沙河北橋收費站綜合防雷設計探討

李 強，陳 明，張 超

（1.遼寧省新民市氣象局，遼寧 新民110300；2.遼寧省錦州市氣象局，遼寧 錦州121001；3.遼寧省北鎮市氣象局，遼寧 北鎮121300）

1 引言

隨著我國交通事業的不斷發展，公路、橋梁成為交通樞紐的重要組成部分。本著“以路養路”、“以橋養橋”為目的而設置的收費站，由于所處的位置特別及內部管理電子化，日常所遭受的雷擊已非僅僅是直擊雷，更多是感應雷。因此，公路收費站的防雷必須采用綜合防雷技術。

在公路收費系統中有大量耐電壓等級低、防干擾要求高的微電子設備，最怕遭到雷擊。普通的避雷裝置在接閃了強大的雷電流通過引下線泄流入地時，附近的空間發生了強大的電磁場變化，會在相鄰的導線（包括電源線和信號線）上感應雷電的過電壓。

2 現場勘察情況

沙河北橋收費站地處沈營線，地界為蘇家屯區，周圍為農田，環境比較開闊，無高層建筑，因此該站極易遭受雷擊。

（1）該站收費罩棚為金屬結構，且通過金屬立柱支撐，經測試，阻值為1.5Ω，滿足防直擊雷要求。

（2）罩棚外有8個攝像頭，未考慮防雷措施。

（3）罩棚內的每個收費亭（共8個收費亭）里各安裝一只球形攝像頭，同時在攝像頭的入端口分別安裝了視頻防雷保護器，但該防雷器的接地線較長，同時與視頻和通信控制線綁扎在一起，不符合國家規范要求。

因為避雷引下線與攝像機的電源、視頻、控制線綁扎在一起，當引下線對地泄放雷電流時，在其周圍產生了強大的電磁場，這強大的電磁場通過耦合在電源線、視頻線、控制線中形成感應過電壓將設備燒毀。視頻矩陣輸入端口也因串入過電壓而擊穿。

（4）收費站辦公樓為金屬結構，且未考慮接地，這種做法一是不符合國家規范要求，二是給辦公室內工作人員的人身安全帶來極大危害。

（5）辦公樓內的監控室的監控主機端未考慮防感應雷措施，同時電源系統也未考慮防感應雷措施。

（6）市電輸入是從變壓器架空引線進入室內的配電盤，且未考慮防感應雷措施。

（7）樓內的網絡系統也未考慮防感應雷措施。

3 設計依據

（1）依據國際電工委員會IEC標準、德國VDE和中國GB標準與規范的要求，該計算機房系統包括電腦網絡、不間斷供電電源和安防設備等裝置。

（2）IEC61312雷電電磁脈沖的防護。該標準為建筑物內或建筑物頂部信息系統有效的雷電防護系統的設計、安裝、檢查、維護；并對裝有這系統（如電子系統）的建筑物評估LEMP屏蔽措施的效率的方法。針對現有的防雷器（SPP）應用在防雷區概念安裝上提出相關的要求。

（3）IEC 61643SPD電源防雷器。該標準對電源防雷器用于交直流電源電路和設備上，額定電壓在1000ac或1500dc，電源防雷器分級分類測試和應用。

（4）IEC 61644SPD通訊網絡防雷器。該標準對通訊網絡防雷器用于通信信號網絡系統，這類防雷器內置過壓過流元器件，額定電壓在1000ac或1500dc，電源防雷器分級分類測試和應用。

（5）VDE0675過電壓保護器。過電壓放電保護器（電源防雷器）適用于額定交直流電壓在100～1000V范圍內之供電配電系統，對應于防雷器作出分級分類要求。

（6）《建筑物防雷設計規范》（GB50057－94）2000年版。為使建筑物防雷設計因地制宜地采用防雷措施，防止或減少雷擊建筑物所發生的人身傷亡和文物、財產損失，做到安全可靠，技術先進，經濟合理。該規范不適用于天線塔、共用天線電視接收系統、化工廠戶外裝置的防雷設計。

（7）《通信工程電源系統防雷技術規定》（YD5078－98）。

（8）《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規范》（GB50169－92）。

（9）《低壓配電設計規范》（GB50054－95）。

4 設計方案

4.1 確定建筑物的防雷類別

（1）建筑物年預計雷擊次數應按下式確定：

式中：N—建筑物年預計雷擊次數（次／年）；k—校正系數，取2；Ng—建筑物所處地區雷擊大地的年平均密度［次／（km2·年）］；Ae—與建筑物截收相同雷擊次數的等效面積（km2）。

（2）雷擊大地的年平均密度應按下式確定：

式中：Td為年平均雷暴日，沈陽地區取35d／年。

（3）建筑物截收相同雷擊次數的等效面積應按下式確定：

式中：L＝29m，W＝12m，H＝9m為此樓的實際情況數值。

因此Ae＝0.009（km2）

綜上所述，將此樓的實際情況數值一一代入上述公式計算，最后確定N＝0.031＞0.012（次／年），因此，可確定此建筑物為三級防雷建筑物。

4.2 相應保護措施

4.2.1 防直擊雷保護措施

沙河北橋收費站的收費亭和站辦公樓雖為金屬結構屋面，可做為防直擊雷避雷設施，但直擊雷仍給人們極大的心理威脅。現根據筆者多年工程實踐，可在收費亭和辦公樓之間的草坪或草坪邊的水泥地面處安裝18.5m高的獨立避雷針，它雖未必能完全保護整個收費亭，但可以起到以下作用：本身可吸引直擊雷，減少收費亭或辦公樓遭雷擊的機會；直擊雷擊中獨立針所產生的電磁場的危害比直擊收費亭或辦公樓的危害要小得多。這樣做可以減少或避免亭內或辦公樓內工作人員遭雷擊的幾率。

避雷針采用雷安LAZ1000－1B優化避雷針，該針的重要特點是它既能夠很好地保持導體引雷、雷電入地，從而代替被保護物受雷擊的傳統優點，又能夠在雷電流經過它而入地時，使避雷針引下線上的di／dt顯著減少（可以減少到原來的30%以下），從而使避雷針引下線四周的二次雷擊效應減少到能夠忽略不記的程度，而雷電流入地時的電位反擊效應也能夠減少到忽略不記，這樣，避雷針的一系列局限性得到了比較徹底的克服。同時該針既經濟實惠，造型美觀，還能防護直擊雷。

將雷安LAZ1000－1B優化避雷針套個2m長的鍍鋅鋼管，再將管體安裝在14m高的三角形鐵塔上，全部采用焊接。雷電流可通過塔體入地，將塔體底座即塔基礎與地網相連接。這樣可起到等電位連接作用。

4.2.2 防感應雷保護措施

（1）電源系統。第一級防雷保護，在室外配電室的兩路總配電輸入端安裝2只通流容量為100kA的三相總電源避雷保護器，并通過BV16黃綠相間的銅纜連接到接地排上。連接線盡量短，要求不長于0.5m；第二級防雷保護，在大樓監控室3個UPS的輸入端分別安裝1臺40kA的三相總電源避雷保護器。并通過BV16黃綠相間的銅纜連接到室內的接地排（PE）上。

（2）與監控中心相連的收費點之間的線纜應該有防雷保護措施。建議應穿鐵管并將該鐵管屏蔽接地。

（3）所有電纜必須穿管埋地敷設。金屬管道與綜合接地系統良好連接。

（4）強電導線和信號傳輸電纜不共用同一個金屬管道。

（5）線纜由地下管道進入建筑物內如需爬墻也應該沿墻體敷設金屬管道，并與綜合接地體良好連接。

（6）在計算機WAN（廣域網）的接口和調制解調器的接口安裝信號避雷器。

（7）在監控主機外線入口處和攝像頭處安裝16對攝像頭避雷器。并用BV4銅導線與防雷接地地網相連接（圖1）。

圖1 攝象機系統防雷圖

4.2.3 接地處理及地網效果

接地是避雷技術最重要的環節，不管是直擊雷、感應雷或其他形式的雷，避雷工作的最終都是把雷電流送入大地，因此沒有合理而良好的接地裝置是不可能談及防雷的。所以說設計、施工好，高標準的接地系統是防雷工作的重中之重。同時接地系統也是設備能否正常工作的安全保證。由此可見接地系統顯得尤為重要。

在收費站辦公大樓的墻外做一“L”型地網，挖深0.8m、寬0.5m的地溝（應盡量避開人員出入的地方，若避不開，應采取防止跨步電壓的措施）。在“L”形地溝內將接地模塊水平放入，用土填實，然后在每隔相距5m的距離分別垂直夯入長度為2m的DN40鍍鋅鋼管10根，最后將接地模塊和垂直地極用40mm×4mm的鍍鋅扁鋼水平連接，連接處采用電焊接，并在連接處做防腐處理。在開挖的地網溝中回填優質土壤，且夯實，以保證地網阻值的穩定性。

由于收費站辦公樓無引下線，所以應將屋面的槽鋼通過直徑為12的圓鋼連接，然后與地網相連接。

斷接卡的設置：引下線距地1.8m處設一斷接卡，并用斷接卡保護箱將其保護起來，防止連接處因雨淋等原因而引起腐蝕。同時斷接卡距地部分的引下線用斷接卡保護管進行保護。設置斷接卡的目的就是為了便于地網的維護和測量。

實施以上措施后，接地電阻可控制在＜4Ω以下，完全符合接地規范和國家強制標準。接地體之間所有焊點，均應進行防腐蝕處理，接地裝置的焊接長度扁鋼為寬邊的2倍。接地體埋深，其上端距地面應不小于0.8m，在寒冷地區接地體應埋設在凍土層以下，接地坑應回填土壤電阻率低的土壤。

5 結語

防雷是牽涉多學科多方面的系統工程，對設計到施工、維護，以及使用材料都有一定的要求。特別是電涌保護器，用在不同環境、不同工作條件都應有最佳參數選擇，防雷和接地對線路的布置都有一定的要求，這些往往在工程設計階段就應該考慮進去，以便統一規劃，按層次、有步驟地施工，如果工程設計開始時，未考慮防雷，以致工程建成后遇到雷害時再進行補救，往往事倍功半，增加投資，有時候很難施工，甚至不能施工。目前，一般系統網絡集成公司對各種網絡傳輸線都是采用塑料線槽屏蔽，但是塑料線槽對電磁沒有屏蔽和封鎖作用，當網絡工程完成后，再返工就會造成投資的嚴重浪費。如果在設計時就提出要求穿鐵管走線，無論對工程的造價、美觀和施工都帶來很大的好處。

［1］ 郭建新.安全技術與管理［M］.北京：中國石化出版社，2008.

［2］ 中國機械工業聯合會 建筑物防雷設計規范［S］.北京：中國機械工業聯合會，2011.

［3］ 解廣潤.電力系統過電壓［M］.北京：水利電力出版社，1985.

［4］ 崔政斌.用電安全技術［M］.北京：化學工業出版社，1998.

［5］ ［英］J.R.柯頓.光源與照明［M］.4版.陳大華，等譯.上海：復旦大學出版社，2004.