所有微電子設備工作于同一低壓直流系統中，有效地穩定電路的電位，防止外來電源對系統的干擾。同時弱電設備共同使用一個接地系統，保證了信號傳輸過程中選用統一的電位參照點，有利于設備間數字信號和模擬信號的傳輸，有效地衰減各弱電設備間數模轉換帶來的各種電磁干擾，提高了系統數據信號的處理速率和信號傳遞的準確性。建立聯合接地系統已成為現代高速機電弱電設備高效工作的有利保障。在高速收費站中，為了數據信號的統一，收費車道、監控機房、數據反饋屏及配電房等公路服務設施的所有機電設備的接地系統形成一個聯合接地系統，同時為了保證接地的可靠性，機電設備采用不少于兩處的金屬4～40 mm扁鋼帶有效接地，防止雷擊電流泄底后地電位反擊沖擊機電設備。在形成完整的接地防雷系統，應根據相應的規范進行相關的試驗，若接地電阻達不到要求，應架設人工接地體配合建筑物鋼筋作為一個聯合接地網。

3 高速公路機電設備防雷技術措施

3.1 直擊雷防護

對于高速公路收費車道、監控機房、數據反饋屏及配電房等長期暴露在空氣中的建筑物，應設立完整的直擊雷的防護，通常采用避雷針、避雷線作為接閃器，利用建筑物天花板中的鋼筋作為避雷網，用建筑物中的基礎梁主鋼筋作為防雷引下線將雷電流引入大地，達到對機電設備直擊雷的防護。

3.2 感應雷及雷電波侵入防護

感應雷是防雷系統中的難點之一，由于感應雷電流可以通過電源線纜、通信線路以及衛星天線等途徑侵入機電設備房內，尤其以電源電纜感應雷最為突出，因此對于感應雷的防護，系統電源防雷是難點。

3.2.1 電源部分防護

在弱電設備正常工作所需的電源，是通過電源逆變系統將交流電源轉換為機電設備所需的直流電源系統，通常為了防止感應雷對微電子設備的沖擊，在逆變器前端加裝隔離變壓器，并在隔離變壓器進出電源兩端加裝SPD（Eg涌保護器）。電子元件耐壓水平通常在額定電壓的2倍左右，當發生雷擊瞬時電壓時，電涌保護器就會將感應電壓有效限制在700 V以下，將浪涌電壓限制到電子設備安全電壓范圍內。

3.2.2 設備接地

高速公路機電設備有效接地可以保證設備的正常安全運行，建立聯合接地系統大大提高了機電設備的抗干擾能力，促進高速公路監控、收費、指示等功能安全可靠運行。

4 防雷接地系統施工要點

4.1 機電設備布置

在監控中心的機電設備的布置也十分重要，合理的布置可以大大提高系統的綜合防雷性能。在防雷接地系統中談到，雷電流是通過梁中的主鋼筋作為電流引下線的，因此雷電流幾乎全部集中在外墻中，為了防止雷電流對機電設備信號的電磁干擾，通常將機電設備安裝在機房中間部位，機電設備離外墻和立柱要保持一定的安全距離。

4.2 避雷器的選擇

避雷器作為防雷系統的最為重要的設備，應根據工程的實際安裝環境選擇不同型號的避雷器。同時避雷器應具有相互屏蔽作用，防止對保護設備或其他弱電線路帶來干擾。

4.3 接地系統設計

接地聯合地網特性會隨著工程使用時間的推移而降低，各類接地設備會因為老化、腐蝕、蟲朽等原因導致接地電阻逐年升高。因此在綜合接地系統設計和施工中，應預留較大的余地，并在接地焊接處刷紅丹或瀝青作防腐處理，甚至可以在地基上鋪設降阻材料。

5 結束語

高速公路機房是高速公路指揮、操作、監控的核心裝置，但也是最容易遭受雷擊的建筑物。科學合理地對機電設備進行防雷接地系統的設計，可以有效降低裝置雷擊的危害，有效提高機電設備的運行可靠性，促進高速公路的綜合服務水平。

1 王文鵬.高速公路機電設備防雷措施研究[J].魅力中國，2009（16）

2 眭彥榮.原太高速公路機電設備防雷系統的實施[J].山西交通科技，2004（04）