高速公路電子系統雷電電磁脈沖防護

卓秀然，卓 勉 （.福建省氣象局，福建 福州 35000；.福建升威電子工程有限責任公司，福建 福州 35000）

0 前言

高速公路是全立交快速干道，其線路走向、出入口和管理區大多分布在較惡劣的野外暴露環境中，易遭受到雷電危害，特別是高速公路的電子系統（包括通信系統、監控系統、電腦收費和閉路電視系統等）由于金屬線纜連接的設備端口雷電浪涌耐受能力非常弱，極易遭受雷電電磁脈沖而引起設備損壞，甚至威脅到交通系統的正常運行。近年來，福建省高速公路電子系統每年均發生多次因雷擊造成系統故障的現象，例如廈門某收費站2002年6月30日遭一次雷擊，導致收費系統幾乎癱瘓，損壞設備類型8種，累計金額達20余萬元；2010年泉州某收費站遭受雷擊導致收費站陷入癱瘓，影響正常交通達7 h之久。

本文根據實際工程改造經驗，從影響的方式和途徑入手，提出雷電電磁脈沖防護的要求，同時提出高速公路電子系統防雷管理工作的幾點建議，希望能夠為高速公路的防雷工作提供一定的參考和指導。

1 雷電電磁脈沖在信號電纜上的耦合機理

國內外雷擊造成的危害表明，即使在距離雷擊點2 km處，電子設備對于感應或者傳導的浪涌電壓或者浪涌電流仍舊很敏感。這樣大面積的危害除了有現代電子設備比較脆弱的原因以外，主要是由于雷電電磁脈沖通過四通八達的連接電纜耦合產生過電壓、過電流傳導到電子設備端口造成設備損害。

浪涌電流在電纜中流動時，會產生縱向電壓和橫向電壓。芯線和電纜金屬屏蔽層之間產生的縱向電壓施加在所連接的設備輸入端和接地外殼之間 （共模電壓）；芯線之間的橫向電壓施加在所連接設備的輸入電路上（差模電壓）。

下面就簡要說明雷電電磁脈沖是如何通過阻性耦合、感性耦合、容性耦合耦合到連接電纜上的。

1.1 阻性耦合

如圖1所示，雷擊建筑物1，在其接地電阻上產生約100 kV的電位差，該幅值足以擊穿設備1和設備2的絕緣。這樣浪涌電流通過設備1沿著信號線流到設備2以及建筑物2的地網上，造成建筑物2的地電位抬升。

圖1 阻性耦合

如果信號電纜屏蔽層兩端接地，浪涌電流沿著屏蔽層流到建筑物2的地網上，同樣造成其地電位升。建筑物2的地電位升又加到與其連接的其他電纜上，可能造成其他設備損害。

1.2 感性耦合

由于雷電流具有很大的幅值和波頭上升陡度，能在所流經的路徑周圍產生很強的瞬態脈沖電磁場。根據電磁感應定律，這種變化的脈沖電磁場交鏈導體回路時，能在回路中感應出電動勢，產生過電壓和過電流。圖2和圖3給出了信號電纜可能發生電磁感應的例子。

1.3 容性耦合

圖2 感性耦合（信號線的芯線之間組成感應環）

圖3 感性耦合（信號線與地之間組成感應環）

當各類電纜上空有雷云生成并向下發展為下行先導時，由于雷云和先導通道的感應作用，在各類電纜內將出現反極性的感應電荷（見圖4）。圖4示出的是常見的負雷云對地放電，雷云以及下行先導的電荷為負，而在電纜中感應的電荷為正，電纜中的負電荷經泄漏電導入地。這些感應電荷的聚積速度取決于先導發展的速度，由于先導發展速度比回擊速度小100倍以上。在雷擊發生時，雷云以及下行先導的電荷迅速中和消散，而反極性感應電荷將失去束縛，但是這些電荷不能以與回擊發展同樣的速度來消散，因此形成了對地的過電壓，如果在設備處發生閃絡，將在電纜中形成浪涌電流。顯然，電纜越長，對地電容越大，越易形成容性耦合產生過電壓。

圖4 容性耦合

2 防雷接地實施方案

2.1 直擊雷防護安全要求

高速公路各類站點的直擊雷防護措施應滿足 《建筑物防雷設計規范》（GB 50057-2000）第二類防雷建筑物的相關規定。對于野外單獨的機柜或者監控攝像頭等設施應裝設獨立避雷針，并應設置簡易地網用于雷電流的泄放。可在建筑物屋頂設置不大于10 m×10 m或12 m×8 m的避雷網格，避雷網應用直徑不小于8 mm的圓鋼，避雷網引下線不得少于2根，并沿四周均勻或對稱布置，其間距不得大于18 m，接地點不得少于2處。對于屋頂的衛星接收器、天線等設施應架設避雷針進行保護。

2.2 地網實施要求

a）高速公路各類站點應采用聯合接地，即將各個機房建（構）筑物的地網、配電設施（變壓器等）接地裝置等連為一體。當兩建（構）筑物之間有電力、信號等線纜連接，且兩者接地裝置之間的間距在30 m以內時，必須采用熱鍍鋅扁鋼將兩接地裝置聯為一體。

b）機房建筑物地網宜采用圍繞機房建筑物的環行接地體，有建筑物基礎地網時，環行接地體應與建筑物基礎地網每隔5～10 m相互作一次連接。

c）接地體埋深不宜小于0.7 m （接地體上端距地面的距離）。水平接地體宜采用熱鍍鋅扁鋼，扁鋼規格不小于40 mm×4 mm。垂直接地體宜采用長度不小于2.5 m（特殊情況下可根據埋設地網的土質及地理情況決定垂直接地體的長度）的熱鍍鋅鋼材，垂直接地體間距為垂直接地體長度的1～2倍，具體數量可以根據地網大小、地理環境情況來確定，地網四角的連接處應埋設垂直接地體。對于小型設施也可采用接地棒等新型接地裝置。

d）接地體之間的所有連接，必須使用焊接。焊點均應做防腐處理（澆灌在混凝土中的除外）。接地體扁鋼搭接處的焊接長度，應為寬邊的2倍；采用圓鋼時應為其直徑的10倍。

2.3 信號電纜的屏蔽方案

a）對于新建站點，如果需要敷設大量電纜，可建立有籠狀結構的電纜溝。電纜溝的鋼筋必須焊接連通并且連接到建筑物的鋼筋上。對于已經建好但是鋼筋連通性不好的電纜溝，可在電纜溝內敷設1～2根熱鍍鋅扁鋼，扁鋼兩端與地網可靠連接。

b）敷設少量信號電纜時可采用套鋼管地埋的方式，鋼管兩端可靠接地。

c）電纜屏蔽層必須兩端可靠接地，為了使屏蔽層內的縱向屏蔽電流均勻分布以獲得最大限度的屏蔽性能，連接端宜使用同軸連接器 （例如可接地的革蘭Gland），連接器對屏蔽層能夠提供360°的電接觸。

d）對于已經建成的站點（大部分站點屬于這種情況），重新埋設電纜溝或者穿鋼管以及使用同軸連接器在施工上都存在很大的困難，此時可進行簡單連接，即使用接地卡將電纜外層鎧裝接地，再輔以信號保護器的配合，也能保證設備的安全。

e）對于重要性比較高或者容易遭受雷擊的電纜，應采用雙層屏蔽或者套鋼管的方式。如果條件有限無法實施，應在電纜附近沿線敷設一根熱鍍鋅扁鋼，扁鋼兩端與地網可靠連接。

f）連接電纜中閑置不用的空線對應做好接地處理。

2.4 機房內部的等電位連接實施方案

各站點機房宜優先采用網狀連接，可在機房內部沿墻壁設置均壓環（一般設置在機房地板以下），均壓環截面積應根據最大故障電流或材料機械強度來確定，一般應采用截面積不小于160 mm2的銅排。該均壓環從機房的四角用鍍鋅扁鋼或截面積不小于95 mm2的多股銅線引出并和機房環形地網相連，所有連接皆采用焊接的方法并進行防銹蝕處理。機房內各設備應就近與均壓環可靠連接。如果網狀連接系統的實施或者改造有困難，也可以采用星形系統連接。星形系統連接只適用于設備所在區域面積較小的情況。

另外，機房的接地與等電位連接系統還可根據建筑物的結構、樓層面積、樓層數量和設備布置等實際情況采用網狀－星形混合連接形式。

2.5 電源系統雷電防護

a）各類站點的電力電纜應埋地引入，避免架空方式入局。其交流電源系統的雷電過電壓保護應使用分級保護，各級浪涌保護器（SPD）的防護水平，應符合本級保護范圍內被保護設備的絕緣水平。

b）高壓電力電纜入站時，埋地長度應大于200 m；低壓電力電纜入站時，埋地長度應大于15 m（高壓電力電纜已做埋地處理時，低壓電纜的埋地長度可不做限制）。當埋地引入有困難時，應適當增加電源系統第一級過電壓保護設備的防護等級。

c）具有金屬護套的電纜入局時，應將金屬護套接地。無金屬外護套的電纜宜穿鋼管埋地引入，鋼管兩端做好接地處理。

d）各類站點電源雷電過電壓保護可參照以下要求。

（a）交流供電系統的第一級SPD（I/B級），可根據實際情況選擇在變壓器低壓側或低壓配電室電源入口處安裝。

（b）交流次級保護SPD（II/C級），可選擇在后級配電室、樓層配電箱、機房交流配電柜處安裝。

（c）交流精細保護SPD（III/D級），可選擇在控制、數據、網絡機架的配電箱內安裝或使用拖板式防雷插座。

（d）直流保護SPD可選擇在開關電源、直流輸出輸入端或用電設備端口處安裝。

（e）直流集中供電或UPS集中供電的配電室，應分別在遠端機房的（第一級）直流配電屏或UPS交流配電箱（柜）內安裝SPD，集中供電的輸出端也需安裝SPD。

（f）向系統外供電的端口，以及從外系統引入的電源端口必須安裝SPD。

e）各類電源SPD的使用應滿足以下要求。

（a）在使用分級保護時，各級SPD之間應保持必要的退耦距離或增設退耦器件，以確保各級SPD協調工作。退耦器件的電感為8～12 μH，且額定工作電流應符合供電系統的要求；如果無退耦器件，氧化鋅SPD與氧化鋅SPD之間的退耦距離（電纜長度）應不小于5 m。

（b）在TT供電系統的站內，應使用“3+1”模式的交流電源SPD（即三相分別對零線用限壓型器件保護，零線對地使用放電管（間隙）保護）。

（c）在電源SPD的引接線上，應串接保護空開（或保險絲），防止SPD故障時引起系統供電中斷。保護空開（或保險絲）的標稱電流不應大于前級供電線路空開（或保險絲）的1/1.6倍。保護空開應使用質量可靠、符合防雷要求的產品。

f）各類電源SPD的安裝應滿足以下要求。

（a）電源SPD的連接線及接地線截面積應符合表1的要求，材料為多股銅線。

（b）使用模塊式SPD時，SPD接地線和引接線的長度應小于1 m。

（c）SPD的引接線和接地線，必須通過接線端子或銅鼻連接牢固，防止雷電流通過時產生的線芯收縮造成連接松動。銅鼻和纜芯連接時，應使用液壓鉗緊固或浸錫處理。

（d）SPD的引接線和地線應布防整齊，在機架上應綁扎固定，走線應短直，不得盤繞。

2.6 信號端口雷電防護要求

a）除了實施聯合地網以及信號電纜屏蔽層兩端接地等措施外，信號端口必須輔以SPD以進一步將過電壓降到設備端口允許的范圍以內。

b）各類信號保護器應具有線對地和線間的保護模式，并且其接地線應就近由被保護設備的接地匯流排（端）接地。

c）如果信號保護器為串聯型，應注意使用相同的物理接口，并且其動作電壓應和設備的工作電壓相適應，一般應為工作電壓的1.2～2.5倍，SPD的插損應不影響設備正常運行。

2.7 監控系統的防雷要求

a）環境監控和視頻監控系統應根據情況對相應線路兩端接口及設備電源進行過電壓保護。當樓外的監控點不在聯合地網范圍內時，必須在信號線路及電源線路兩端接口處安裝SPD。

b）監控線纜的布放應避免使用架空線路，并采用屏蔽電纜或穿金屬管敷設。電纜屏蔽層和外部屏蔽體應兩端接地。

c）位于聯合地網外或遠離視頻監控中心的攝像機，應分別在控制、電源、視頻線兩端安裝SPD，云臺和防雨罩必須就近接地。

d） 選擇各類監控接口 （如RS-232、RS-485、RS-424、視頻等）SPD時，應滿足設備傳輸速率（帶寬）的要求，SPD接口與被保護設備接口應兼容。

3 某收費站防雷改造案例

3.1 工程概況

某高速公路監控中心和外場票亭因地處雷雨天氣多發地段，外場、監控系統設備易遭雷擊損壞，無法保障現有運營需求。受該收費站所在高速公路公司的委托，福建升威電子工程責任有限公司前往實地進行防雷調查，發現該收費亭存在如下問題。

a）收費站頂棚未設避雷帶、避雷針。

b）部分稱重儀外殼未接地。

c）光端機傳輸機柜內的網絡和視頻端口未采取有效的防雷措施。

d）車道控制器內與稱重儀串口連接處未采取防雷保護措施。

e）各票亭的接地線線徑偏小。

f）機電房配電箱內無第一級開關電源保護。

g）二樓監控機房內各機柜未做等電位連接。

3.2 防雷整改方案

3.2.1 防直擊雷

在頂棚上增設避雷帶，頂部采用φ10 mm的圓鋼（刷防銹漆）構筑避雷帶，引下線采用φ10 mm的圓鋼。（注：引下線應對稱均勻布設，且引下線的間距不應大于18 m，具體做法視現場情況而定）。該收費站頂棚未設避雷針，應在頂棚4個角處增設避雷針。

3.2.2 防感應雷

a）在機電房配電箱旁加裝1套80 kA （8/20 μs）SPD作為第一級SPD保護，防雷箱電源引接線長度和接地線長度均不大于1 m。

b）各票亭的接地線改用不小于16 mm2的地線就近接地。

c）部分稱重儀外殼采取有效的防雷接地措施。

3.2.3 電子信息系統的雷電防護

a）各稱重儀與光端機傳輸機的串口連接處加裝信號防雷器。

b）傳輸柜內的網絡和視頻端口加裝網絡和視頻信號防雷器。

c）二樓監控機房內各機柜做等電位連接。

4 高速公路防雷管理的幾點建議

a）相關人員應加強防雷相關知識的學習、培訓，充分認識雷電的特點、性質和危害，這樣有助于提高對雷電防護的重視程度，避免形成對防雷工作的誤解和抵觸情緒。

b）切實落實高速公路防雷檢測勘察工作。在每年雷季之前，選擇具有相應技術和能力的檢測機構，特別是在信息機電系統雷電防護具有相當經驗的檢測機構，對已經在運營的高速公路路段的機電工程存在的雷擊事實和雷擊隱患進行檢測勘察，形成合理高效的防雷管理工作程序。對于檢測發現的問題應及時進行整改。

c）高速公路機電工程在設計時應按防雷規范要求進行設計，施工時，應選有相應防雷施工資質的企業進行施工。

d）機電防雷系統建成并投入使用后，應將工程建設資料、每年的檢測報告、整改設計文件等資料歸檔保存，遇到突發事件可隨時調取進行查閱并分析原因。

5 結束語

高速公路電子系統的雷電電磁脈沖防護是一個系統工程，問題比較復雜，涉及的方面也比較多，應全方位重視、立體化綜合防治。只有真正了解雷擊產生的原因，積極探索電子系統防雷的各項措施和方法，才能有效地防止雷電引發的事故，防患于未然，將雷電帶來的損失降低到最小，保證高速公路電子系統的正常運行。

［1］GB 50057-94 建筑物防雷設計（2000 年版）［2011-01-13］.［S/OL］.http://wenku.baidu.com/view/a242eb868762caaedd33d4ce.html.

［2］GB 50174-2008電子信息系統機房設計規范 ［2011-01-13］.［S/OL］.http://wenku.baidu.com/view/ba76182fed630b1c59eeb59a.html.

［3］YD 5098-2005通信局（站）防雷與接地工程設計規范［2011-01-13］.［S/OL］.http://wenku.baidu.com/view/889905c52cc58bd63186bdf 5.html.

［4］GB 50343-2004建筑物電子信息系統防雷技術規范［2011-01-13］.［S/OL］.http://wenku.baidu.com/view/e6ac62232f60ddccda38a0f8.html.

［5］JGJ/T 16-2008 民用建筑電氣設計規范［2011-01-13］.［S/OL］.http://www.docin.com/p-33817356.html.

［6］IEC 61312 雷電電磁脈沖的防護［2011-01-13］.［S/OL］.http://www.jifang360.com/news/2009527/n2818310.html.

［7］GB/T 50311-2007綜合布線系統工程設計規范 ［2011-01-13］.［S/OL］.http://www.jifang360.com/news/2009826/n99741839_4.html.