江蘇省高速公路綜合防雷的設(shè)計(jì)

江蘇省高速公路綜合防雷的設(shè)計(jì)摘要：本文介紹了高速公路通信、監(jiān)控、收費(fèi)系統(tǒng)的綜合防雷概念，以江蘇省高速公路收費(fèi)站防雷工程設(shè)計(jì)與施工實(shí)例出發(fā)，依據(jù)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的防雷技術(shù)規(guī)范與法律法規(guī)，詳細(xì)介紹各系統(tǒng)防直接雷、感應(yīng)雷等的防護(hù)措施，提出高速公路收費(fèi)站綜合防雷工程的設(shè)計(jì)思路。供相關(guān)工程技術(shù)人員參考。關(guān)鍵詞：高速公路：三大系統(tǒng)：綜合防雷：接地系統(tǒng)從我國(guó)第一條高速公路投運(yùn)至今，高速公路機(jī)電系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生遭受雷電侵害。輕者部分設(shè)備被雷電擊壞，系統(tǒng)喪失部分功能；重者全系統(tǒng)癱瘓，經(jīng)濟(jì)損失慘重；更有甚者，因系統(tǒng)頻繁遭受雷電侵?jǐn)_，系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，全部系統(tǒng)功能盡失，給交通安全帶來極大隱患。以江蘇為例，近年來，新建的高速公路已經(jīng)十分注重綜合防雷的設(shè)計(jì)，同時(shí)各條高速公路運(yùn)營(yíng)公司每年也會(huì)通過江蘇省防雷中心對(duì)高速公路沿線的防雷設(shè)施進(jìn)行檢測(cè)，防患于未然，檢測(cè)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，還是或多或少存在問題，今年5月江蘇寧常鎮(zhèn)溧高速公路有限公司對(duì)沿線的防雷設(shè)施進(jìn)行檢測(cè)，在接地、防感應(yīng)雷、浪涌保護(hù)器方面還無法滿足規(guī)范要求，有待進(jìn)一步完善。高速公路機(jī)電系統(tǒng)的特點(diǎn)是點(diǎn)多、面廣、線長(zhǎng)，既有強(qiáng)電設(shè)備，又有大量的監(jiān)控、通信、傳感等弱電設(shè)備，外場(chǎng)設(shè)備遍布全路段，曠野區(qū)域往往有突出的設(shè)備點(diǎn)，電力線路往往要翻山越嶺，傳輸和控制線路往往經(jīng)常穿越復(fù)雜的地質(zhì)層面，這些都是易遭雷擊或雷電感應(yīng)的薄弱點(diǎn)。同時(shí)，在高速公路機(jī)電設(shè)計(jì)和施工中強(qiáng)電和弱電系統(tǒng)的防雷問題一直不被重視，接地的要求也不統(tǒng)一，弱電系統(tǒng)的接地處理更為簡(jiǎn)單。由于上述原因，高速公路機(jī)電系統(tǒng)的防雷薄弱環(huán)節(jié)相對(duì)來說較多，因此易遭雷害，特別是感應(yīng)雷害和反擊雷害。1概述雷電是發(fā)生在因強(qiáng)對(duì)流天氣而形成的雷雨云間和雷雨云與大地之間強(qiáng)烈瞬間放電現(xiàn)象。自然界的雷擊主要由直接雷擊和雷擊電磁脈沖(LEMP)或稱感應(yīng)雷擊兩類。因此防雷主要是指防直擊雷和防感應(yīng)雷。防直擊雷主要采用避雷針、避雷帶網(wǎng)等傳統(tǒng)避雷裝置，只要設(shè)計(jì)規(guī)范，安裝合理，這些避雷設(shè)施便能對(duì)直擊雷進(jìn)行有效的防御。但是無論多么完善的避雷針帶，對(duì)雷擊電磁脈沖的防護(hù)都無能為力。因?yàn)槔讚綦姶琶}沖是由于電子、電氣設(shè)備的電源線、信號(hào)線、天饋線和進(jìn)入室內(nèi)的管道等招引而致。在電氣時(shí)代，電子設(shè)備并不多，雷擊電磁脈沖的危害現(xiàn)象也不明顯，人們自然就想不到要對(duì)他們進(jìn)行防御，只要能防護(hù)直擊雷就足夠了。然而，隨著數(shù)字通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)設(shè)備大量應(yīng)用，雷擊電磁脈沖的危害明顯增加，僅靠避雷針防雷已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電子、通信、微電子設(shè)備和高速公路通信、監(jiān)控收費(fèi)系統(tǒng)的實(shí)際需求。因此，我們既要防止直擊雷：依靠合格的避雷針(帶)系統(tǒng)；也要防止感應(yīng)雷及雷擊電磁脈沖：采用完善的綜合防雷手段和安裝電涌保護(hù)器(SPD)系統(tǒng)，二者有機(jī)結(jié)合，相互補(bǔ)充，構(gòu)成一套完整的防雷體系，這就是現(xiàn)代防雷的新理論：綜合防雷技術(shù)。目前高速公路建設(shè)發(fā)展迅速，為了使高速公路暢通無阻，保證高速公路通信、監(jiān)控、收費(fèi)、系統(tǒng)正常運(yùn)行，達(dá)到防雷減災(zāi)、將雷電災(zāi)害降至最低限度的目的，防雷工程技術(shù)人員應(yīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面了解，實(shí)地勘測(cè)，根據(jù)國(guó)家、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求，進(jìn)行全面規(guī)劃、綜合治理、制定完善的綜合防雷設(shè)計(jì)方案。2高速公路通信、監(jiān)控、收費(fèi)系統(tǒng)的基本組成2.1每一條高速公路在其管理的區(qū)間內(nèi)均設(shè)有一監(jiān)控中心大樓，監(jiān)控中心一般設(shè)在高速公路的出、入口處，也有設(shè)在管理區(qū)間的中心部位，它是管理區(qū)間的指揮、調(diào)度、控制中心。中心一般設(shè)置有大型地圖板和監(jiān)控電視系統(tǒng)，并配有多畫面切換裝置設(shè)備、視頻監(jiān)視器、低速錄像設(shè)備及自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置。中心配備有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、負(fù)責(zé)管理各收費(fèi)站的收費(fèi)信息、緊急電話的控制、公路出入口及中間各大型電子顯示屏的控制和公路沿線的小型電子提示牌的控制等。中心大樓內(nèi)還有程控交換機(jī)系統(tǒng)、中心控制臺(tái)、光纜通信的兩個(gè)或四個(gè)8Mb／s接口的光端機(jī)及上網(wǎng)設(shè)備、無線電話系統(tǒng)、UPS供電系統(tǒng)等多種電子設(shè)備。2.2在每個(gè)收費(fèi)站配備有光纜通信設(shè)備；收費(fèi)用的計(jì)算機(jī)局域小網(wǎng)；收費(fèi)站的信號(hào)燈控制系統(tǒng)；監(jiān)視、攝像、記錄系統(tǒng)；控制操作臺(tái)；站內(nèi)電話控制臺(tái)、無線對(duì)講電話等。2.3在每個(gè)收費(fèi)亭內(nèi)配備有收費(fèi)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工作站專用計(jì)算機(jī)；收費(fèi)票據(jù)打印機(jī)；收費(fèi)指示板；指示燈；車道控制機(jī)：自動(dòng)欄桿；語音提示系統(tǒng)；車輛過境自動(dòng)計(jì)數(shù)器；對(duì)講電話和空調(diào)及供電系統(tǒng)等設(shè)備。2.4在高速公路沿線設(shè)有監(jiān)控?cái)z像機(jī)、大型門式可變情報(bào)板、小型可變情報(bào)板或可變限速標(biāo)志、車輛檢測(cè)器、小型氣象檢測(cè)器、緊急電話等外場(chǎng)設(shè)備，以便控制中心掌握公路沿線的車輛行駛運(yùn)行情況，便于指揮調(diào)度。3高速公路綜合防雷原則高速公路的綜合防雷設(shè)計(jì)應(yīng)考慮環(huán)境因素、雷電活動(dòng)規(guī)律系統(tǒng)設(shè)備的重要性、發(fā)生雷災(zāi)后果的嚴(yán)重程度，分別采取相應(yīng)的防護(hù)措施。3.1在進(jìn)行綜合防雷設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)堅(jiān)持全面規(guī)劃、綜合治理、優(yōu)化設(shè)計(jì)、多重保護(hù)、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、定期檢測(cè)、隨機(jī)維護(hù)的原則，進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)及維護(hù)。3.2高速公路綜合防雷系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)應(yīng)采用直擊雷防護(hù)、等電位連接、屏蔽、合理布線、共用接地系統(tǒng)和安裝電涌保護(hù)裝置等措施進(jìn)行綜合防護(hù)。必須堅(jiān)持預(yù)防為主、安全第一的指導(dǎo)方針。4高速公路建筑物直擊雷防護(hù)措施4.1監(jiān)控中心大樓一般設(shè)置在高速公路的出入端或控制管理區(qū)域的中心位置。由于周圍地形比較空曠，樓層一般都在六層以上，高度超過20m且樓頂還安裝有各類通信天線、有的還架設(shè)有鐵塔，這些都是直擊雷的重要目標(biāo)。由于樓內(nèi)有大量事實(shí)運(yùn)行的電子、微電子設(shè)備，又是整個(gè)公路的調(diào)度中心，根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-94(2000年版)的規(guī)定，監(jiān)控中心大樓、收費(fèi)亭、大型顯示屏一般都屬于預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)大于0.06次/年的重要或人員密集的建筑物。因此可定為二級(jí)防雷建筑。按滾球法(滾球半徑45m)來計(jì)算設(shè)計(jì)直擊雷防護(hù)避雷針。計(jì)算的方法參照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄四的要求，決定避雷針的數(shù)目、布局、高度，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮避雷針抗當(dāng)?shù)?0年最大風(fēng)的強(qiáng)度，并留有一定余量。4.2為了減少避雷針的維護(hù)，防止酸雨對(duì)避雷針的腐蝕，應(yīng)在監(jiān)控中心大樓樓頂安裝優(yōu)化避雷針，高度和數(shù)量根據(jù)滾球法計(jì)算器保護(hù)范圍能覆蓋整幢中心大樓的天面和各類天線，使其能有效防止直擊雷擊以保護(hù)大樓和樓頂?shù)母黝愅ㄐ盘炀€的安全。4.3在公路沿線安裝監(jiān)控?cái)z像頭的云臺(tái)桿頂和收費(fèi)站廣場(chǎng)云臺(tái)桿頂各安裝一套不銹鋼避雷針，以保護(hù)云臺(tái)攝像頭等設(shè)備免遭受直擊雷危害。4.4在高速公路收費(fèi)站鋼架屋頂上和大型室外電子顯示屏頂端左右對(duì)稱各安裝一套不銹鋼避雷針，以保護(hù)收費(fèi)站鋼架屋頂和電子顯示屏框架結(jié)構(gòu)免遭受直擊雷危害。4.5防直擊雷避雷針的引下線可利用鋼結(jié)構(gòu)柱做泄流線，也可以單獨(dú)用25mm2以上的銅絞線穿鍍鋅鋼管屏蔽，并做絕緣處理，從避雷針尖直接以最短路徑人地，以減小泄流時(shí)的雷擊電磁脈沖輻射而損壞微電子設(shè)備和室外大型電子顯示屏的編碼控制系統(tǒng)。5感應(yīng)雷擊及雷擊電磁脈沖(LEMP)的防護(hù)措施感應(yīng)雷擊及電磁脈沖(LEMP)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通過侵入通道疊加在線路信號(hào)上產(chǎn)生瞬間高電壓脈沖，擊毀各類用電設(shè)備和微電子芯片，使設(shè)備遭到永久性損壞，因此在實(shí)施防雷工程時(shí)必須將感應(yīng)雷擊作為重點(diǎn)進(jìn)行有效的防治。感應(yīng)雷擊的防護(hù)應(yīng)從感應(yīng)雷擊的各個(gè)侵入口著手進(jìn)行，將感應(yīng)雷擊電壓、電流在被保護(hù)設(shè)備的外圍引導(dǎo)入地，從而達(dá)到保護(hù)電子設(shè)備的目的。感應(yīng)雷擊及雷擊電磁脈沖(LEIVIP)侵入的主要通道是：電源供電線路：室內(nèi)外信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸線；天饋線；進(jìn)入機(jī)房的各種管道、電纜等；地電位反擊。因此，在設(shè)計(jì)綜合防雷時(shí)，應(yīng)從以上通道進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)。同時(shí)做好等電位連接和共用接地系統(tǒng)。5.1電源系統(tǒng)的防雷措施5.1.1在變壓器進(jìn)入監(jiān)控中心配電柜的總開關(guān)處安裝一套雷電通流量為60KA的三相電源避雷器，作為電源系統(tǒng)的第一級(jí)防雷保護(hù)；5.1.2在監(jiān)控中心大樓的總配電柜上安裝一套雷電通流量為40KA的三相電源避雷器，作為電源系統(tǒng)的第二級(jí)防雷保護(hù)；5.1.3在樓層分配電柜上安裝一套雷電通流量為40KA的三相電源避雷器作為電源系統(tǒng)的第三級(jí)防雷保護(hù)；5.1.4在UPS電源前安裝一套雷電通流量為20KA的單相電源避雷器作為計(jì)算機(jī)機(jī)房的電源防雷保護(hù)；5.1.5在高速公路沿線外場(chǎng)設(shè)備低壓電源供電線路上安裝一套雷電通流量為5-15KA的電源避雷器，以保護(hù)低壓電流供電線路安全。5.1.6在進(jìn)出高速公路兩端和中間的大型電子顯示屏電源線路配電盤上各安裝一套雷電通流量為20KA的電源避雷器，以保護(hù)電子顯示屏供電線路安全。5.2視頻信號(hào)傳輸線路的防護(hù)措施5.2.1在廣場(chǎng)攝像頭到控制中心和收費(fèi)亭的監(jiān)控?cái)z像頭到控制中心的視頻傳輸電纜兩端應(yīng)安裝視頻信號(hào)避雷器各一只，以保護(hù)攝像頭。5.2.2在公路沿線云臺(tái)的攝像頭上各安裝一只視頻信號(hào)避雷器以保護(hù)攝像頭。5.3數(shù)據(jù)信號(hào)線的防護(hù)措施5.3.1在監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器至集線器(HUB)間安裝一只數(shù)據(jù)線避雷器，以保護(hù)服務(wù)器。5.3.2在監(jiān)控中心機(jī)房集線器至收費(fèi)亭的微機(jī)間的數(shù)據(jù)線兩端各裝一只數(shù)據(jù)線避雷器，以保護(hù)集線器和收費(fèi)亭微機(jī)。5.3.3在電子顯示屏的光、電端編碼器及控制器兩端各安裝兩個(gè)數(shù)據(jù)線避雷器，以保護(hù)光、電端機(jī)編碼器和控制器。5.3.4使用含有金屬部件的光纜，如果供抗拉強(qiáng)度用的加強(qiáng)金屬芯、金屬擋潮層、防嚙齒動(dòng)物外層或修理維護(hù)時(shí)使用的金屬通信設(shè)施等均應(yīng)可靠接地，應(yīng)接通光纜沿線的所有接頭，再生器等處的擋潮層(金屬層)，并在光纜長(zhǎng)度每一端的終端進(jìn)行直接埋地。宜在電端機(jī)(PCM)出口的數(shù)據(jù)線上安裝數(shù)據(jù)線避雷器。5.3.5宜在程控電話和緊急電話傳輸線路安裝程控電話避雷器。6接地系統(tǒng)交流電和直流電源系統(tǒng)，各個(gè)重要的系統(tǒng)都有獨(dú)自的接地要求，按功能分有防雷地、工作交流地(N線)、靜電地、屏蔽地、直流地、絕緣地、安全保護(hù)地等，為了各接地裝置之間不能經(jīng)土壤擊穿和避免相互干擾，防雷接地與其它接地裝置在土壤中需隔開較大的距離(如20m)，如無法實(shí)現(xiàn)上述距離間隔，因此按照現(xiàn)行的國(guó)家相關(guān)防雷標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)將上述接地實(shí)現(xiàn)共用接地系統(tǒng)。明確地講，所說的共用接地系統(tǒng)是將防雷地，工作交流地(N線)，靜電地、屏蔽地、直流地、絕緣地、安全保護(hù)地等做在一個(gè)接地裝置上，接地電阻值取其中的最低值。完全的共地系統(tǒng)不僅采用公共的接地裝置，而且采用公共的接地系統(tǒng)，共地使電子設(shè)備無法受到地電位反擊。6.1機(jī)房接地：沿計(jì)算機(jī)機(jī)房防靜電地板下四周安裝環(huán)行均壓環(huán)，均壓環(huán)上除固定孔和連接孔外還必須留3-4個(gè)孔，根據(jù)設(shè)備外殼接地需要和避雷器接地需要在相應(yīng)的位置上鉆孔連接。(必須用銅螺絲)。并采用BVR線將均壓環(huán)至少兩處連接到共用接地排上；系統(tǒng)內(nèi)的防雷地、靜電地、屏蔽地、直流地、絕緣地、安全保護(hù)地等接地直接連接到均壓環(huán)上；如果機(jī)房面積較大，在環(huán)行均壓環(huán)較遠(yuǎn)處設(shè)備放置比較集中，應(yīng)在該處設(shè)置機(jī)房設(shè)備等電位聯(lián)結(jié)塊，在環(huán)行均壓環(huán)與聯(lián)結(jié)銅塊之間采用線纜聯(lián)結(jié)，設(shè)備接地以最近的距離聯(lián)結(jié)到環(huán)行均壓環(huán)上。7地網(wǎng)建設(shè)7.1地網(wǎng)的重要性大量的實(shí)踐證明，信息設(shè)備的損壞主要是毀壞性電位差造成的。因此，一個(gè)均壓的、低阻抗的、基準(zhǔn)電位相同的、雷電流通過時(shí)不會(huì)產(chǎn)生毀壞性電位差的接地網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，是確保信息防雷安全的基礎(chǔ)。地網(wǎng)的建設(shè)很重要，防雷的中心思想是引雷入地，可見地網(wǎng)建設(shè)的好壞直接影響整個(gè)防雷工程，所以眾多規(guī)范都對(duì)此有明確規(guī)定(如下)：GB50174-93《電子計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定：交流接地應(yīng)小于4歐姆，安全接地應(yīng)小于4歐姆。GB50057-94《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(2000版)防雷接地電阻應(yīng)小于10歐姆。YD2011-93《微波站防雷與接地設(shè)計(jì)規(guī)范》指出：微波站直流工作接地，應(yīng)從接地匯集線上就近引接。微波站通信設(shè)備及供電設(shè)備的正常不帶電的金屬部分，通信設(shè)備所防雷保安器的接地端，均應(yīng)作保護(hù)接地，嚴(yán)禁作接零保護(hù)。工頻接地電阻應(yīng)不大于10歐姆。YDJ26-89《通信局(站)接地設(shè)計(jì)暫行技術(shù)規(guī)定》：數(shù)字通信設(shè)備的機(jī)架保護(hù)接地應(yīng)防止通過布線引入機(jī)架的隨機(jī)接地。大樓頂?shù)奈⒉ㄌ炀€及其支架應(yīng)與避雷接地線就近連通嚴(yán)禁采用中性線作為交流保護(hù)地線。綜合通信大樓的接地電阻值不宜大于1歐姆。YD5003-94《電信專用房屋設(shè)計(jì)規(guī)范》中的防雷設(shè)計(jì)：電信