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(jì)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(jì)分析極具現(xiàn)實(shí)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(diǎn)，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(jì)方法。

2 工程背景

某高速公路起訖樁號(hào)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(jì)，網(wǎng)架包括三個(gè)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(jì)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(jì)

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(jì)，地網(wǎng)采用閉合環(huán)形的方式設(shè)計(jì)，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(shí)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(jì)

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(jí)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(shí)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(yàn)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(jì)

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(jí)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(jì)如圖2所示。

圖2 監(jiān)控機(jī)房接地線設(shè)計(jì)

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(hào)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(jí)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(jí)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(jì)安裝適配的信號(hào)電涌保護(hù)器（SPD）。

3.4 收費(fèi)島防雷設(shè)計(jì)

3.4.1 收費(fèi)島接地設(shè)計(jì)

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(jì)如圖3所示。

圖3 收費(fèi)島接地線設(shè)計(jì)

3.4.2 收費(fèi)島設(shè)備防雷設(shè)計(jì)

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(dòng)欄桿、雨棚信號(hào)燈、車道攝像機(jī)、計(jì)重控制器等處設(shè)置安裝第二級(jí)電源SPD，要求In ≥20KA，≤1.5kV，信號(hào)線路設(shè)計(jì)安裝適配的信號(hào)電涌保護(hù)器[4]。

收費(fèi)亭、自動(dòng)欄桿、通行信號(hào)燈、計(jì)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(tái)、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(jì)

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(hào)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(shí)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(shí)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(hào)線纜與電源線纜分管敷設(shè)，采用光纜時(shí)在接線箱處將金屬加強(qiáng)芯等金屬部件進(jìn)行接地，并對(duì)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(shí)，在傳輸線端口設(shè)置適配的信號(hào)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(jì)，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(jì)

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(duì)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(duì)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(jì)，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(jì)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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(duì)其進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)整改，同時(shí)，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(shí)培訓(xùn)和科普教育，進(jìn)一步增強(qiáng)雷電安全意識(shí)，提升新時(shí)代高速公路高質(zhì)量發(fā)展中防雷減災(zāi)的能力與水平。