刍议高速公路机电系统过电压保护与防雷接地设计

陈志强

广东新粤交通投资有限公司

刍议高速公路机电系统过电压保护与防雷接地设计

陈志强

广东新粤交通投资有限公司

本文主要从高速公路机电系统过电压保护与防雷接地设计的重要性出发并重点分析了高速公路机电系统的过电压入侵途径和高速公路机电系统防雷接地设计两方面。

机电系统；高速公路；防雷接地设计

高速公路防雷系统工程中房建防雷与机电系统防雷应具有良好协调性，机电设计中防雷部分在设计上需有良好的综合性和系统性，即在技术参数的确定、防雷产品选型、施工材料的选取、防雷器安装等方面都要深入研究和探讨，防雷系统方案要完整 , 技术指标和工艺要求要明确。

1 高速公路机电系统过电压保护与防雷接地设计的重要性

现阶段，电子科学技术的快速发展，使得人们对高速公路机电系统建设安全稳定性的需求越来越大。然而，在实际进行公路工程路基路面的施工过程中，会给其沿线的土壤电阻率造成一定影响，这就使其成为了雷电或雷击感应的薄弱点。在此情况下，高速公路的机电系统就会遭受不同程度的雷电侵害。例如，部分机电系统设备功能丧失，严重的甚至能导致系统瘫痪，这就给公路涉及的交通运输网络以及工程建设的经济成本带来隐患和损失。长此以往，高速公路网络的建设水平将难以得到快速发展。因此，相关建设人员应在明确高速公路机电系统过电压保护问题的前提下，找出具体控制的措施。

2 高速公路机电系统的过电压入侵途径分析

2.1 辐射耦合的入侵

高速公路机电系统的过电压辐射耦合入侵方式，是以雷电产生的电磁脉冲作用于周围的媒介来向外传播的。换句话说，就是以电磁波的形式来影响公路工程机电系统的过电压保护。电磁波的辐射耦合途径包括：电缆、天线以及机壳等。

2.2 传导耦合的入侵与控制

高速公路机电系统的过电压入侵，主要是通过电子设备与系统电子设备之间的传导耦合来实现作用的。此过程，传导耦合的作用是通过雷电流与电子设备之间的电路连接来实现的。当雷电发生时，雷电流就会沿着机电系统设备内的连接电路，影响电子设备的正常运行。

这里指的系统连接线路包括：电源线、连导线以及信号线等。而系统过电压的传导入侵也可按照耦合方式的不同，分为电容性耦合、阻抗性耦合以及电感性耦合。对其进行控制可通过在系统的控制回路中安装浪涌保护器，以降低线路的阻抗和电源内阻。值得注意的是，由于电感性耦合引起的感应过电压入侵，是与雷电流的工作频率成正比的。因此，系统建设人员可通过减小互感，来实现高速公路机电系统的过电压保护。

3 高速公路机电系统防雷接地设计分析

3.1 明确防雷接地的设计要求

在设计高速公路防雷接地系统的过程中，设计人员要充分考虑工程所处的环境影响因素、雷电活动情况、设备布设情况以及雷击造成问题的影响范围等。具体来说，设计人员可综合采用分流、接闪、屏蔽、均压、共用接地以及合理布线等电磁脉冲防护措施。此过程，接地设计人员要以综合治理、全面规划以及应用先进技术为核心，从而实现高速公路机电系统的防雷接地设计应用效果。

3.2 接地系统设计

目前，高速公路机电系统建设采用的防雷接地系统设计，大多为共用接地系统，其是由等电位连接网络以及相关的接地装置组成的。而接地装置是由人工接地体和自然接地体组成。因此，在实际的系统设计过程中，设计人员要先保证接地电阻值接入的电子设备为最小值。对于接地装置的设计使用，要采用自然接地体，即建筑物的基础钢筋、收费岛、收费大棚支柱的基础钢筋以及车道的基础钢筋等。此外，在设置机电系统空地建设的过程中，要将人工水平接地体与垂直接地体的间距控制在5m以内。这样一来，就能降低地方限制所带来的设计影响。

3.3 直击雷防护设计

设计人员应根据高速公路防雷设计的规范内容，将收费亭和监控中心大楼所能承受的雷击次数设置在0.06次/a以上，即二类防雷建筑工作。具体来说，设计人员可按照滚球法来设计直击雷的防护效果。首先，设计人员要确定避雷针的布局、树木以及高度等指标参数，以保证其具有保护高速公路收费亭以及监控中心大楼各类通信天线安全的效果。其次，作用于收费亭的直击雷防护设计，可将金属构架、金属顶棚、金属支柱以及路面的基础钢筋作为引下线、接闪器以及其他相关的接地装置。此外，对于广场的照明设备、道路，也要通过设置避雷针以保证人员使用的安全稳定性。最后，设计人员还要对广场的摄像机、情报板以及立柱等场外设备，设置避雷针以实现与场外电子设备的接地共用。

3.4 屏蔽和等电位处理设计

由于高速公路的监控中心大多设置在建筑物的低层，因此雷击屏蔽及等电位处理设计人员，应使建筑结构中的金属门窗框与钢筋形成一个屏蔽笼。具体可在监控中心机房底部通过预设等电位连接端子板，以实现防雷接地系统电气的就近连接。对于机房的外墙结构来说，结构钢筋的设备应加密，即将钢筋的网孔控制在200×200mm以内。这样一来，钢筋结构就能实现与门窗的电气连接，从而形成一个完整而可靠的屏蔽笼。

3.5 感应雷及雷击电磁脉冲(LEMP)的防护设计

由于感应雷及电磁脉冲所产生的电动势，是通过高速公路机电系统中的信号数据传输线、电源供电线路以及各种管线而形成了瞬间高电压脉冲。这种电磁脉冲会严重破坏机电系统中的各类用电设备以及微电子芯片。一方面，设计人员要对信号系统进行防雷处理。相关研究表明，进、出建筑物的信号线缆主要作用于：直击雷防护区(LPZ0B)、直击雷非防护区(LPZ0A)以及第一防护区(LPZ1)交界处。因此，设计人员应通过设置具有配套适用性的SPD，来保护车辆检测信号输入处、收费亭网络信号以及电动栏杆的控制信息等。另一方面，防雷接地设计人员还要电源系统采取相应的控制措施。具体来说，设计人员要在直击雷防护区(LPZ0B)、直击雷非防护区(LPZ0A)以及与第一防护区(LPZ1)交界处，通过安装能够承受I级分类试验的限压型浪涌保护器和浪涌保护器作为第一级防雷保护设备。这里指的具体内容包括：变电所、配电房处的变压器高以及低压侧应分别安装适配的电源SPD等。

4 结束语

综上所述，高速公路机电系统的过电压保护工作，要在明确不同入侵途径的前提下，通过安装浪涌保护器与减小互感来实现保护。而防雷接地设计要按照雷击的类型，对高速公路机电系统进行分块设计，以提高接地设计的作用效果。

[1]柳志江,李杏,叶明,邹治寰. 浅谈茂湛高速公路机电系统的防雷保护[J]. 科学之友,2012,04：38-39.