高速公路機(jī)電系統(tǒng)防雷設(shè)計

廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司 韋宇鑫

1 引言

高速公路機(jī)電系統(tǒng)涉及電子技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電氣控制、通信技術(shù)及所需的硬件設(shè)備，易受雷電的影響。如何確保在雷雨季節(jié)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備的防雷安全成為高速公路建設(shè)必須考慮的因素，開展其機(jī)電系統(tǒng)防雷設(shè)計分析極具現(xiàn)實的意義。本文以某高速公路為例，在介紹高速公路機(jī)電系統(tǒng)的組成和工作原理基礎(chǔ)上，基于防雷規(guī)范和該地區(qū)的雷電特點，探討雷電損壞機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備的可能途徑，分析機(jī)電系統(tǒng)直擊雷防護(hù)系統(tǒng)和感應(yīng)雷防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計方法。

2 工程背景

某高速公路起訖樁號K110+000～K120+045，大部分路段位于城鄉(xiāng)接合部，且路線經(jīng)過區(qū)域地勢平坦，主要收費(fèi)站周圍1km 以內(nèi)并無高大的建筑物和構(gòu)筑物，主要收費(fèi)站的收費(fèi)罩棚均為鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架設(shè)計，網(wǎng)架包括三個面積為27m×13m 的橄欖狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架全長110m，頂面和底面高15m 和8m，罩棚設(shè)計厚度5m。該高速公路包括收費(fèi)站在內(nèi)的機(jī)電系統(tǒng)主要依靠市電、辦公樓交流穩(wěn)壓電源及UPS 不間斷電源以TN-S 方式供電。

3 機(jī)電系統(tǒng)的雷電防護(hù)

3.1 共用地網(wǎng)設(shè)計

工程辦公樓、收費(fèi)島位于城郊，土壤電阻率約為3000Ω·m，要求接地電阻≤2Ω。采用共用地網(wǎng)設(shè)計，地網(wǎng)采用閉合環(huán)形的方式設(shè)計，除利用辦公樓的基礎(chǔ)鋼筋作自然接地體外，在辦公樓四周設(shè)置人工地網(wǎng)。由于地網(wǎng)位于高土壤電阻率地帶，土質(zhì)情況復(fù)雜，為了達(dá)到接地電阻值要求，在辦公樓與收費(fèi)島之間設(shè)置人工地網(wǎng)，互相連接，并與宿舍樓地網(wǎng)連接。必要時采取鉆孔的辦法解決角鋼打不下去的問題，并施放降阻劑，增大與土壤接觸的表面積，地溝回填采取換土的辦法處理[1]。

人工地網(wǎng)垂直接地體采用L50×50×5熱鍍鋅角鋼，相隔3～5m 一支，水平接地體采用－40×4熱鍍鋅扁鋼，扁鋼與角鋼應(yīng)作三面焊接，焊縫飽滿，焊口涂防銹漆保護(hù)，另加接地模塊。地基的地溝深度應(yīng)≥0.6m，溝寬0.6m，有行人通過的地方，敷設(shè)深度應(yīng)≥1m，埋設(shè)接地模塊的地坑深為1.5m 以上，在適當(dāng)位置設(shè)置地極標(biāo)志及地極手井。共用地網(wǎng)如圖1所示。

圖1 共用地網(wǎng)

3.2 供配電防雷設(shè)計

高壓線路進(jìn)入辦公樓配電房前埋地敷設(shè)，埋設(shè)長度不小于，且不小于50m[2]。低壓配電線路禁止室外架空敷設(shè)，在各位置區(qū)域配電線路上設(shè)置多級電源電涌保護(hù)器（SPD），具體包括：

一是在變壓器前端設(shè)置電力系統(tǒng)高壓避雷器。二是在辦公樓低壓配電柜、收費(fèi)島總配電箱、沿線機(jī)電設(shè)備（含隧道）等相應(yīng)饋電開關(guān)負(fù)載端設(shè)置一組SPD，參數(shù)要求≥12.5KA，≤2.5kV。三是為防止各高桿燈遭受雷擊時的高電壓通過配電線路竄入配電系統(tǒng)，在各高桿燈饋電開關(guān)處設(shè)置一組Ⅰ類試驗的SPD，要求≥12.5KA，≤2.5kV。四是在辦公樓配電房地面四周沿墻敷設(shè)一圈－40×4扁鋼，從不同方向與共用接地網(wǎng)連接。

3.3 辦公樓監(jiān)控機(jī)房防雷設(shè)計

為消減閃電感應(yīng)和雷擊電磁脈沖的干擾，加強(qiáng)屏蔽和等電位連接并設(shè)置第二級電源電涌保護(hù)器。利用大樓天面板筋焊成不大于300mm×300mm 的小網(wǎng)格，監(jiān)控機(jī)房不應(yīng)設(shè)置在最頂層。從辦公樓共用地網(wǎng)利用35mm2銅纜套PVC 膠管引至離辦公樓3～5m 地極手井處，然后再用35mm2銅纜套PVC膠管引至室內(nèi)地平及UPS 房內(nèi)，再從室內(nèi)地平套金屬管引至三樓監(jiān)控機(jī)房。在監(jiān)控機(jī)房靜電地板下設(shè)置等電位連接網(wǎng)格，采用40×3紫扁銅，并與辦公樓內(nèi)柱主鋼筋重復(fù)接地。監(jiān)控機(jī)房接地線設(shè)計如圖2所示。

圖2 監(jiān)控機(jī)房接地線設(shè)計

監(jiān)控機(jī)房設(shè)備放置距外墻及柱的距離大于1m。機(jī)房采用金屬門窗并就近進(jìn)行接地，將防靜電地板金屬構(gòu)件、天花金屬龍骨、設(shè)備金屬外殼、金屬機(jī)柜等金屬構(gòu)件進(jìn)行接地。出入機(jī)房的低壓電源和信號線纜，在入口處做等電位連接，強(qiáng)、弱線纜分金屬槽敷設(shè)，與外界通信的光纜金屬加強(qiáng)芯等金屬部件在進(jìn)入大樓處進(jìn)行接地[3]。在機(jī)房配電箱處設(shè)置第二級電涌保護(hù)器（SPD），參數(shù)要求In 為20～30KA，≤2.0kV，需要特別保護(hù)的設(shè)備，設(shè)置第三級電涌保護(hù)器（SPD），參數(shù)要求In 為5～10KA，≤1.5kV。非光纖的通信線路需設(shè)計安裝適配的信號電涌保護(hù)器（SPD）。

3.4 收費(fèi)島防雷設(shè)計

3.4.1 收費(fèi)島接地設(shè)計

利用Φ12熱鍍鋅圓鋼將收費(fèi)島兩側(cè)人工地網(wǎng)在地中將人工地網(wǎng)1和人工地網(wǎng)2進(jìn)行兩處連接，并與收費(fèi)棚基礎(chǔ)鋼筋連接。利用Φ12熱鍍鋅圓鋼在地中從收費(fèi)亭縱向、橫向與等電位接地線連接，作為收費(fèi)亭接地引入線，在收費(fèi)亭下人孔內(nèi)設(shè)置銅接地排，用35mm2銅線引至收費(fèi)亭供各設(shè)備接地。收費(fèi)島接地線設(shè)計如圖3所示。

圖3 收費(fèi)島接地線設(shè)計

3.4.2 收費(fèi)島設(shè)備防雷設(shè)計

電源、通信線纜應(yīng)分別套金屬管埋地引入，埋地長度≥50m，嚴(yán)禁明線架空引入，金屬管兩端應(yīng)作接地處理。除在收費(fèi)島總配電箱箱設(shè)置SPD 外，在車道工控機(jī)、電動欄桿、雨棚信號燈、車道攝像機(jī)、計重控制器等處設(shè)置安裝第二級電源SPD，要求In ≥20KA，≤1.5kV，信號線路設(shè)計安裝適配的信號電涌保護(hù)器[4]。

收費(fèi)亭、自動欄桿、通行信號燈、計重裝置金屬構(gòu)件、費(fèi)顯裝置及車道攝像機(jī)支撐架與收費(fèi)島預(yù)留接地端子連接。收費(fèi)亭內(nèi)的金屬工作臺、金屬機(jī)柜、各種機(jī)電設(shè)備的金屬外殼與預(yù)留接地線連接。

3.5 外場沿線機(jī)電設(shè)備的防雷設(shè)計

外場沿線的機(jī)電設(shè)備有門架式安裝和立桿式安裝（含安裝在橋梁上），按照功能分有LED 信息顯示屏、微波車輛檢測器、視頻車輛檢測器、能見度檢測器、攝像機(jī)設(shè)備等，以及為其供電需要而設(shè)置的戶外配電箱和為其通信需要而設(shè)置的通信設(shè)備等。這些機(jī)電設(shè)備最容易收到雷電干擾和危害[5]。

所有電子設(shè)備的雷電防護(hù)需要綜合考慮直擊雷防護(hù)、供電線路雷電高壓入侵、信號線路雷電波入侵、地網(wǎng)的地電位反擊、雷電電磁脈沖的空間輻射影響、線路的綜合布線等。

外場設(shè)備的直擊雷防護(hù)，立桿式安裝時采用在立桿頂端設(shè)置接閃桿，設(shè)置專用引下線與共用接地網(wǎng)連接，門架式安裝時其直擊雷防護(hù)在門架的兩端設(shè)置接閃桿，設(shè)置專用引下線與門架基礎(chǔ)和人工地網(wǎng)組成的共用地網(wǎng)連接。

設(shè)備的供電線路全程采用穿金屬管（槽）或鎧裝電纜直接埋地敷設(shè)，在各配電箱處設(shè)置電源SPD，具體參數(shù)要求根據(jù)設(shè)備要求而定，SPD 的有效電壓保護(hù)水平應(yīng)限制在設(shè)備的耐壓水平內(nèi)。

信號線纜與電源線纜分管敷設(shè)，采用光纜時在接線箱處將金屬加強(qiáng)芯等金屬部件進(jìn)行接地，并對線路金屬屏蔽體和設(shè)備金屬外殼進(jìn)行接地。采用非光纜通信線路時，在傳輸線端口設(shè)置適配的信號SPD。

外場沿線設(shè)備的接地采用共用接地網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計，在高速公路兩側(cè)紅線范圍設(shè)置人工地網(wǎng)，并將相鄰20m 范圍內(nèi)的基礎(chǔ)鋼筋進(jìn)行連接，共用接地網(wǎng)的接地電阻≤4Ω。

3.6 隧道機(jī)電系統(tǒng)的防雷設(shè)計

利用隧道的結(jié)構(gòu)鋼筋作為自然接地體，在洞口處增設(shè)人工地網(wǎng)組成共用接地網(wǎng)，接地電阻≤4Ω。在各強(qiáng)、弱電系統(tǒng)的配置箱和設(shè)備安裝位置預(yù)留接地端子。在隧道兩側(cè)設(shè)置一組－40×4熱鍍鋅扁鋼貫通隧道作為等電位連接干線，與隧道自然接地以及電網(wǎng)的接地預(yù)留端子連接，隧道內(nèi)的各種金屬構(gòu)件和設(shè)備金屬支架、設(shè)備金屬外殼等就近與預(yù)留的接地端子連接。

隧道的配電線路和通信線纜在進(jìn)入洞口處進(jìn)行等電位接地，SPD 設(shè)置參考2.5的要求。辦公樓、收費(fèi)島、宿舍樓等的防直擊雷應(yīng)符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求。

4 結(jié)語

針對高速公路機(jī)電系統(tǒng)組成和容易受到雷電的干擾和危害的問題，本文對機(jī)電系統(tǒng)共用地網(wǎng)、供配電防雷、辦公樓監(jiān)控機(jī)房防雷、收費(fèi)島防雷、外場沿線機(jī)電設(shè)備等方面的防雷方案進(jìn)行了設(shè)計，為高速公路機(jī)電系統(tǒng)防御雷電災(zāi)害提供系統(tǒng)設(shè)計方案，為高速公路安全運(yùn)營提供基礎(chǔ)支撐。

根據(jù)防雷理論和實踐經(jīng)驗，任何雷電防護(hù)系統(tǒng)的防雷安全度都不可能做到100%，因此，防雷工程不是一勞永逸的事情，必須定期對其進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)問題及時整改，同時，要求有關(guān)管理部門的領(lǐng)導(dǎo)群眾定期開展防雷防御知識培訓(xùn)和科普教育，進(jìn)一步增強(qiáng)雷電安全意識，提升新時代高速公路高質(zhì)量發(fā)展中防雷減災(zāi)的能力與水平。