高速公路机电系统过电压保护与防雷接地设计研究

崔鹏飞

(山西省交通规划勘察设计院)



高速公路机电系统过电压保护与防雷接地设计研究

崔鹏飞

(山西省交通规划勘察设计院)

主要讨论了高速公路机电系统过电压保护与防雷接地设计的相关问题，以求为未来高速公路机电系统研究管理提供理论支撑。先讨论了高速公路机电系统过电压保护的主要措施，再结合实际工程案例，对如何进行防雷接地设计进行分析。从相关措施在案例中的实际应用情况来看，其设计措施能有效满足机电系统过电压保护与防雷的质量要求，具有良好的应用价值。对相关工作人员而言，在进行高速公路机电系统过电压保护与防雷接地设计中，要正确认识到相关参数对设计结果的影响，通过进行参数质量控制，获得更好的系统设计效果。

高速公路；机电系统；过电压保护；防雷接地

1 高速公路机电系统过电压保护

1.1 概述

就我国实际情况来看，雷电过电压破坏是导致高速公路机电系统破坏的主要原因，而高速公路机电系统由于结构复杂、控制回路多等，也会因为雷击而出现多种损坏，当前常见的雷电入侵耦合方式主要可分为两种，分别为传导耦合与辐射耦合。

1.2 传导耦合方式

传导耦合是常见的耦合途径，主要作用于电子设备与雷电流之间，在耦合过程中，传导耦合必须要与完整的电路系统向连接，其主要的连接线路可划分为：连导线、信号线、电源线等。

当多个电路电流经过一个公共电阻时，某一电路的电流会在电阻处形成电压，并对其他电路电流产生影响，成为阻抗耦合。因此一般在传导耦合中，需要尽量降低线路阻抗与电源内阻，并缩短地线。除此之外，在控制回路上设置浪涌保护器也是常见的传导耦合方式。由于电容性引起的感应过电压与雷电流的工作频率之间呈正比例关系，藉此原理，为达到耦合电容、抑制电容性耦合的主要措施就是降低耦合电容，常见的方法就是隔离、屏蔽等。

1.3 辐射式耦合

主要指雷电电磁脉冲通过多种媒介，以电磁波的形式实现对外传播；在能量传播中，主要根据电磁场规律随机向周围空间发射。因此，常见的耦合途径主要为机壳、电缆等。

2 重点参数分析

2.1 人工地网接地电阻

在某工程中，设计人员在接地设计中采用-4*40热镀锌扁钢，在应用汇过程中发现垂直接地体电阻对工程施工效果产生重要影响，因此在参数计算中主要应用下列公式进行计算

在上述公式中，p代表土壤电阻率，取值为400Ω·m；l代表水平热镀锌扁钢实际长度，其单位为m；A代表水平地极形状系数，一般取值为1.69；h代表水平地极镀锌扁钢埋设深度，其单位为m；d代表接地体有效直径，其单位为m。

2.2 地网热稳定校验

在地网热稳定校验中，其计算公式为

在上述公式中，S1代表接地引线与接地体之间的最小截面面积，其单位为mm2；g代表流过接地线短路的实际电流值，一般在计算中可取二类防雷要求标准的150 000A；tc代表短路的等效持续时间，一般取值为0.000 01s；c代表接地材料热稳定系数，需要根据材料的具体性能而定。

3 防雷接地设计案例分析

3.1 案例简介

该工程位于我国南方某地区，属于雷电多发地区，由于周围无高层建筑物设置避雷装置，而导致公路机电系统频繁出现故障；再加之当地土壤电阻率较大，雷击选择性明显。例如，在2008年5月的一次雷击事件中，造成30余台设备损坏，直接经济损失超过26万元，对高速公路正常管理产生重要影响。

3.2 监控系统防雷接地保护

3.2.1 道路交通监控系统保护

(1)在立杆顶部设置避雷针，长度为(2.0±0.3)m，材料规格为φ24mm圆钢，顶部进行加工，形成尖形，并镀锌。安装结束后，采用25×2mm镀锌钢带引线，与接地体连接。

(2)在每个监控点上设置独立地网，针对土壤电阻率较高的地区，采用接地模块与接地体相连接的方法，其中接地体电阻率始终≤4Ω。

(3)在控制箱内设置VELO220-40型电源避雷器进行电源保护，并设置VELO-BNC15型视频避雷器进行信号保护。但在实际应用中要注意的是，若想获得更好的视频质量，在选择视频防雷器时要保证防雷器衰减始终≤0.2dB，且驻波比始终<1.1。

(4)重视保护金属线管、槽等，并对控制箱、设备外壳与接地端进行有效连接。

3.2.2 收费站监控系统保护

(1)由于收费亭内的监控系统受到建筑物保护，因此不进行防雷处理。

(2)车道摄像机：由于车道摄像机属于收费广场避雷针的有效保护范围，并且其电源也接受了一定的防雷改造，因此其保护措施较为简单，只需要铺设一条10mm2的接地导线与摄像机相支撑即可。

(3)广场摄像机：广场摄像机是防雷保护的重点，在该项目中，主要根据电源防雷与信号防雷两方面进行处理：在设备前的每条线路上安装避雷器，并选择VOLE220-40型

2015-02-19

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