燕海兵

從我國第一條高速公路投運至今,高速公路機電系統(tǒng)都不同程度地遭受雷電侵害。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)濟損失慘重,甚至給交通安全帶來極大隱患。隨著我國高速公路的不斷增加,機電系統(tǒng)遭受雷擊的事件也在不斷增加,因此,高速公路機電工程防雷是高速公路機電建設(shè)不可缺少的一部分,特別是雷害重災(zāi)區(qū)的高速公路機電防雷工程更加不能忽視。

高速公路機電系統(tǒng)應(yīng)采用先進的防雷設(shè)備,加上嚴格而合理的工程建設(shè)和運行措施,這樣才能把雷害降至最低直至消除。在高速公路機電工程建設(shè)中要綜合考慮各種因素,不同的系統(tǒng)應(yīng)采用不同的防雷措施。

1 雷電侵入機電系統(tǒng)的途徑

1.1 由系統(tǒng)通信線和信號傳輸電纜侵入

高速公路機電工程中的通信線主要包括計算機系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)線、攝像系統(tǒng)的信號線等,信號電纜直接與設(shè)備接口相連,因此信號傳輸電纜線中出現(xiàn)的雷過電壓、過電流會通過設(shè)備接口直接侵入設(shè)備。

1.2 由交流供電線路侵入

不管是架空的高壓電力線還是低壓電力線,均可能被直擊雷或感應(yīng)雷擊中。

1.3 高地電位反擊

機電設(shè)備附近的避雷針或房屋避雷裝置可以吸引雷電,保護建筑物,但當(dāng)雷擊時強大的雷電流經(jīng)引下線和接地裝置導(dǎo)入大地時,接地裝置周圍土壤形成喇叭形電位分布。當(dāng)計算機設(shè)備的接地裝置與其接近時,高地電位便可由此侵入計算機設(shè)備造成危害。

2 防雷接地的種類和作用

2.1 工作接地

供電系統(tǒng)用變壓器的中性點直接接地,在工作或事故情況下,保證電器設(shè)備可靠地運行,降低人體接觸電壓,迅速切除故障設(shè)備或線路。

2.2 保護接地

電器設(shè)備在正常工作情況下,不帶電的金屬部分與接地體之間應(yīng)做良好的金屬連接。在中性點的接地系統(tǒng)中,如果電器設(shè)備沒有保護接地,當(dāng)該設(shè)備某處絕緣損壞時,外殼將帶電,同時由于線路與大地間存在電容,人體觸及此絕緣損壞電器設(shè)備外殼,則電流流入人體形成通路,人將遭受觸電的危險。設(shè)有該接地裝置后,接地電流將同時沿著接地體和人體兩條通路流過,接地電阻越小,流過人體的電流也越小,當(dāng)接地電阻極微小時,流經(jīng)人體的電流可不至于造成危害,人體避免觸電的危險。

2.3 重復(fù)接地

將零線上的多點與大地多次做金屬性連接。當(dāng)中性點直接接地系統(tǒng)中發(fā)生碰殼或接地短路時,可降低對地電壓;當(dāng)零線發(fā)生斷裂時,可以使故障的危害程度減輕。

2.4 直流工作接地

為使同一系統(tǒng)的計算機、微電子設(shè)備的工作電路具有同一電位參考點,將所有設(shè)備的零電位點接于同一接地裝置,它可以穩(wěn)定電路的電位,防止外來干擾,這稱為直流工作接地。同一系統(tǒng)的設(shè)備接于同一接地裝置后,無論是模擬量還是數(shù)字量,在進行交換或通信時,才有統(tǒng)一的電位參考點,從而給接于同一接地裝置的計算機或微電子設(shè)備提供穩(wěn)定的工作電位,有效地衰減以致消除各種電磁干擾,保證數(shù)據(jù)處理或信號傳遞準(zhǔn)確無誤。

2.5 防雷接地

為使雷電浪涌電流導(dǎo)入大地,使被保護物免遭直擊雷或感應(yīng)雷等浪涌過電壓、過電流的危害,所有建筑物、電器設(shè)備、線路、網(wǎng)絡(luò)等不帶電金屬部分,金屬護套,以及一切水、氣管道等均應(yīng)與防雷接地裝置做金屬性連接。

3 高速公路機電工程防雷措施

3.1 監(jiān)控外場設(shè)備的防雷設(shè)計

外場設(shè)備包括CCTV設(shè)備、車輛檢測器、可變情報板、可變限速標(biāo)志、可變交通信號燈等。直擊雷的防范措施是在CCTV立柱頂端安裝避雷針,經(jīng)接地引下線與接地網(wǎng)相連。對感應(yīng)雷的防范,在外場機箱的出入線處加設(shè)防雷器,防雷器的接地端與地網(wǎng)相連。為了防止雷電對設(shè)備的嚴重破壞,建議在外場設(shè)備機箱內(nèi),除了設(shè)置防雷器外,對電源進線加設(shè)變壓器隔離;對信號進線采取光電隔離措施。外場設(shè)備接地裝置采用一字排開,一般埋設(shè)在高速公路的斜坡底或排水溝的兩邊,防雷接地電阻不大于10 Ω。

3.2 集群基站鐵塔的防雷設(shè)計

該系統(tǒng)防雷須滿足以下幾點:

1)鐵塔頂端設(shè)置避雷針,天線應(yīng)在避雷針的45°傘狀保護范圍之內(nèi)。

2)鐵塔避雷針應(yīng)設(shè)置專用接地引下線,材料采用40×4鍍鋅扁鋼,接地引下線路要求與機房方向相反。

3)當(dāng)鐵塔位于機房旁邊時,鐵塔地網(wǎng)應(yīng)延伸到塔基四腳處1.5 m的范圍,接地體呈網(wǎng)狀,網(wǎng)格尺寸應(yīng)不大于3 m×3 m,其周邊為封閉式,同時還要利用鐵塔基礎(chǔ)地樁內(nèi)兩根以上主鋼筋作為鐵塔地網(wǎng)的垂直接地體。接地電阻應(yīng)小于4 Ω。

4)鐵塔設(shè)備的電源線、信號線和控制線應(yīng)采用鎧裝電纜,并要求遵從饋線接地原則,每根線纜在機房入口處應(yīng)分別對地加裝避雷器。

3.3 站房設(shè)備的防雷設(shè)計

必須為所有室內(nèi)機電工程設(shè)備提供防雷接地、工作接地和保護接地,地網(wǎng)應(yīng)沿機房建筑物散水外設(shè)環(huán)形(可以不封閉)接地裝置,接地網(wǎng)上焊接一根40×4的扁鋼,穿墻進入站房內(nèi),在底層的豎井邊側(cè)設(shè)置一個接線盒,作為整座樓的接地匯合端;在接線盒內(nèi)設(shè)置一塊銅排,一端連接扁鋼,另一端連接各樓層的接地引下線。每樓層內(nèi)設(shè)置一個接地銅排,樓層內(nèi)的所有接地線包括防雷設(shè)備的接地、工作接地和保護接地都接到接地銅排上。

3.4 收費廣場防雷設(shè)計

收費廣場的天棚作為建筑物應(yīng)有防雷設(shè)施,故在收費亭內(nèi)外的設(shè)備不易遭受直擊雷的破壞,因此設(shè)備防雷主要針對感應(yīng)雷,防雷保護主要針對纜線兩端,包括電源線、信號線、網(wǎng)絡(luò)線等。接地網(wǎng)宜設(shè)置在收費廣場的外側(cè),沿公路邊坡一字排開,接地電阻應(yīng)小于4 Ω。采用一根25 mm2的銅芯線,將地網(wǎng)連到廣場邊側(cè)收費亭人井內(nèi)的接線盒銅排上,連接各個收費亭的接地銅排。

3.5 信號傳輸線的屏蔽

電纜最外層的鎧裝保護套應(yīng)多點可靠接地;電纜屏蔽的效果取決于它的轉(zhuǎn)移阻抗和絕緣層介質(zhì)的絕緣強度,因此,宜選用轉(zhuǎn)移阻抗小的電纜。

3.6 光電隔離

隨著光纖和光傳輸設(shè)備價格的下降,在投資允許的情況下,盡可能采用光設(shè)備。如收費廣場到收費站機房的收費數(shù)據(jù)、收費亭的圖像傳輸就可以使用光纖傳輸,防止雷電過電壓的侵入。

3.7 均壓

均壓就是把導(dǎo)體做良好的導(dǎo)電性連接,使它們達到電位相等,為雷電流提供低阻抗的連續(xù)通道,使其迅速導(dǎo)入大地。把收費站(中心)機房的設(shè)備、金屬管道、電纜的金屬外皮、構(gòu)架等主要金屬物,就近接到電氣裝置的保護接地裝置上。在機房的金屬管道、電纜等進入或引出處,把保護接地干線、電氣裝置的接地干線、金屬管道、電纜的金屬外皮、建筑物的水管等導(dǎo)電部分,在等電位聯(lián)結(jié)端子板上連接起來,然后再與接地母線相連。

3.8 分流

雷電感應(yīng)過電壓是造成機電系統(tǒng)電子設(shè)備損壞的主要原因之一。為防止雷電過電壓波侵害,機電系統(tǒng)還應(yīng)在電纜和終端設(shè)備的輸入端連接處裝設(shè)避雷器和保護器件。

3.9 聯(lián)合接地

在條件可能的情況下,最好使建筑物和機電系統(tǒng)或機電系統(tǒng)不同的子系統(tǒng)之間采用聯(lián)合接地方式。在建筑物和機電系統(tǒng)之間采用聯(lián)合接地時,接地體以采用自然接地體為主。當(dāng)自然接地體同時滿足3個條件,即接地電阻能滿足規(guī)定值要求;基礎(chǔ)外表面無絕緣防水層;基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋必須連接成電氣通路,同時形成閉合環(huán),閉合環(huán)距地面不小于0.7 m。

4 結(jié)語

高速公路機電系統(tǒng)防雷接地問題很復(fù)雜,涉及到的方面也較多,筆者認為,在今后的機電工程中,應(yīng)盡可能采用聯(lián)合接地,接地電阻小于1 Ω,同時加強避雷器的使用,這樣可以減少雷擊造成的損失。

[1] 花鐵森.建筑弱電工程安裝施工手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999:29-43.

[2] 葉佩生.計算機機房環(huán)境技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,1999:105-110,148-156.