（大气物理学与大气环境专业论文）高速公路机电系统雷电防护技术应用研究.pdf

摘要 本文首先通过多年在高速公路防雷实践中收集的高速公路雷击灾害资料， 高速公路防雷项目的审核、防雷工程施工过程监督和竣工验收的资料，高速公 路每年常规检测资料和闪电定位仪观测资料，统计分析了雷电对高速公路的危 害以及雷击高速公路机电系统的危害特征，分析了高速公路机电系统防雷现状。 其次，根据高速公路机电系统集中的收费站建设过程中土建、房建的结构 和建筑材料特点，监控、收费、通信、供电与照明系统以及隧道通风等系统特 点，高速公路机电系统重要性及其机电工程现状，如所处建筑物( 办公楼、收 费天棚等) 的直击雷防护情况与屏蔽情况等，确定设备所处位置可能遭受雷击 电磁场和雷击电磁脉冲的情况，进行了防雷区的划分。 最后，根据目前我国高速公路防雷工程的实际情况，应用国际和国内外先 进技术标准和实践证明成功的防护技术，采用国内现行有效防雷标准中的一些 强制性规定，参照国内外雷电防护新技术的一些科研成果，进行了高速公路机 电系统雷电防护技术的应用研究。提出高速公路机电系统直击雷防护措施，包 括避雷针、带、网、引下线、接地体等的设计；机电系统雷击电磁脉冲防护措 施，包括屏蔽、综合布线、等电位连接等的设计；电涌保护器在低压配电线路 和信号网络中的设计和使用原则等方面的技术和方法，为高速公路机电系统的 雷电防护工作提供参考。 关键词：高速公路机电系统，防雷区划分，直击雷防护，雷击电磁脉冲防护 a b s t r a c t f i r s t , t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h el i g h t n i n gh a z a r d st ot h ef r e e w a y s e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e ma n dt h es t a t u sq u oo ft h el i g h t n i n gp r o t e c t i o na c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e s o ft h es y s t e mw h i c hi n c l u d e dm o n i t o d n g , c h a r g i n g ，c o m m u n i c a t i o n , p o w e rs u p p l ya n dl i g h t i n g b r a n c h e s ，t h ed a t ao fc o n v e n t i o n a ld e t e c t i o nw o r k , t h ed a t ao ft h ea u d i t , m o n i t o r i n ga n d a c c e p t a n c ec h e c ko f t h ep r o j e c t , t h ed a t ao f t h ei n v e s t i g a t i o no nl i g h 佃j n gh a z a r d st ot h ef r e e w a y , a n dt h ed a t ao ft h el i g h t n i n gl o c a t o rw h i c hh a db e e nc o l l e c t e dt h r o u g hy e a r so fl i g h t n i n g p r o t e c t i o np r a c t i c e t h e n , i td e t e r m i n e dt h ep o s s i b l ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n dl e m pt ot h ea r e aw h e r et h e e q u i p m e n tw a sl o c a t e da n dm a d et h ed i v i s i o no ft h el i g h t n i n gp r o t e c t i o nz o n ea c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h es t r u c t u r e sa n dt h em a t e r i a l so ft h ec i v i l ，b u i l d i n ga n de l e c t r o m e c h a n i c p r o j e c t si nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s so ft h ef r e e w a y st o l ls t a t i o nw h e r et h ee l e c t r o m e c h a n i a e s y s t e mw a sc o n c e n t r a t e d , t h ef e a t u r e so ft h ec h a r g i n g ，c o m m u n i c a t i o n , p o w e rs u p p l y , l i g h t i n g b r a n c h e sa n dt u n n e lv e n t i l a t i o n ，a n dt h ei m p o r t a n c eo ft h ee l e c t r o m e c h a n i cs y s t e ma n dt h es t a t u s q u oo ft h ee l e c t r o m e c h a n i cp r o j e c t s ，f o re x a m p l e ，t h es i t u a t i o no ft h ed i r e c tl i g h t n i n gp r o t e c t i o n a n ds h i e l d i n go ft h eb u i l d i n g st h a tc o n t a i n e dt h ee l e c t r o m e c h a n i cs y s t e m ( t h eo f f i c eb u i l d i n g ，t h e c h a r g i n gc e i l i n g ) a tl a s t ，i tm a d ear e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o no ft h el i g h t n i n gp r o t e c t i o nt e c h n o l o g yo ft h e e l e c t r o m e c h a n i cs y s t e mo ft h ef r e e w a ya c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h el i g h t n i n g p r o t e c t i o np r o j e c to ft h ef r e e w a yi nc h i n a , a p p l y i n gt h ea d v a n c e dn a t i o n a la n di n t e r n a t i o n a l t e c h n i c a ls t a n d a r d sa n dt h ep r o t e c t i o nt e c h n o l o g yw h i c hh a v eb e e np r o v e ds u c c e s s f u l ，a d o p t i n g s o m em a n d a t o r yr u l e so ft h ee f f e c t i v en a t i o n a l l i g h t n i n gp r o t e c t i o ns t a n d a r d s ，a n dm a k i n g r e f e r e n c e so fs o m eu p - t o - d a t eo u t c o m e so ft h el i g h t n i n gp r o t e c t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c ha th o m e a n da b r o a d i ti n t r o d u c e dt h ed i r e c tl i g h t n i n gp r o t e c t i o nm e a s u r e si n c l u d i n gt h ed e s i g no ft h e l i g h t n i n gc o n d u c t o r , b a r , n e t w o r k , t h ed o w n c o n d u c t o rs y s t e ma n dt h ee a r t he l e c t r o d e ；t h e p r o t e c t i o nm e a s u r e so fl e m p , i n c l u d i n gt h ed e s i g no fs h i e l d i n g ，c o m p r e h e n s i v ec a b l i n g , e q u i p o t e n t i a lb o n d i n g , a n dt h et e c h n o l o g ya n dm e t h o d so ft h ep r i n c i p l e so fd e s i g na n du s eo ft h e s p di nt h el o w v o l t a g ed i s t r i b u t i o nl i n e sa n ds i g n a ln e t w o r k s ，a n dt h u sm a d er e f e r e n c e sf o rt h e l i g h t n i n gp r o t e c t i o no f t h ef r e e w a y se l e c t r o m e c h a n i cs y s t e m k e y w o r d s ：t h ee l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e mo ft h ef r e e w a y , t h ed i v i s o no fl i g h t n i n gp r o t e c t i o nz o n e ， t h ed i r e c tl i g h t n i n gp r o t e c t i o n ，l e m p i i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新 的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：整望奎 日 期：趟。： ! 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版：有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索：有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：超望垒 日 期：型，6 ：笠、 | 高速公路机电系统雷电防护技术应用研究 引言 1 1 研究目的和意义 雷电是因强对流天气而形成的雷雨云层间和云层与大地间强烈瞬间放电现象。当雷云 放电时，将产生强大的雷击电流、炽热的高温、猛烈的冲击波、瞬变的电磁场和强烈的电 磁辐射等综合物理效应n 3 。随着近年来电子技术的飞速发展，雷电灾害已被国际电工委员会 ( i e c ) 称为“电子化时代的一大公害”。社会经济的发展，交通对国民经济建设、对国家安 全的影响日益重要，在加大道路基础设施建设的同时，高速公路机电系统日益完善，先进 的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制技术及计算机处理技术等被运 用于高速公路运营管理，保证运营安全、提高运输效率。 高速公路机电系统是一个功能强大、系统复杂的电气、电子系统，现代通信、监控、 计算机技术在高速公路得到了广泛的应用。既有强电设备，又有大量的监控、通信、传感 等弱电设备，各类高集成度电子器件、大规模及超大规模集成电路的广泛采用，使得各类 机电设备对雷电侵袭的抵御能力越来越差。此外，高速公路机电设备分布点多、面广、线 长，遍布全路段，而且往往多处在旷野，其传输和控制线路往往穿越复杂的地质层面，高 速公路的路基、路面施工造成了公路沿线的土壤电阻率变化，使高速公路沿线成为易落雷 区。由于我国高速公路建设起步较晚，国家尚未制订出台高速公路建设的有关防雷技术规 范，在高速公路设计和施工中防雷问题一直重视不够，强电和弱电系统的防雷问题往往被 忽视，接地的要求也不统一。由于上述原因，高速公路机电系统的综合防雷薄弱环节较多， 机电设备遭雷击损毁的事故时有发生，从我国第一条高速公路投运至今，几乎每条高速公 路的机电系统都不同程度地遭受过雷电侵袭。轻者部分设备被雷电击坏，系统丧失部分功 能，重者全系统瘫痪，经济损失惨重，给高速公路运营管理安全带来极大隐患。随着智能 交通的不断完善，机电设备的广泛应用和电子设备集成化程度不断提高，雷电对智能交通 的危害程度可能还将不断增加，因此高速公路机电系统雷电的防护刻不容缓。 1 2 国内外发展概况和研究现状 1 2 1 高速公路雷电防护的研究 目前高速公路的防雷主要采用直击雷防护技术、等电位连接技术、屏蔽技术、合理的 1 高速公路机电系统雷电防护技术应用研究 综合布线技术、共用接地技术、电涌保护器的设计安装技术等六大技术措施进行综合防护 设计。许多学者也对高速公路防雷进行了研究，但国家尚未制订出台高速公路建设的有关 防雷技术规范。刘明、刘晓东心1 等以防感应雷击为重点讨论了高速公路雷电防护方案；冯 民学、吕久平1 等提出在高速公路设计和施工中强电和弱电系统的防雷问题往往被忽视， 分析了雷电对高速公路机电设备危害途径，并阐述了高速公路雷电防御技术应包括直击雷、 雷击电磁脉冲( 雷电感应) 的立体化的综合防御技术；蒲广亮h 3 以深圳机荷高速公路为例， 提出了高速公路防雷的一套解决方案；丁晓雷、易沛等以金丽温高速公路为例，总结出一 套高速公路防雷设施检测实践方案；冯民学等哺1 提出高速公路防雷应在认真调查地理、地 质、土壤、气象、环境条件、雷电活动规律、雷击事故受损原因、系统设备的重要性、发 生雷灾后果的严重程度等基础上全面规划，对保护区进行分区、分级设防。 1 2 2 高速公路机电系统雷电防护的研究 高速公路机电系统是一个功能强大的电器、电子集成系统，包括监控、通信、收费设 备的弱电设备系统，也包括供配电照明设备的强电设备系统。由于高速公路机电系统极易 受到雷电的干扰，专家学者对其防雷进行了很多研究，但还没有形成一套针对性强且可实 施性强的高速公路机电系统雷电防护技术方案。杨立波、马荣国肺1 等基于雷电种类及其防 护方法，对高速公路机电系统防雷区进行级别划分，并做相应的防雷器选择配置，然后从 高速公路机电系统建筑间、建筑内和外场设备入手，分别进行相应的接地与屏蔽设计；贺耀 武、李强门1 等针对高速公路电子信息系统的特点，从防雷环境因数、雷电活动规律、雷击 事故受损原因、系统设备的重要性及发生雷灾后果的严重程度等因素，结合考虑了高速公 路电子信息系统防雷工程设计中应该注意的问题，提出了高速公路的防雷技术方案；王东 浩旧1 从防雷接地技术要求、机电设备的电源防雷、信号防雷和外场设备的防雷方面讨论了 高速公路机电系统防雷的有效措施；赵梓城阳1 以广珠西线高速公路碧江管理中心监控机房 为例，通过理论计算，对监控机房雷击损害风险进行评估，探讨防御雷击对策，以提高监控机 房电子设备的抗雷击能力。 由于高速公路是一个建筑与机电系统有机结合的整体，但目前高速公路防雷系统工程 中房建防雷与机电系统防雷大多没有综合设计和有效的统一管理，缺乏整体性。国外成熟 2 高速公路机电系统雷电防护技术应用研究 的高速公路机电系统雷电防护工程实例也很少。 1 3 研究内容和研究方法 1 3 1 资料来源 ( 1 ) 江苏省高速公路雷灾调查资料； ( 2 ) 江苏省高速公路防雷工程资料； ( 3 ) 江苏省高速公路检测报告： ( 4 ) 江苏省闪电定位仪资料。 1 3 2 研究方法 通过对高速公路每年常规检测工作资料；防雷项目的审核、施工过程监督和竣工验收 的资料；高速公路雷击灾害调查资料、闪电定位仪资料统计分析雷电对高速公路机电系统 的危害特征。 ( 1 ) 引用修订法。引用现有的国内外最新机电系统雷电防护技术，并结合高速公路机 电系统实际情况进行修订。 ( 2 ) 统计归纳总结国内外高速公路机电系统雷电防护技术，研究高速公路机电系统综 合雷电防护技术应用方法。 1 3 3 研究内容 本文结合本人在高速公路防雷设计规范编写工程中的实践，根据目前我国高速公 路防雷工程的实际情况，应用国际和国内外先进技术标准和实践证明成功的防护技术，采 用了国内现行有效防雷标准中的一些强制性规定，参照了国内外雷电防护新技术的一些科 研成果，进行了高速公路机电系统雷电防护技术的应用研究。针对高速公路机电系统即监 控、收费、通信、供电与照明系统以及隧道通风等系统特点，通过对高速公路每年常规检 测工作资料；防雷项目的审核、施工过程监督和竣工验收的资料；高速公路雷击灾害调查 资料、闪电定位仪资料统计分析高速公路机电系统的雷电防护的问题所在。 本文充分考虑高速公路机电系统的特点，结合高速公路建设过程中土建、房建、机电 工程现状，突出了高速公路场站的防雷设计，根据机电系统重要性及其特点如所处建筑物 ( 办公楼、收费天棚等) 的直击雷防护情况与屏蔽情况等，确定设备所处的位置可能遭受 雷击电磁场和雷击电磁脉冲的情况，进行了防雷区的划分；提出高速公路机电系统直击雷 3 高速公路机电系统雷电防护技术应用研究 防护措施，包括避雷针、带、网、引下线、接地体等的设计；机电系统雷击电磁脉冲防护 措施，包括屏蔽、综合布线、等电位连接等的设计；电涌保护器在低压配电线路和信号网 络中的设计和使用原则等方面的技术和方法，措施方法尽量避免了模棱两可的描述，力求 简洁易操作，强化可操作性。 4 高速公路机电系统雷电防护技术应用研究 第一章雷电对高速公路机电系统危害分析 1 1 雷灾新特点 当人类社会进入电子信息时代后，雷灾出现特点与以往有极大的不同们，可以概括为： 1 、受灾面大大扩大。从电力、建筑这两个传统领域扩展到几乎所有行业，特点是与高 新技术关系最密切的领域，如高速公路、航天、航空、国防邮电通信、计算机、电子工业、 石油化工、金融证券等。 2 、从二维空间入侵变为三维空间入侵。从闪电直击和过电压波沿线传输变为空间闪电 的脉冲电磁场从三维空间入侵到任何角落，无孔不入地造成灾害，因而防雷工程已从单纯 的防直击雷转为侧重于防雷击电磁脉冲( l e 御) 。前面是指雷电的受灾行业面扩大了，这儿 指雷电灾害的空间范围扩大了。 3 、雷灾的经济损失和危害程度大大增加了，它袭击的对象本身的直接经济损失有时并 不太大，而由此产生的间接经济损失和影响就难以估计。特别对于承载着不可中断的公众 服务系统的大型公共性智能建筑物，因雷击损害会造成巨大破坏和社会影响，如高速公路、 大型车站、机场、码头、医院、国家级金融中心、大型通信枢纽、电力调度中心等。 4 、产生上述特点的根本原因是雷灾的主要对象已集中在微电子器件设备上。雷电的本 身并没有变，而是科学技术的发展，使得人类社会的生产生活状况变了。微电子技术的应 用渗透到各种生产和生活领域，微电子器件极端灵敏，这一特点很容易受到无孔不入的雷 击电磁脉冲( l e l l p ) 的作用，造成微电子设备的失控或者损坏。 在国内、外防雷规范中，开始对电子信息系统的雷电防护越来越重视。加装电涌保护 器、等电位连接和屏蔽接地这三个要素，将成为今后防雷设计中新的亮点。 为此，当今时代的防雷工作的重要性、迫切性、复杂性大大增加了，雷电的防御己从 直击雷防护到整体系统防护，我们必须站到历史时代的新高度来研究和应用现代防雷技术， 提高人类对雷灾防御的综合能力。 1 2 雷电对高速公路机电系统的危害 正如前面所述，近年来，随着中国社会经济、信息技术特别是计算机网络技术迅速发 5 高速公路机电系统雷电防护技术应用研究 展，高速公路日益增多，雷电危害造成的损失也越来越大。机电系统中所采用的监控设备、 通讯设备、收费等设备种类繁多，其技术性能既先进又复杂，而管理工作己非人工所能应 付，实际上是一套由计算机网络来进行管理和控制的系统。它体现了先进的计算机与通讯 技术及一体化集成系统的特点。雷电损失造成的事故有逐年上升的趋势。处于雷电活动区 域中的建筑物内的供电电源、监控设备、通讯设备、收费等设备往往由于不明的原因而死 机，甚至造成设各永久性的损坏；或由计算机控制的设各发生误动等问题。这极可能是由 于雷电活动的影响而造成的。以往的建筑物都有传统的防雷系统( 即富兰克林针、钢筋、 铜带、法拉第笼和接地网) 对建筑物及其中的人员起到保护作用n 。但这些传统的防雷系 统不能有效地防止雷电感应、电磁脉冲、电路浪涌、静电等许多外界干扰对微电子、通信 等设备的危害n 羽。 1 、当雷电直接击中建筑物防雷系统时，巨大的雷电流能量通过建筑物结构某一不可预 知钢筋或铜带向大地泄放，它产生巨大的电磁效应会感应到供电线路，更有甚者，雷击直 接由下导铜带或钢筋向供电线路或数据线路跳火。 2 、雷电直接击中延伸建筑物外的供电和通信数据线路，甚至击中数公里以外的供电线 路时，雷电电流会迅速沿线路侵入建筑物内部。 3 、供电、通信、数据线路与其相连的其它建筑物或地面被雷击中而传输或感应电磁脉 冲和浪涌电流。 4 、静电感应通过数据线路对机电设备电路板上电子元件直接的损害。 在防雷技术相对滞后于高速公路机电系统技术发展的今天，对防雷技术提出了更新更 高的挑战，在机电系统的防雷设计施工中应结合其设备的特点，遵循雷电自然规律，全面 系统地考虑机电系统的防雷设计，最大限度地保障机电系统免遭雷电的侵袭。 6 高速公路机电系统雷电防护技术应用研究 第二章高速公路机电系统简介及其防雷现状 2 1 高速公路的概念 高速公路是专供汽车高速行驶的专用汽车公路。由于在高速公路上采取了限制出入、 分隔行驶、汽车专用、全部立交以及采用较高的标准和完善的交通设施等措施，从而为汽 车的大量、快速、安全、舒适、连续地运行创造了条件。 高速公路的概念最早出现于1 9 6 2 年1 1 月，在日内瓦召开的联合国欧洲经济委员会运 输部会议上，将其定义为：利用分隔的车行道，往返行驶交通的道路。它的两个车行道用 中央分隔带分开，与其他任何铁路、公路不允许有平面交叉，禁止从路侧的任何地方直接 进入公路，禁止汽车以外的任何交通工具出入。 我国1 9 9 9 年版辞海对高速公路解释为：高速公路是指供汽车分道高速行驶的公路； 能适应1 2 0 k i n h 或更高的速度，要求路线顺滑，纵坡较小，路面有4 车道以上的宽度，中 间设分隔带，采用沥青混凝土或水泥混凝土路面，在必要处设坚韧的路栏。为了保证行车 安全，应有必要的标志、信号及照明设备。禁止在路上行人和行驶非机动车。与铁路或其 他公路相交时采用立体交叉，行人则经天桥跨越或地下通道通过。 2 2 高速公路机电系统的构成 高速公路机电系统主要是指监控系统、收费系统、通信系统、供电与照明系统以及隧 道通风系统等，这些系统也是交通工程范畴中的核心部分n 引。 1 、监控系统 监控系统可连续监视道路状况、交通流状态，根据气候、环境、交通流、出入口车辆、 道路使用、异常事件、路网等的动态变化，对高速公路上正在行使人员提供道路交通状况 信息，发出禁行、限速、劝诱、路径诱导等指令，避免道路拥堵和交通事故的发生，一旦 发生异常及时排除、疏导。 其主要实现以下功能：信息采集功能；交通、气象及设备状态监视功能；信息发布与 控制功能；自动告警及处理功能；报表统计与打印功能；查询功能；自动数据备份和系统 恢复功能；系统自诊断功能；安全功能；数据传输功能；协调处理功能；自动备用功能。 7 高速公路机电系统雷电防护技术应用研究 2 、收费系统 在保证高速公路安全、快捷、舒适、最少延误与不降低服务水平的前提下，做到公平、 合理、正确、无遗漏地收费，确保回收建设信贷资金，加快高速公路的建设。在高速公路 逐步连网后，使不同业主、不同路断的收费系统有机地连接起来。 3 、通信系统 满足高速公路监控系统、收费系统、运营管理自动化等信息系统和运营管理现代化的 需要，建立现代通信技术发展的先进、可靠、保证服务质量与安全的综合通信网。 4 、照明与供电系统 在夜间和低照度的自然环境下保证车辆安全驾驶，确保交通安全道路畅通，保证高速 收费、监控、通信及运营管理正常工作。 5 、隧道通风系统 2 3 高速公路机电系统防雷现状分析 通过对高速公路每年常规检测工作资料，防雷项目的审核、施工过程监督和竣工验 收的资料，高速公路雷击灾害调查资料、闪电定位仪资料统计分析，目前高速公路机电系 统防雷主要存在以下几方面问题： 1 、对机电系统防雷重视不够，防雷目标不明确 高速公路系统建设既有路基、路面、隧道等道路工程，还有控制中心、服务区等大量 的房建项目，其机电系统更是包括监控系统、收费系统、通信系统、供电和照明系统等， 高速公路系统涉及面十分广泛，是一个复杂的系统工程插3 。其房建、路基路面、机电系统 通常采用分项目招投标方式，防雷工程在高速公路各系统中所占的比重往往很小，有时也 难以从各系统中分离出来。由于我国高速公路建设起步较晚，国家尚未制订出台高速公路 建设的有关防雷规范。在高速公路工程建设中，虽然大多数招投标文件对建筑物和通信、 监控、收费等机电系统设备都提出了防雷要求，但通常要求都不明确，也无具体技术指标， 所以带来投标单位响应不全面、防雷设计各自为政、防护措施不完善、缺少系统性等问题， 有时在一个收费站或机房设计的电涌保护器就有多种不同厂家的产品，防雷综合性和系统 性要求都较差。此外，对接地系统、机房及金属管线屏蔽、等电位连接等防雷措施也无明 8 高速公路机电系统雷电防护技术应用研究 确要求，尤其是各类金属管线敷设通常由房建项目负责，普遍没有按照“全线电气贯通、 至少两端接地”的技术要求施工，而一旦房建、路面完工，这些基本防雷措施就很难实现。 加上许多设计施工单位对雷电的防护认识还停留在建筑物的直击雷和强电设备的防护上， 在雷击电磁脉冲对弱电系统的危害认识上不足，存在着不少误区，使高速公路尤其是机电 系统的防雷至今还存在许多薄弱环节。 2 、机电系统防雷缺少统一规划和综合设计 目前房建、路基路面、照明、监控、通信、收费等强弱电系统由多家设计、施工单位 完成，房建防雷与机电系统防雷在设计要求上普遍存在脱节现象，防雷是各行其事，往往 是房建只考虑建筑物本身的防雷问题，照明、监控、通信、收费等强弱电系统也是各人自 扫门前雪，缺乏统一规划设计及科学合理的综合设计。 以接地系统为例，不管采用何种防雷措施都需将雷电流能量泄防入地，因此，接地历 来是防雷的重点和难点，为了防止地电位反击，减少地网中各点电位差，实现地网均压等 电位，接地装置不仅需要尽可能小的接地电阻值，以提高对雷电流的泄放能力，更需要良 好的形状结构，接地装置的形状结构尺寸往往比接地电阻值更为重要。如高速公路收费站 的接地系统应将收费场站包括办公楼、配电房及收费岛的所有基础钢筋作为自然接地系统 并构成有机整体，便于雷电流入地并在地网均匀散流，以均衡地电位，避免地电位反击和 减少地网各点电位差。一个性能优良的接地系统必须与房建、路基路面建设同步设计、同 时施工，否则一旦房建、路面施工完成后就很难实施，完全可能的事变成完全不可能。高 速公路收费站机电设备频遭雷击损毁的原因之一就是接地系统不合理，而且整改难度非常 大。 高速公路防雷是一个复杂的综合防护工程，它包括建筑物直击雷防护，强电系统和各 类弱电系统的雷电综合防护，只有结合高速公路整体规划，同步设计，同时施工，才能达 到最佳防护效果。 3 、机电系统防雷工程设计、施工及监理人员缺乏专业防雷知识和施工经验 由于高速公路建设工程量大、工期紧、施工难度大。大多机电系统设计施工单位无专 业防雷工程设计、施工资质，设计、施工和监理人员普遍缺少必要的防雷知识和设计施工 9 高速公路机电系统雷电防护技术应用研究 经验，对防雷区的划分和作用、共用接地系统、等电位连接、各种屏蔽措施、各类电涌保 护器的特性和作用、安装位置及安装方法等缺乏系统了解。致使防雷项目无论是防雷设计 方案、施工方案和施工要求普遍达不到相应的技术要求。主要存在以下几方面问题： ( 1 ) 接地系统设置不符合规范要求。 前几年的高速公路接地系统较多地将防直击雷接地、信号地、安全接地等采用独立的 接地方式。由于高速公路机电系统埋地敷设的各类金属管线较多，很难做到地网间的安全 距离。事实上有的地网间的距离仅几厘米，有的虽然地网分开了，但接地干线在同一地沟 或电缆井内紧靠在一起，极易引起地电位反击。 ( 2 ) 室外敷设金属线缆未采取屏蔽措施。有些室外敷设的( 有时长达数百米) 供电电源 线路、信号线及控制线等未穿金属管埋地敷设，或在建筑物入口处和金属管两端未接地。 ( 3 ) 电涌保护器的设置不科学或不够全面。高速公路机电系统供电线路和通信控制信号 线种类繁多，其电涌保护器应根据信号特性及所处防雷区等因素选取，但在高速公路机电 系统中电涌保护器选用不合理或不匹配，缺乏整体概念，有时一个收费站、监控机房安装 有多种不同型号的电涌保护器( s p d ) ，甚至有些安装了信号电涌保护器影响了系统的正常 运行。 ( 4 ) 电涌保护器装配问题。电涌保护器的安装普遍存在两端连接导线过长过细且缠绕的 情况。当遭受雷击时，导线本身存在的电感是不能忽略的，此电感阻止大电流量、高频的 雷电流顺利入地，同时会引起过电压，而导线的电感与本身的材质、线径、长度、弯曲度 等有关，相同材质、弯曲度情况下，长度越短、线径越粗其电感量越小。所以电涌保护器 连接导线应平直，且不宜超过5 0 c m 。 ( 5 ) 设备接地、等电位问题较多，尤其是收费站的问题更多。车道称重机控制柜、费额 显示器、车道摄像杆及护栏等一般均未作接地等电位处理。在收费岛内敷设的电源线、信 号线及控制线等未穿金属管或未作接地、等电位处理。 4 、机电系统防雷装置缺乏定期检测检查和灾情调查分析制度 为了保证防雷装置正常运行，防止防雷装置失效造成人身伤害和设备损毁事故发生， 有关规范和条例明确规定防雷装置应进行定期安全检测检查和系统维护，对一般项目每年 l o 高速公路机电系统雷电防护技术应用研究 检测检查一次，对重点系统或部位应在每次发生雷击后进行检查，及时整改。目前，一些 高速公路机电系统还没有建立定期检测检查制度，对检查中发现的防雷隐患也不能及时整 改，致使雷灾事故重复发生。 高速公路机电系统雷电防护技术应用研究 第三章高速公路防雷区的划分 建筑物防雷设计规范( g b 5 0 0 5 7 - 9 4 ) 规定了防雷保护区的概念，便于设计者利用系统的 层次分析各防雷保护区界面处的金属导体等电位连接和装设电涌保护器去分流和限压的措 施，使侵入波干扰信号不断减少。这同以往的层层设防、互相配合的保护是一致的，在不 同防雷保护区的界面上有不同层次的防雷措施的结合，就是要求注意各个界面处内外系统 的相互关系与相互作用。 3 1 防雷区划分的原则 将一个需要保护和控制雷击电磁脉冲环境的空间划分成不同的防雷区( l p z ) ，以界定 具有不同雷击电磁脉冲( l e m p ) 严酷程度的各个空间，并指明各防雷区交界处的等电位连 接点的位置；以电磁环境条件的显著改变作为划分防雷区的根据。将需保护的空间划分为 不同的l p z o a 、l p z o b 、l p z l 及后续防雷区“m 钉，如图3 1 所示。各防雷区的特征是： l p z o 一区：本区内的各物体都可能遭到直接雷击和导走全部雷电流；本区内的电磁场强 度没有衰减。 l p z o s 区：本区内的各物体不可能遭到大于所选滚球半径对应的雷电流直接雷击，但本 区内的电磁场强度没有衰减。 l p z l 区：本区内的各物体不可能遭到直接雷击，流经各导体的电流比l p z o n 区更小：本 区内的电磁场强度可能衰减，这取决于屏蔽措施。 l p z n + 1 后续防雷区：如果要求进一步减小传导电流或电磁场，就应引入若干后续防 雷区。应按照保护对象的重要性及其承受浪涌的能力，作为选择后续防雷区的条件。 注：n - - 1 、2 、 1 2 高速公路机电系统雷电防护技术应用研究 图3 1 将一个需保护的空间划分为不同防雷保护区( l p z ) 3 2 高速公路机电系统所处建筑物防雷区划分 高速公路机电系统的雷电防护，首先要了解设备所处的位置，即机电系统所处建筑 物，如办公楼、收费天棚的直击雷防护情况与屏蔽情况，根据其所处的位置可能遭受雷击 电磁场和雷击电磁脉冲的情况，进行防雷区的划分如图3 2 。 变电虏 收费广场 图3 2 高速公路机电系统防雷区的划分 l 、当收费亭采用金属屏蔽体时，亭内处于l p z i ，否则为l p z o b 。 1 3 高速公路机电系统雷电防护技术应用研究 2 、站房建筑物窗户为大开间，且未采取屏蔽体绝缘时为l p z o s 。 3 、当配电房窗户为大开间，且未采取屏蔽体绝缘时为l p z o s 。 4 、当监控室、u p s 机房等窗户采用金属屏蔽体接地时，监控室、u p s 机房处于l p z i 区， 此时操作台、电视墙等金属机柜处于l p z 2 区，此时监控室、u p s 机房窗户采用大开间窗 户时，监控室、u p s 机房处于l p z o b 区，此时操作台、电视墙等金属机柜处于l p z i 区。 5 、收费亭金属机箱内设备，在机箱可靠接地时，亭内电子设备处于l p z i 区。 6 、各电子设备之间的连接线缆，包括配电线缆、信号线缆所处防雷分区由线缆通过空间的 防雷区确定。 1 4 高速公路机电系统雷电防护技术应用研究 第四章机电系统所处建筑物直击雷防护 雷击破坏作用可分为直击雷( 含侧击雷) 和雷击电磁脉冲( l e m p ) 二种，其中后者 的比例要远远大于前者。这是由于现代科学技术的发展，使微电子技术的应用渗透到各种 生产和生活领域，微电子器件极端灵敏这一特点很容易受到无孔不入的l e m p 的侵袭，造 成微电子设备的失控或者损坏。近几年高速公路机电系统遭受雷击损毁的事故绝大多数是 l e m p 造成的。 4 1 直击雷的防雷原理 直击雷防护装置由接闪器、引下线及接地装置等有机组成，相互配合，缺一不可。一 般情况下，直击雷防护装置可以附着于被保护建筑物上。中科院电工研究所马宏达先生认 为：“防雷如同防洪，其原理是为雷电脉冲电流提供一条低阻抗的通道，同时要采取措施防 止通过磁场和电场对设备的干扰”。中国电力科学院许颖先生也提出防雷保护是一个系统工 程，其保护系统是由三个系统即三道防线组成的，其中第一道防线便是接闪、引流、接地 散流系统，也就是直击雷防护装置。 当高空出现雷云时，大地上由于静电感应作用，必然带上与雷云相反的电荷，而接闪 设备都处于地面上建筑物的最高处，与雷云的距离最近，且与大地有良好的电气连接，所 以它与大地有相同的电位，雷击发生时接闪设备附近空间电场强度相对比较大，比较容易 吸引雷电先导，可将主放电吸引到它上面，大大减少在它附近尤其是比它低的物体受雷击 的几率n 6 1 。就接闪器本身而言，它以自身多“引雷”而使周围免受雷击n 钉。需要注意的是 防雷装置必须有足够可靠和足够小接地电阻的接地装置，否则它不但起不到避雷的作用， 反而增加雷击的危险。对于机电系统而言引下线接地电阻不宜大于4q 。 4 2 机电系统所处建筑物直击雷防护原则 1 、设计直击雷防护装置所应用的设计方法符合中华人民共和国国家标准建筑物防雷 设计规范g b 5 0 0 5 7 - - 9 4 ( 2 0 0 0 版) 和i e c6 1 0 2 4 - 1 - 1 ：建筑物防雷第一部分：通则，第 一分部分：指南a 一防雷装置保护级别的选择中有关条款的规定。 l5 高速公路机电系统雷电防护技术应用研究 2 、建筑物防雷设计规范g b 5 0 0 5 7 - 9 4 第6 1 3 条：在设有信息系统的建筑物需防雷 击电磁脉冲的情况下，当该建筑物没有装设防直击雷装置和不处于其他建筑物或物体的保 护范围内时，宜按第三类防雷建筑物采取防直击雷的防雷措施。因此机电系统所处建筑物 最低按第三类防雷建筑物采取直击雷防护措施。 3 、接闪器可以由避雷针、避雷带、避雷网格或者任意组合构成，可单独或任意组合使 用以下二种方法：滚球法和网格法。具体选择时应综合考虑建筑物的现场施工条件、与建 筑物风格的整体协调性、经济实用性等方面。 4 3 办公楼( 通信、监控机房) 、配电房直击雷防护 4 3 1 防雷类别的确定 根据g b 5 0 0 5 7 - - - 9 4 中建筑物年预计雷击次数的计算确定其防雷类别，一般为二类或三类 防雷建筑物。 4 3 2 接闪器 l 、接闪器的布置 第二类建筑物避雷针的滚球保护半径为4 5 m ，避雷网格的尺寸不应大于l o m l o m 或1 2 m 8i l l ；第三类建筑物避雷针的滚球保护半径为6 0 m ，避雷网格的尺寸不应大于2 0 m 2 0 m 或2 4 m 1 6m 。 2 、建造要求 ( 1 ) 防雷装置不独立于需防雷的空间时，只要雷电流的效应不致造成损害，可将接闪器 直接安装在屋顶上或与屋顶有一小间隔安装n 引。 ( 2 ) 避雷针宣采用圆钢或焊接钢管制成，其直径不应小于下列数值： 针长1 m 以下：圆钢为1 2 r a m 钢管为2 0 r m 。 针长l - - 2 m ：圆钢为1 6 m m ：钢管为2 5 m m 。 独立避雷针长度为1 - 2 米时，针体为一节，3 米以上时针体为多节的结构。避雷针针 体均镀锌，若用钢管制作，壁厚不小于3 m m 。 ( 3 ) 避雷网和避雷带宜采用圆钢或扁钢，优先采用圆钢。圆钢直径不应小于8 m m 。扁钢 截面不应小于4 8 r a m 2 ，其厚度不应小于4 m m 。 1 6 高速公路机电系统雷电防护技术应用研究 ( 4 ) 接闪器应热镀锌或涂漆处理。在腐蚀性较强的场所，加大其截面或其它防腐措施。 4 3 3 引下线 1 、引下线的布置 沿建筑物的四周对称( 等间隔) 布置引下线，第二类防雷建筑物引下线间的平均距离 不大于1 8 米；第三类防雷建筑物引下线间的平均距离不大于2 5 米；引下线应不少于2 根。 建筑物做了可靠的电气连接且截面尺寸大于或等于标准引下线所规定尺寸的金属设 施、金属框架、互连钢筋和厚度不小于0 5 m m 的金属立面、外廓围栏及附属结构等可以用 作引下线。 增加引下线数量可以改善雷电流的分流状况，而且多个等电位互连导体环路也能改善 分流状况，因此在设计防雷工程时宜尽可能多设置引下线数目 1 9 o 2 、断接卡的设计 ( 1 ) 除自然引下线的情况外，每根引下线在与接地装置的连接处应设置断接卡； ( 2 ) 采用多根引下线时，宜在各引下线上于距地面0 3 m 至1 8 m 之间装设断接卡； ( 3 ) 当利用混凝土钢筋、钢柱作为自然引下线并同时采用基础接地体时，可不设断接卡， 但利用钢筋作引下线时应在室内外的适当地点设若干连接板，该连接板可供测量、接人工 接地体和作等电位连接用。当仅利用钢筋作引下线并采用埋于土壤中的人工接地体时，应 在每根引下线上于距地面不低于0 3 m 处设接地体连接板。采用埋于土壤中的人工接地体时 应设断接卡，其上端应与连接板或钢柱焊接。连接板处宜有明显标志。 3 、建造要求 ( 1 ) 引下线应垂直安装以获得最短、最直接的入地通道，应避免形成环形( 使电感尽可 能小) 。 ( 2 ) 引下线宣采用圆钢或扁钢，宜优先采用圆钢。圆钢直径不应小于8 m m 。扁钢截面不 应小于4 8 r a m 2 ，其厚度不应小于4 m m 。 ( 3 ) 所用材料应能经受得住雷电流的电气效应和电磁效应以及可预见的意外应力而不 致引起损坏。 ( 4 ) 在易受机械损坏和防人身接触的地方，地面上1 7 m 至地面下0 3 m 的一段接地线应 1 7 高速公路机电系统雷电防护技术应用研究 采取暗敷或镀锌角钢、改性塑料管或橡胶管等保护设施。 4 3 4 接地体 1 、概述 接地是高速公路机电系统防雷技术最重要的环节，不管是直击雷还是雷击电磁脉冲， 最终都是把雷电流送入大地，因此，没有合理而良好的接地体是不能可靠地防雷的。接地 是泄放直击雷能量和分流雷电干扰能量以及各类线路瞬间过电压，限压分流的有效手段之 一。接地不良或无接地装置，将造成引雷入室毁坏设备和造成人身伤亡，对电子设备造成 严重干扰或永久性损坏的后果乜。因此，机电系统防雷从设计到施工，接地问题是首要项 目。接地种类主要有： 防直击雷接地：主要用于建筑物的避雷针、避雷带、避雷网等防直接雷击装置的接地， 将雷电流引入地下中和，从而保护被保护的设施和建筑物。 交流工作接地：交流工作接地一般也称作强电接地。主要是交流供电电路中的中性接 地或叫零线地。它的接地形式有眦系统；t n p 书系统；1 v r 系统和i t 系统四类。 直流工作接地：直流工作接地是有线通信中的信号接地。 安全保护接地：安全保护接地主要是各类用电设备的外金属壳接地，其作用是保护设 备使用人员的人身安全，同时对用电设备起到一定的屏蔽作用。 2 、设计原则 接地体应采用共用接地体，以避免产生危险的电位差。为了将雷电流快速泄放入大地， 通常建议接地体有较低的电阻值，但接地装置的形状及尺寸比