高速公路通信、监控、收费系统的综合防雷 设计.doc

高速公路通信、监控、收费系统的综合防雷设计1 前言 目前高速公路建设发展迅速，为了使高速公路畅通无阻，保证高速公路通信、监控、收费系统正常运行，达到防雷减灾、将雷电灾害降至最低限度的目的，防雷工程技术人员应对系统进行全面了解，实地勘测，根据国家、国际标准的要求，进行全面规划、综合治理、制定完善的综合防雷设计方案。2 设计方案依据标准IEC61312：雷电电磁脉冲的防护GB50057-1994：建筑物防雷设计规范GB50174-1993：电子计算机机房设计规范GB50198-199：民用闭路监视电视系统工程技术规范GB/T50311-2000：建筑与建筑群落综合布线系统工程设计规范 QX3-2000：气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范3 高速公路通信、监控、收费系统的基本组成每一条高速公路在其管理的区间内均设有一监控中心大楼。监控中心一般设在高速公路的出、入口处，也有设在管理区间的中心部位。它是管路区间的指挥、调度、控制中心。中心一般设置有大型地图版和监控电视体统，并配有多画面切换装置设备、视频监视器、低速录像设备及自动转换装置。中心配备有计算机网络系统、负责管理各收费站的收费信息、紧急电话的控制、公路出入口及中间各大型电子显示屏的控制和公路沿线的小型电子提示牌的控制等。中心大楼内还有程控交换机系统、中心控制台、光缆通信的两个或四个8Mb/s接口的光端机及上网设备、无线电话系统、UPS供电系统等多种电子设备。在每个收费站配备有光缆通信设备；收费用的计算机局域小网；收费站的信号灯控制系统；监视、摄像、记录系统；控制操作台；站内电话控制台、无线对讲电话等。在每个收费亭内配备有收费计算机网络系统工作站专用计算机；收费票据打印机；收费指示板；指示灯；车道控制机；自动栏杆；语音提示系统；车辆过境自动计数器；对讲电话和空调及供电系统等设备。在公路沿线及收费站广场设置了多个监控摄像头，将摄像头的视频信号通过光缆、同轴电缆、对称电缆或通过微波传输系统，将视频信号或语音信号传到中心监控室，以利控制中心掌握公路沿线的车辆行驶运行情况，便于指挥调度。4 高速公路综合防雷原则4.1高速公路的综合防雷设计应考虑环境因素、雷电活动规律系统设备的重要性、发生雷灾后果的严重程度，分别采取相应的防护措施。在进行综合防雷设计时，应坚持全面规划、综合治理、优化设计、多重保护、技术先进、经济合理、定期检测、随机维护的原则，进行综合设计及维护。高速公路综合防雷系统的防雷设计应采用直击雷防护、等电位连接、屏蔽、合理布线、共用接地系统和安装电涌保护装置等措施进行综合防护。必须坚持预防为主、安全第一的指导方针。高速公路综合防雷系统应根据所在地区雷暴等级、设备放置在雷电防护区的位置不同，采用不同的防护标准。高速公路建设工程，为确保防雷设计的科学性、先进性，在设计前宜做高速公路沿线现场雷电环境评估后在进行设计。4.2雷暴等级的划分年雷暴日平均值在20天以下的地区定为：少雷区。年雷暴日平均值在20天以上40天以下的地区定为：多雷区。年雷暴日平均值在40天以上60天以下的地区定为：高雷区。年雷暴日平均值在60天以上的地区定为：强雷区。4.3雷电防护区LPZ的划分直击雷非防护区（LPZ0A）：本区内的各类物体都可能遭到直接雷击，本区内的电磁没有衰减，属完全暴露的不设防区；直击雷防护区（LPZ0B）：本区内的各类物体很少遭到直接雷击，但本区内的电磁场没有衰减，属充分暴露的不设防区；第一屏蔽防护区（LPZ1）：本区内的各类物体不可能遭到直接雷击，流经各类导体的电流比LPZ0B进一步减小，由于建筑物的评比措施本区内的电磁场得到了初步衰减；第二屏蔽防护区（LPZ2）：为进一步减小所导引的电流或电磁场而引入的后续防护区；第三屏蔽区（LPZ3）：需要进一步减小雷击电磁脉冲，以保护敏感度水平高的设备的后续防护区。5 高速公路建筑物直击雷防护措施监控中心大楼一般设置在高速公路的出入端或控制管理区域的中心位置。由于周围地形比较空旷，楼层一般都在六层以上，高度超过20m且楼顶还安装有各类通信天线、有的还架设有铁塔，这些都是直击雷的重要目标。由于楼内有大量事实运行的电子、微电子设备，又是整个公路的调度中心，根据建筑物防雷设计规范GB500571994的规定，监控中心大楼、收费亭、大型显示屏一般都属于预计雷击次数大于0.06次/年的重要或人员密集的建筑物。因此可定为二级防雷建筑。按滚求法（滚球半径45m）来计算设计直击雷防护避雷针。计算的方法参照建筑物防雷设计规范附录四的要求，决定避雷针的数目、布局、高度，在设计时应考虑避雷针抗当地30年最大风的强度，并留有一定余量。为了减少避雷针的维护，防止酸雨对避雷针的腐蚀，应在监控中心大楼楼顶安装不锈钢避雷针，高度和数量根据滚球法计算器保护范围能覆盖整幢中心大楼的天面和各类天线，使其能有效防止直击雷击以保护大楼和楼顶的各类通信天线的安全。在公路沿线安装监控摄像头的云台杆顶和收费站广场云台杆顶各安装一套不锈钢避雷针，以保护云台摄像头等设备免遭受直击雷危害。在高速公路收费站钢架屋顶上和大型室外电子显示屏顶端左右对称各安装一套不锈钢避雷针，以保护收费站钢架屋顶和电子显示屏框架结构免遭受直击雷危害。防直击雷避雷针的引下线可利用钢结构柱做泄流线，也可以单独用25mm2以上的铜绞线穿镀锌钢管屏蔽，并做绝缘处理，从避雷针尖直接以最短路径入地，以减小泄流时的雷击电磁脉冲辐射而损坏微电子设备和室外大型电子显示屏的编码控制系统。6 感应雷击及雷击电磁脉冲（LEMP）的防护措施 感应雷击及电磁脉冲（LEMP）所产生的感应电动势通过侵入通道叠加在线路信号上产生瞬间高电压脉冲，击毁各类用电设备和微电子芯片，使设备遭到永久性损坏，因此在实施防雷工程时必须将感应雷击作为重点进行有效的防治。感应雷击的防护应从感应雷击的各个侵入口着手进行，将感应雷击电压、电流在被保护设备的外围引导入地，从而达到保护电子设备的目的。感应雷击及雷击电磁脉冲（LEMP）侵入的主要通道是：电源供电线路；室内外信号数据传输线；天馈线；进入机房的各种管道、电缆等；地电位反击。因此，在设计综合防雷时，应从以上通道进行重点防护。同时做好等电位连接和共用接地系统。6.1电源系统的防雷措施在监控中心大楼的总配电盘上安装一套雷电通流量60-100KA（波形8/20s）；标称导通电压Un4UC（UC ：最大工作电压）；响应时间Ta100ns的三相电涌保护器SPD1作为一级保护；在楼层分盘上安装一套雷电通流量40-60KA（波形8/20s）；标称导通电压Un3UC ；响应时间Ta50ns的三相电涌保护器SPD2作为二级保护；在UPS电源前安装一套雷电通流量20-40KA（波形8/20s）；标称导通电压Un2.5UC ；响应时间Ta50ns的三相电涌保护器SPD3作为三级保护；在UPS电源后或设备前安装一套雷电通流量10KA（波形8/20s）；标称导通电压Un2.2UC ；响应时间Ta50ns的三相电涌保护器SPD4作为四级精细保护；在强雷区应设SPD1 SPD4四级防护；在多雷区和高雷区可选择SPD1 、SPD2 和SPD3 三级作为电源系统防护选择标准；在少雷区可选择SPD1 和SPD3 二级作为电源系统防护选择标准。SPD 连接导线应短而直，SPD 连接导线不宜大于0.5m，当长度大于0.5m时应时当加粗线径。当SPD1 SPD2的线距小于10m、SPD2 SPD3的线距小于5m、SPD3 SPD4的线距小于5m时，应在两SPD间加装退耦装置。为防治SPD老化造成短路，要求SPD安装线路上应有过流保护装置，应选用有劣化显示功能的SPD。在收费亭内的供电线路上各安装一套雷电通流量20-40KA（波形8/20s）；标称导通电压Un2.5UC ；响应时间Ta50ns的单相电涌保护器SPD，保护各亭收费计算机、票据打印机、收费指示板、指示灯、自动栏杆、车道控制器、语音提示系统、对讲机等电源线路安全。在广场摄像头头部低压电流供电线路两端各安装一只标称导通电压Un1.5UC；雷电通流量5-10KA（波形8/20s）；响应时间Ta50ns的低压电涌保护器SPD，以保护低压电流供电线路安全。在公路沿线的云台摄像头供电线路配电盘输出端各安装一套雷电通流量40-60KA（波形10/350s）；标称导通电压Un3UC ；响应时间Ta50ns的单相电涌保护器SPD1作为一级保护。在直流整流供电设备前安装一套雷电通流量20KA（波形8/20s）；标称导通电压Un2.5UC ；响应时间Ta50ns的单相电涌保护器SPD2作为二级保护；在摄像头直流供电线路上安装一只标称导通电压Un1.5UC ；雷电通流量5-10KA；响应时间Ta50ns的单相电涌保护器SPD3以保护摄像头供电线路安全。在进出高速公路两端和中间的大型电子显示屏电源线路配电盘上各安装一套雷电通流量40-60KA（波形10/350s）；标称导通电压Un3UC ；响应时间Ta50ns的三相电涌保护器SPD1作为一级保护；在稳压整流器设备设备前各安装一套雷电通流量20KA（波形8/20s）；标称导通电压Un2.5UC ；响应时间Ta50ns的三相电涌保护器SPD2作为二级保护；在整流设后各安装一只标称导通电压Un2.2UC ；雷电通流量In10KA（波形8/20s）；响应时间Ta50ns的三相电涌保护器SPD3作为三级电源保护。6.2视频信号传输线路的防护措在广场摄像头到控制中心和收费亭的监控摄像头到控制中心的视频传输电缆两端应安装视频信号SPD各一只，以保护摄像头。在公路沿线云台的摄像头上各安装一只视频信号电涌保护器以保护摄像头。6.3 数据信号线的防护措施 在监控中心计算机网络服务器至集线器（HUB）间安装一直数据线SPD，以保护服务器。 在监控中心机房集线器至收费亭的微机间的数据线两端各装一只数据线SPD以保护集线器和收费亭微机。 在电子显示屏的光、电端及编码器之后直控制器两端各安装两个数据线SPD，以保护光、电端机编码器和控制器。 使用含有金属部件的光缆，如果供抗拉强度用的加强金属芯、金属挡潮层、防啮齿动物外层或修理维护时使用的金属通信设施等均应可靠接地，应接通光缆沿线的所有接头，再生器等处的挡潮层（金属层），并在光缆长度每一端的终端进行直接埋地。宜在电端机（PCM）出口的数据线上安装数据线电涌保护器。其标称导通电压Un1.5UC ；雷电通流量5-10KA（波形8/20s）；响应时间Ta50ns的SPD。5、 宜在程控电话和紧急电话传输线两端安装程控电话电涌保护器，其标称导通电压Un1.5UC ；雷电通流量5-10KA（波形8/20s）；响应时间Ta50ns的SPD。7 屏蔽与等电位连接 所有铠装电缆和穿铁管的电缆的电缆金属外壳和铁管的两端要就近接地。超出30m长的铠装电缆，每隔15m重复接地一次。 所有机房在有静电地板时下方增设均压等电位网格，材料可选用高密度铜带，网格密度可视具体而定。 所有楼层的金属吊顶要作等电位接地处理。 所有信号线路、电话线及电力线路最好置于铁槽或铁管内，铁槽或铁管需两端就近良好接地，超出30m则每隔15m重复接地。所有布线避免靠近外壳，否则应距外墙1.5m以上。 机房内应设置一等电位连接母排（一般采用金属板），该等电位连接母排应就近与建筑物接地装置可靠连接。将工作地（交、直流工作地）、设备保护地、防雷保护地、防静电地等连接到一起以消除电位差。各种电涌保护器（避雷器）的接地线应以最短的距离与等电位连接母排进行电气连接。8 接地装置室外前端系统的设备应有良好接地，接地电阻4，高土壤电阻率地区可适当放宽至10。通信及监控中心可利用建筑物原有地网，其接地电阻不得大于4，若阻值达不到，可外接人工地网，直至达到设计要求。人工地网一般设计在建筑物周围，地沟深80cm，宽50cm。垂直接地体采用5502500热镀锌角钢，水平接地体采用550热镀锌扁钢，垂直接地体与水平接地体的连接采用双面焊接，水平接地体之间的搭接采用双面焊接，焊接长度6D，焊接处做防腐处理。人工地网最好闭合并与基础梁筋焊通。室外前端设备地网与机房地网距离小于