高速公路監(jiān)控設施防雷保護設計
文章來源：天鴻中光 發(fā)布時間：2015-04-21 點擊：3355次
雷電是一種常見的自然現(xiàn)象，它會對人體及電氣、電子設備等造成巨大的破壞作用。雷電災害涉及面廣，電力、建筑及交通等行業(yè)都存在如何抵御雷電災害的問題。
目前，我國高速公路正處于飛速發(fā)展階段，交通工程領域涉及高新技術較多，但對防雷保護的設計考慮不足或不完善，致使不少機電設備被雷電損壞，造成不小的經(jīng)濟損失。本文以監(jiān)控系統(tǒng)為例，介紹有關高速公路機電設備如何進行防雷保護的設計。
一、 監(jiān)控設施防雷的必要性
現(xiàn)代防雷工程主要是對建筑物、人身及設備、設施的保護，使其免于雷電災害的影響。
雷害途徑有很多種，有直接雷（包括反擊雷），還有間接雷，它包括供電線路感應雷電流或雷電流通過線路侵入，這幾種方式都會造成設備不同程度的被損壞。
對每條高速公路來講，監(jiān)控系統(tǒng)設備主要分布在監(jiān)控中心及道路沿線外場區(qū)域。監(jiān)控設施多為信息電子設備，以計算機為核心、微電子芯片為基礎，極易受到雷電電磁脈沖的影響及破壞，對防雷要求較高。
高速公路監(jiān)控中心大樓多按照智能信息樓宇規(guī)模建設，本身的防雷保護能力較強，其內(nèi)的信息電子設備處于較好的防雷保護區(qū)域內(nèi)。按照防雷保護區(qū)的劃分，監(jiān)控中心設備處于LPZ3區(qū)，沒有直接雷的威脅，并且脈沖電流殘壓較小，使用一般的措施就可以達到防雷保護的作用。
但監(jiān)控外場設備，布設于道路沿線，暴露于惡劣的自然環(huán)境之中，處于LPZ0A/0B或LPZ1區(qū)，其中有的設備如遙控攝像機、大型可變情報板等還有被直接雷打到的危險，使用一般的措施達不到防雷保護的目的。此時就需要采取功能更加齊全的措施來保護外場設備，避免出現(xiàn)設備被雷電損壞的現(xiàn)象。
二、 監(jiān)控設施防雷保護設計
防雷保護的措施也有很多種，如使用接閃器、引下線、接地裝置，并使用共地、等電位連接、屏蔽及電涌保護器（SPD）等，但防雷保護不能僅靠某一個設備來完成，而是需要對系統(tǒng)整體進行考慮和設計，限制雷電引起的各種過電壓對設備的影響，使其達到一定的防雷保護能力。
上面已經(jīng)談到高速公路監(jiān)控系統(tǒng)進行防雷設計所要保護的對象為監(jiān)控中心及道路外場監(jiān)控設備，不同設備所采用的防雷保護措施根據(jù)設備的重要性、所處雷擊環(huán)境有很大的不同。
監(jiān)控設施供電多位一級負荷，需要一周7天、一天24小時的連續(xù)工作，每個設備對系統(tǒng)的重要性都不能輕視。但監(jiān)控中心大樓設備和道路沿線設備所處雷擊環(huán)境差異很大，所以兩部分設備的防雷保護措施應分別考慮。
監(jiān)控中心大樓具有良好的防雷保護能力。首先，大樓頂部均設有避雷針、避雷帶等直接接閃器，可以防止直接雷對大樓本身及內(nèi)部設備的破壞。其次，監(jiān)控大樓均有良好的接地系統(tǒng)和等電位連接的設置，使侵入或感應的雷電流能夠最大限度的被泄放或分流，每個終端信息設備所直接面對的脈沖電流殘壓較小。所以在監(jiān)控中心大樓內(nèi)監(jiān)控設備只需考慮對這種感應或侵入雷電流的防護即可。由此可見，設備外部防雷是系統(tǒng)防雷保護的基礎，它可以使信息電子設備處于一個良好的防雷保護區(qū)域內(nèi)。
然而，布設于外場的監(jiān)控設備，沒有任何建筑物的保護，直接在雷擊的威脅之下，其防雷保護措施就需要特別對待。
外場設備按照不同雷擊條件還可以進一步分成兩種：一種是容易受到直接雷影響的設備，如遙控攝像機等；另一種是很少受到直接雷影響的設備，如車輛檢測器等，其雷電災害多為感應雷和電磁脈沖的侵入。
前者因受到直接雷害的威脅，需要設置避雷針等直接接閃設備，雷電流通過引下線泄入大地中，并且外場設備由于有防護罩或機箱的屏蔽，基本處于LPZ1防雷區(qū)內(nèi)，此區(qū)域內(nèi)設備雖然被雷電直接擊中的幾率較小，但仍然無法避免反擊雷、感應雷對其的破壞作用，需要使用等級較高、可以泄放直接雷的電涌保護器及良好的接地系統(tǒng)。
通過第一級的泄放，雷電流能量被大部分消弱，但存在與線路中的殘壓對設備仍有破壞作用，需要設置另一級電涌保護器件來徹底泄放殘余的雷電流。
另一種外場設備因沒有直接雷的威脅，多為感應雷和電磁脈沖的侵入，并且感應雷與直接雷相比，對設備的破壞作用較小，只需設置一級電涌保護器就可以達到設備防雷保護的效果。但有一點需要注意，所謂的很少受到直接雷影響的設備，并不是百分百的不會受到直接雷擊，只是考慮到設備高度、結(jié)構(gòu)，并結(jié)合工程實際，得出的經(jīng)驗性結(jié)論。所以，在進行工程設計時，應根據(jù)道路所處地區(qū)環(huán)境、雷擊條件及其他實際情況，區(qū)分對待。有可能同一種設備，在這條路上可以不考慮直接雷對其的影響，但在其他路或同一條路的不同區(qū)段就必須考慮直接雷對它的影響。
監(jiān)控設備都存在電磁脈沖侵入的威脅，不管是處于監(jiān)控中心或是外場，雷電流通過電力電纜或通信電纜侵入設備系統(tǒng)中，會對設備造成損壞。所以，監(jiān)控設備供配電電纜及通信線路也要采取相應的防雷保護措施。
對線路的防雷保護主要從三個方面去考慮。
1. 為了防止雷電在線路上感應出過電壓電磁脈沖，需要對電力及通信線路采取屏蔽保護措施，采用帶屏蔽層的電纜，并在線路兩段做屏蔽接地處理。
2. 在電纜進出建筑物時，應在分界處采取屏蔽層接地等措施。
3. 為了防止雷電流通過通信線路侵入設備，需要在關鍵設備通信端口前加信號浪涌保護器。
三、 監(jiān)控設施接地制式選擇及應注意的問題
接地系統(tǒng)是防雷保護的基礎，沒有良好的接地系統(tǒng)，采用再好的浪涌保護裝置也無法將雷電流泄掉。
高速公路監(jiān)控中心及外場設備接地多采用TN-S系統(tǒng)。
從監(jiān)控中心大樓低壓配電柜處引一條回路到監(jiān)控配電箱，在從配電箱引出多條回路到用電設備，并且用電設備需要在監(jiān)控機房內(nèi)進行重復接地。
從變電所低壓開關柜引出一條回路進入同在變電所的監(jiān)控總配電箱，然后再傳到各個外場設備處。這里需要注意的就是外場設備重復接地的問題。如果設置重復接地，需要在設備本地做一個接地極，作為保護地，與電源的PE線連接，并且當設備設置避雷針時，保護地應與避雷針的防雷地分開設置，彼此離開20米的距離。
四、 電源浪涌保護器的選擇及設置
電源浪涌保護器是綜合防雷體系的有效環(huán)節(jié)，是內(nèi)部防雷保護的重要組成部分。它可以泄放雷電流，限制過電壓，對電氣、電子設備起到保護作用。電涌保護器分為電壓限制型、電壓開關型和復合型，其具體功能如下：
1. 限制沿進線侵入的雷電過電壓
2. 限制地電位升高引起的反擊雷
3. 限制雷電電磁場感應出的過電壓
電源浪涌保護器的主要參數(shù)有電壓保護水平Up、通流容量Imax及最大持續(xù)運行電壓Uc。
電壓保護水平Up應小于被保護設備的沖擊耐受電壓或抗干擾度，并且應該大于電網(wǎng)最高運行電壓值。電壓保護水平與設備沖擊耐受水平應彼此配合，并留有足夠的裕度。電涌保護器應設置在任何兩個防雷區(qū)的交界處，特別是戶內(nèi)與戶外的交界處。電涌保護器還應再不同位置采用不同保護等級的設備。
通流容量Imax體現(xiàn)了電涌保護器的泄流能力，對有避雷針的設備，低壓配電系統(tǒng)采用電纜進線時，進線處應安裝最大放電電流Imax為100kA或65kA（8/20μs波形）的電涌保護器。并在離被保護設備盡量近的地方安裝最大放電電流Imax為8kA（8/20μs波形）二級電涌保護器，且與進線電涌保護器級聯(lián)布置。
對無避雷針的設備，應根據(jù)當?shù)氐睦妆┤?、地形及監(jiān)控設施需連續(xù)供電的需求，選擇用于進線保護及二級保護的電涌保護器。一般分別采用65kA（8/20μs波形）及8kA（8/20μs波形）的電涌保護器。
最大持續(xù)運行電壓Uc是保證電涌保護器可靠長期工作及防止設備老化、電壓保護水平降低的重要性能指標。其受電網(wǎng)標稱電壓、電網(wǎng)接地制式影響很大。
為了提供最佳的選擇，實際選用電涌保護器時采用分級配置。第一級保護應能承受絕大部分雷電流，第二級配置泄放殘余雷電流，限制設備斷的殘電壓，同時與第一級保護配合使用。
為了防止電網(wǎng)中電壓波動及經(jīng)常出現(xiàn)的脈沖電流的影響，在電涌保護器前加裝小型斷路器，使電涌保護器的壽命得到延長。
五、 信號浪涌保護器的選擇及設置
為了防止雷電流從通信線路侵入設備中，對設備端口及傳輸數(shù)據(jù)造成影響，需要在通信線路端口出線端加裝信號浪涌保護器。目前常用的信號浪涌保護器有保護視頻的BNC接口信號浪涌保護器、保護以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的RJ45接口信號浪涌保護器以及保護控制線路的串行口信號浪涌保護器。
信號浪涌保護器的選擇相對比較簡單，但值得注意的是信號浪涌保護器在保護線路不受電磁脈沖干擾的同時，不得影響通信線路本身的通信質(zhì)量，其對線路信號的損耗應盡量低。
六、 高速公路監(jiān)控系統(tǒng)典型防雷保護方案
(一) 監(jiān)控中心設備：
1. 監(jiān)控中心設備供電引自監(jiān)控大樓總配電柜，從總配電柜到監(jiān)控配電箱進線前加裝Up=1.2kV、Imax=8kA（8/20μs波形）電涌保護器。
2. 監(jiān)控以太網(wǎng)交換機至通信接入網(wǎng)接口前加裝RJ45口信號浪涌保護器。
3. 監(jiān)控機房設備采用TN-S接地制式，保護接地電阻不大于4Ω。并采用等電位連接，使雷電流能夠在最短時間內(nèi)泄流、分流。
(二) 外場設備
1. 監(jiān)控外場設備供電引自就近變電所低壓開關柜，監(jiān)控總配電箱放置于變電所室內(nèi)低壓開關柜旁邊，由于低壓開關柜采取了防雷保護措施，并且與配電箱很近，監(jiān)控總配電箱不設置防雷保護設備。
2. 遙控攝像機、大型可變情報板等較高設備加裝避雷針，并采用Up=1.8kV、Imax=65kA（8/20μs波形）和Up=1.2kV、Imax=8A（8/20μs波形）的兩級電涌保護器。
3. 車輛檢測器、氣象檢測器及小型可變情報板只需加裝Up=1.2kV、Imax=8A（8/20μs波形）的電涌保護器。
4. 外場設備采用TN-S接地制式，對關鍵設備進行重復接地，保護接地電阻不大于4Ω，防雷接地電阻不大于10Ω。
5. 在遙控攝像機視頻輸出端口加裝BNC接口的視頻信號浪涌保護器，在其余設備控制端口前加裝串行口信號浪涌保護器。
防雷保護系統(tǒng)需要結(jié)合機電、供配電及房建設施進行設計，并對相關設施提出不同的要求，使整個系統(tǒng)達到防雷保護的能力。防雷保護技術處于不斷的發(fā)展和完善之中，防雷保護產(chǎn)品也在不斷的更新?lián)Q代，大量的工程實際經(jīng)驗和防雷實驗對防雷保護理論的發(fā)展都起到了促進作用。高速公路監(jiān)控系統(tǒng)應該根據(jù)自身的特點進行防雷保護設計，使系統(tǒng)能夠免受雷電災害的影響。