高速公路機電系統過電壓保護與防雷接地設計研究

崔鵬飛

(山西省交通規劃勘察設計院)

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高速公路機電系統過電壓保護與防雷接地設計研究

崔鵬飛

(山西省交通規劃勘察設計院)

主要討論了高速公路機電系統過電壓保護與防雷接地設計的相關問題，以求為未來高速公路機電系統研究管理提供理論支撐。先討論了高速公路機電系統過電壓保護的主要措施，再結合實際工程案例，對如何進行防雷接地設計進行分析。從相關措施在案例中的實際應用情況來看，其設計措施能有效滿足機電系統過電壓保護與防雷的質量要求，具有良好的應用價值。對相關工作人員而言，在進行高速公路機電系統過電壓保護與防雷接地設計中，要正確認識到相關參數對設計結果的影響，通過進行參數質量控制，獲得更好的系統設計效果。

高速公路；機電系統；過電壓保護；防雷接地

1 高速公路機電系統過電壓保護

1.1 概述

就我國實際情況來看，雷電過電壓破壞是導致高速公路機電系統破壞的主要原因，而高速公路機電系統由于結構復雜、控制回路多等，也會因為雷擊而出現多種損壞，當前常見的雷電入侵耦合方式主要可分為兩種，分別為傳導耦合與輻射耦合。

1.2 傳導耦合方式

傳導耦合是常見的耦合途徑，主要作用于電子設備與雷電流之間，在耦合過程中，傳導耦合必須要與完整的電路系統向連接，其主要的連接線路可劃分為：連導線、信號線、電源線等。

當多個電路電流經過一個公共電阻時，某一電路的電流會在電阻處形成電壓，并對其他電路電流產生影響，成為阻抗耦合。因此一般在傳導耦合中，需要盡量降低線路阻抗與電源內阻，并縮短地線。除此之外，在控制回路上設置浪涌保護器也是常見的傳導耦合方式。由于電容性引起的感應過電壓與雷電流的工作頻率之間呈正比例關系，藉此原理，為達到耦合電容、抑制電容性耦合的主要措施就是降低耦合電容，常見的方法就是隔離、屏蔽等。

1.3 輻射式耦合

主要指雷電電磁脈沖通過多種媒介，以電磁波的形式實現對外傳播；在能量傳播中，主要根據電磁場規律隨機向周圍空間發射。因此，常見的耦合途徑主要為機殼、電纜等。

2 重點參數分析

2.1 人工地網接地電阻

在某工程中，設計人員在接地設計中采用-4*40熱鍍鋅扁鋼，在應用匯過程中發現垂直接地體電阻對工程施工效果產生重要影響，因此在參數計算中主要應用下列公式進行計算

在上述公式中，p代表土壤電阻率，取值為400Ω·m；l代表水平熱鍍鋅扁鋼實際長度，其單位為m；A代表水平地極形狀系數，一般取值為1.69；h代表水平地極鍍鋅扁鋼埋設深度，其單位為m；d代表接地體有效直徑，其單位為m。

2.2 地網熱穩定校驗

在地網熱穩定校驗中，其計算公式為

在上述公式中，S1代表接地引線與接地體之間的最小截面面積，其單位為mm2；g代表流過接地線短路的實際電流值，一般在計算中可取二類防雷要求標準的150 000A；tc代表短路的等效持續時間，一般取值為0.000 01s；c代表接地材料熱穩定系數，需要根據材料的具體性能而定。

3 防雷接地設計案例分析

3.1 案例簡介

該工程位于我國南方某地區，屬于雷電多發地區，由于周圍無高層建筑物設置避雷裝置，而導致公路機電系統頻繁出現故障；再加之當地土壤電阻率較大，雷擊選擇性明顯。例如，在2008年5月的一次雷擊事件中，造成30余臺設備損壞，直接經濟損失超過26萬元，對高速公路正常管理產生重要影響。

3.2 監控系統防雷接地保護

3.2.1 道路交通監控系統保護

(1)在立桿頂部設置避雷針，長度為(2.0±0.3)m，材料規格為φ24mm圓鋼，頂部進行加工，形成尖形，并鍍鋅。安裝結束后，采用25×2mm鍍鋅鋼帶引線，與接地體連接。

(2)在每個監控點上設置獨立地網，針對土壤電阻率較高的地區，采用接地模塊與接地體相連接的方法，其中接地體電阻率始終≤4Ω。

(3)在控制箱內設置VELO220-40型電源避雷器進行電源保護，并設置VELO-BNC15型視頻避雷器進行信號保護。但在實際應用中要注意的是，若想獲得更好的視頻質量，在選擇視頻防雷器時要保證防雷器衰減始終≤0.2dB，且駐波比始終<1.1。

(4)重視保護金屬線管、槽等，并對控制箱、設備外殼與接地端進行有效連接。

3.2.2 收費站監控系統保護

(1)由于收費亭內的監控系統受到建筑物保護，因此不進行防雷處理。

(2)車道攝像機：由于車道攝像機屬于收費廣場避雷針的有效保護范圍，并且其電源也接受了一定的防雷改造，因此其保護措施較為簡單，只需要鋪設一條10mm2的接地導線與攝像機相支撐即可。

(3)廣場攝像機：廣場攝像機是防雷保護的重點，在該項目中，主要根據電源防雷與信號防雷兩方面進行處理：在設備前的每條線路上安裝避雷器，并選擇VOLE220-40型

2015-02-19

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