高速公路電子系統(tǒng)雷電電磁脈沖的防護

1、高速公路電子系統(tǒng)雷電電磁脈沖防護2010年12月28日 *公司高速公路電子系統(tǒng)雷電電磁脈沖的防護高速公路是全立交往制出入的快速干道，其線路走向、出人口和管理區(qū)大多分布在較惡劣的野外暴露環(huán)境中，易遭受到雷電危害，特別是高速公路的電子系統(tǒng)（包括通信系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、電腦收費和閉路電視系統(tǒng)等）由于金屬線纜連接的設(shè)備端口雷電浪涌耐受能力非常弱，極易遭受雷電電磁脈沖而引起設(shè)備損壞，甚至威脅到交通系統(tǒng)的正常運行，給社會帶來很大的危害。近年來，福建省高速公路電子系統(tǒng)每年均發(fā)生多次因雷擊造成系統(tǒng)故障的現(xiàn)象，例如廈門某收費站2002年6月30日遭一次雷擊，導(dǎo)致收費系統(tǒng)幾乎癱瘓，損壞設(shè)備類型8種，累計金額達20余萬

2、元；2010年泉州某收費站遭受雷擊導(dǎo)致收費站陷入“癱瘓”，影響正常交通達7小時之久。本文主要針對于雷電電磁脈沖對高速公路電子系統(tǒng)造成的巨大危害，從影響的方式和途徑入手，提出雷電電磁脈沖防護的要求，同時提出高速公路電子系統(tǒng)防雷管理工作的幾點建議，希望能夠為高速公路的防雷工作提供一定的參考和指導(dǎo)。1 雷電電磁脈沖在信號電纜上的耦合機理 根據(jù)近代國內(nèi)外雷擊造成的危害表明，即使在距離雷擊點2km處，電子設(shè)備對于感應(yīng)或者傳導(dǎo)的浪涌電壓或者浪涌電流仍舊很敏感。這樣大面積的危害除了有現(xiàn)代電子設(shè)備比較脆弱的原因以外，主要是由于雷電電磁脈沖通過四通八達的連接電纜耦合產(chǎn)生過電壓、過電流傳導(dǎo)到電子設(shè)備端口造成設(shè)備損

3、害。浪涌電流在電纜中流動時，將會產(chǎn)生縱向電壓和橫向電壓。芯線和電纜金屬屏蔽層之間產(chǎn)生的縱向電壓施加在所連接的設(shè)備輸入端和接地外殼之間（共模電壓）；芯線之間的橫向電壓施加在所連接設(shè)備的輸入電路上（差模電壓）。下面就簡要說明雷電電磁脈沖如何通過阻性耦合、感性耦合、容性耦合耦合到連接電纜上的。1.1 阻性耦合如圖1所示，雷擊建筑物1，在其接地電阻上產(chǎn)生約100kV的電位差，該幅值足以擊穿設(shè)備1和設(shè)備2的絕緣。這樣浪涌電流通過設(shè)備1沿著信號線流到設(shè)備2以及建筑物2的地網(wǎng)上，造成建筑物2的地電位抬升。圖1 阻性耦合 如果信號電纜屏蔽層兩端接地，浪涌電流沿著屏蔽層流到建筑物2的地網(wǎng)上，同樣造成其地電位升。

4、建筑物2的地電位升又加到與其連接的其他電纜上，可能造成其他設(shè)備損害。1.2 感性耦合由于雷電流具有很大的幅值和波頭上升陡度，能在所流經(jīng)的路徑周圍產(chǎn)生很強的瞬態(tài)脈沖電磁場。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，這種變化的脈沖電磁場交鏈導(dǎo)體回路時，能在回路中感應(yīng)出電動勢，產(chǎn)生過電壓和過電流。圖2和圖3給出了信號電纜可能發(fā)生電磁感應(yīng)的例子。圖2 感性耦合（信號線的芯線之間組成感應(yīng)環(huán)）圖3 感性耦合（信號線與地之間組成感應(yīng)環(huán)）1.3 容性耦合當(dāng)各類電纜上空有雷云生成并向下發(fā)展為下行先導(dǎo)時，由于雷云和先導(dǎo)通道的感應(yīng)作用，在各類電纜內(nèi)將出現(xiàn)反極性的感應(yīng)電荷，如圖4.4所示。該圖中示出的是常見的負雷云對地放電，雷云以及下行先導(dǎo)

5、的電荷為負，而在電纜中感應(yīng)的電荷為正，而電纜中的負電荷經(jīng)泄漏電導(dǎo)入地。這些感應(yīng)電荷的聚積速度取決于先導(dǎo)發(fā)展的速度，由于先導(dǎo)發(fā)展速度比回擊速度小100以上。在雷擊發(fā)生時，雷云以及下行先導(dǎo)的電荷迅速中和消散，而反極性感應(yīng)電荷將失去束縛，但是這些電荷不能以與回擊發(fā)展同樣的速度來消散，因此形成了對地的過電壓，如果在設(shè)備處發(fā)生閃絡(luò)，將在電纜中形成浪涌電流。顯然，電纜越長，對地電容越大，越易形成容性耦合產(chǎn)生過電壓。圖4 容性耦合2、防雷接地實施方案2.1 直擊雷防護安全要求高速公路各類站點的直擊雷防護措施應(yīng)滿足建筑物防雷設(shè)計規(guī)范（GB50057-2000）第二類防雷建筑物的相關(guān)規(guī)定。對于野外單獨的機柜或者

6、監(jiān)控攝像頭等設(shè)施應(yīng)裝設(shè)獨立避雷針，并應(yīng)設(shè)置簡易地網(wǎng)用于雷電流的泄放。對于建筑物可在屋頂設(shè)置不大于10m×10m或12m×8m的避雷網(wǎng)格，避雷網(wǎng)應(yīng)用直徑不小于8mm 的圓鋼，避雷網(wǎng)引下線不得少于2 根，并沿四周均勻或?qū)ΨQ布置，其間距不得大于18m，接地點不得少于兩處。對于屋頂?shù)男l(wèi)星接收器、天線等設(shè)施應(yīng)架設(shè)避雷針進行保護。2.2 地網(wǎng)實施要求1）高速公路各類站點應(yīng)采用聯(lián)合接地，即將各個機房建（構(gòu)）筑物的地網(wǎng)、配電設(shè)施（變壓器等）接地裝置等連為一體。當(dāng)兩建（構(gòu)）筑物之間有電力、信號等線纜連接時，兩者接地裝置之間的間距在30米以內(nèi)時，必須采用熱鍍鋅扁鋼將兩接地裝置聯(lián)為一體。2）機房

7、建筑物地網(wǎng)宜采用圍繞機房建筑物的環(huán)行接地體，有建筑物基礎(chǔ)地網(wǎng)時，環(huán)行接地體應(yīng)與建筑物基礎(chǔ)地網(wǎng)每隔5m10m 相互作一次連接。3）接地體埋深宜不小于0.7m(接地體上端距地面的距離)。水平接地體宜采用熱鍍鋅扁鋼， 扁鋼規(guī)格不小于40 mm×4mm。垂直接地體宜采用長度不小于2.5m（特殊情況下可根據(jù)埋設(shè)地網(wǎng)的土質(zhì)及地理情況決定垂直接地體的長度）的熱鍍鋅鋼材，垂直接地體間距為垂直接地體長度的12倍，具體數(shù)量可以根據(jù)地網(wǎng)大小、地理環(huán)境情況來確定，地網(wǎng)四角的連接處應(yīng)埋設(shè)垂直接地體。4）接地體之間的所有連接，必須使用焊接。焊點均應(yīng)做防腐處理(澆灌在混凝土中的除外)。接地體扁鋼搭接處的焊接長度，

8、應(yīng)為寬邊的2倍；采用圓鋼時應(yīng)為其直徑的10倍。2.3 信號電纜的屏蔽方案 1）對于新建站點，如果需要敷設(shè)大量電纜，可建立有籠狀結(jié)構(gòu)的電纜溝。電纜溝的鋼筋必須焊接連通并且連接到建筑物的鋼筋上。如圖5所示。對于已經(jīng)建好但是鋼筋連通性不好的的電纜溝，可在電纜溝內(nèi)敷設(shè)一到兩根熱鍍鋅扁鋼，扁鋼兩端與地網(wǎng)可靠連接。圖5 籠狀鋼筋電纜溝2）敷設(shè)少量信號電纜時可采用套鐵管地埋的方式，鐵管兩端可靠接地。3）電纜屏蔽層必須兩端可靠接地，為了使屏蔽層內(nèi)的縱向屏蔽電流均勻分布以獲得最大限度的屏蔽性能，連接端宜使用同軸連接器（例如可接地的革蘭Gland），連接器對屏蔽層能夠提供360度的電接觸。圖6 4）對于已經(jīng)建成在

9、運行的站點（大部分站點屬于這種情況），重新埋設(shè)電纜溝或者穿鋼管以及使用同軸連接器在施工上都存在很大的困難，此時可進行簡單連接，即使用接地卡將電纜外層鎧裝接地，再輔以信號保護器的配合，也能保證設(shè)備的安全。5）對于重要性比較高或者容易雷擊環(huán)境較惡劣的電纜，應(yīng)采用雙層屏蔽或者套鐵管的方式。如果條件有限無法實施，可應(yīng)在電纜附近沿線敷設(shè)一根熱鍍鋅扁鋼，扁鋼兩端與地網(wǎng)可靠連接。6）連接電纜中閑置不用的空線對應(yīng)做好接地處理。2.4機房內(nèi)部的等電位連接實施方案各站點機房宜優(yōu)先采用網(wǎng)狀連接，可在機房內(nèi)部沿墻壁設(shè)置均壓環(huán)（一般設(shè)置在機房地板以下），均壓環(huán)截面積應(yīng)根據(jù)最大故障電流或材料機械強度來確定，一般應(yīng)采用截面

10、積不小于160mm2的銅排。該均壓環(huán)從機房的四角用鍍鋅扁鋼或截面積不小于95平方毫米的多股銅線引出并和機房環(huán)形地網(wǎng)相連，所有連接皆采用焊接的方法并進行防銹蝕處理。機房內(nèi)各設(shè)備應(yīng)就近與均壓環(huán)可靠連接。如果網(wǎng)狀連接系統(tǒng)的實施或者改造有困難，也可以采用星形系統(tǒng)的連接。星形系統(tǒng)連接只適用于設(shè)備所在區(qū)域面積較少的情況。圖7給出了一個在小型系統(tǒng)實施行星連接的例子。VR:垂直主干接地母線 FEB:樓層接地排 CEF：電纜入口設(shè)施 CEEB：電纜入口接地母線排圖7 星形連接系統(tǒng)舉例另外，機房的接地與等電位連接系統(tǒng)還可根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)、樓層面積、樓層數(shù)量和設(shè)備布置等實際情況采用網(wǎng)狀星形混合連接形式。圖

11、8給出了一個網(wǎng)狀星形混合連接結(jié)構(gòu)的例子。圖8網(wǎng)狀星形混合連接系統(tǒng)舉例2.5 電源系統(tǒng)雷電防護1）各類站點的供電電纜應(yīng)埋地引入，避免架空方式入局。其交流電源系統(tǒng)的雷電過電壓保護應(yīng)使用分級保護，各級SPD的防護水平，應(yīng)符合本級保護范圍內(nèi)被保護設(shè)備的絕緣水平。2）高壓電力電纜入站時，埋地長度應(yīng)大于200m；低壓電力電纜入站時，埋地長度應(yīng)大于15m（高壓電力電纜已做埋地處理時，低壓電纜的埋地長度可不做限制）。當(dāng)埋地引入有困難時，應(yīng)適當(dāng)增加電源系統(tǒng)第一級過電壓保護設(shè)備的防護等級。3）具有金屬護套的電纜入局時，應(yīng)將金屬護套接地。無金屬外護套的電纜宜穿鋼管埋地引入，鋼管兩端做好接地處理。 4）各類站點電源雷

12、電過電壓保護可參照以下要求:（1）交流供電系統(tǒng)的第一級SPD（I/B級），可根據(jù)實際情況選擇在變壓器低壓側(cè)或低壓配電室電源入口處安裝。（2） 交流次級保護SPD（II/C級），可以選擇在后級配電室、樓層配電箱、機房交流配電柜處安裝。（3）交流精細保護SPD（III/D級），可選擇在控制、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)機架的配電箱內(nèi)安裝或使用拖板式防雷插座。（4）直流保護SPD可選擇在開關(guān)電源、直流輸出輸入端或用電設(shè)備端口處安裝；（5） 直流集中供電或UPS集中供電的配電室，在遠端機房的（第一級）直流配電屏或UPS交流配電箱（柜）內(nèi)，應(yīng)分別安裝SPD，集中供電的輸出端也需安裝SPD。（6） 向系統(tǒng)外供電的端口，以及

13、從外系統(tǒng)引入的電源端口必須安裝SPD。5）各類電源浪涌保護器的使用應(yīng)滿足以下要求:（1）在使用分級保護時，各級浪涌保護器之間應(yīng)保持必要的退耦距離或增設(shè)退耦器件，以確保各級浪涌保護器協(xié)調(diào)工作。退耦器件的電感為812uH，且額定工作電流應(yīng)符合供電系統(tǒng)的要求；如果無退退耦器件，氧化鋅SPD與氧化鋅SPD之間退耦距離（電纜長度）應(yīng)不小于5m。（2）在TT供電系統(tǒng)的站內(nèi)，應(yīng)使用“3+1”模式的交流電源SPD（即三相分別對零線用限壓型器件保護，零線對地使用放電管（間隙）保護）。（3）在電源SPD的引接線上，應(yīng)串接保護空開（或保險絲），防止SPD故障時引起系統(tǒng)供電中斷。保護空開（或保險絲）的標(biāo)稱電流不應(yīng)大于

14、前級供電線路空開（或保險絲）的1/1.6倍。保護空開應(yīng)使用質(zhì)量可靠、符合防雷要求的產(chǎn)品。6）各類電源浪涌保護器的安裝應(yīng)滿足以下要求: （1）電源用SPD的連接線及接地線截面積應(yīng)符合表1的要求，材料為多股銅線。表 1 電源SPD連接線和接地線選擇表銅線截面積S（mm2）配電電源線S16S70S>70引接線S1616接地線S1635（2） 使用模塊式SPD時， SPD接地線和引接線的長度應(yīng)小于1m。 （3） SPD的引接線和接地線，必須通過接線端子或銅鼻連接牢固，防止雷電流通過時產(chǎn)生的線芯收縮造成連接松動。銅鼻和纜芯連接時，應(yīng)使用液壓鉗緊固或浸錫處理。（4） SPD的引接線和地線應(yīng)布防整齊，

15、在機架應(yīng)綁扎固定，走線應(yīng)短直，不得盤繞。2.6 信號端口雷電防護要求 1）除了實施聯(lián)合地網(wǎng)以及信號電纜屏蔽層兩端接地等措施外，信號端口必須輔以浪涌保護器（SPD）以進一步降低過電壓到設(shè)備端口允許的范圍以內(nèi)。 2）各類信號保護器應(yīng)具有線對地和線間的保護模式，并且其接地線應(yīng)就近由被保護設(shè)備的接地匯流排（端）接地。3）如果信號保護器為串聯(lián)型，應(yīng)注意使用相同的物理接口，并且其動作電壓應(yīng)和設(shè)備的工作電壓相適應(yīng)，一般應(yīng)為工作電壓的1.22.5倍， SPD的插損應(yīng)不影響的設(shè)備正常運行。 2.7 監(jiān)控系統(tǒng)的防雷要求1）環(huán)境監(jiān)控和視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)情況對相應(yīng)線路兩端接口及設(shè)備電源進行過電壓保護。當(dāng)樓外的監(jiān)控點不

16、在聯(lián)合地網(wǎng)范圍內(nèi)時，必須在信號線路及電源線路兩端接口安裝SPD。2） 監(jiān)控線纜的布放應(yīng)避免使用架空線路，并采用屏蔽電纜或穿金屬管敷設(shè)。電纜屏蔽層和外部屏蔽體，應(yīng)兩端接地。 3）位于聯(lián)合地網(wǎng)外或遠離視頻監(jiān)控中心的攝像機，應(yīng)分別在控制、電源、視頻線兩端安裝SPD，云臺和防雨罩必須就近接地。4）選擇各類監(jiān)控接口（如RS-232、RS-485、RS-424、視頻等）SPD時，應(yīng)滿足設(shè)備傳輸速率（帶寬）的要求，SPD接口與被保護設(shè)備接口應(yīng)兼容。3、典型實施案例泉三泉州南收費站防雷改造案例3.1工程概況：根據(jù)氣象部門的統(tǒng)計資料顯示，泉州市的年平均雷暴日數(shù)為54.1d/a。依據(jù)地區(qū)雷暴日數(shù)等級劃分，年平均雷

17、暴日大于40天，不超過60天的地區(qū)應(yīng)劃分為高雷區(qū)。因此，我們應(yīng)該加強雷擊災(zāi)害的防御工作。泉州南高速公路監(jiān)控中心和外場票亭因地處雷雨天氣多發(fā)地段，外場，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備遭雷擊損壞，系統(tǒng)運行無法保障現(xiàn)有運營需求。受泉州南高速公路公司的委托，工信部通信行業(yè)防雷質(zhì)檢中心福建分中心和福建升威電子工程責(zé)任有限公司承擔(dān)了泉州南高速公路外場票亭及監(jiān)控系統(tǒng)的防雷情況勘查工作。于2010年8月12日，前往實地進行了防雷調(diào)查。本次防雷情況勘查工作是在泉州南高速公路公司監(jiān)控中心工作人員陪同下進行的。勘查范圍：外場票亭、配電房、機電房、監(jiān)控室。主要是調(diào)查其電源、信號防雷以及機房等電位連接的情況。3.2現(xiàn)場勘查情況泉州南收費

18、站屬于二類防雷系統(tǒng), 經(jīng)現(xiàn)場檢測該收費站各接地系統(tǒng)的接地電阻值均4，符合設(shè)計規(guī)范要求。1）、收費站頂棚未設(shè)避雷帶、避雷針；2）、部分稱重儀外殼未接地；3）、光端機傳輸機柜內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)和視頻端口未采取有效的防雷措施；4）、車道控制器內(nèi)與稱重儀串口連接處未采取防雷保護措施；5）、各票亭的接地線線徑偏小；6）、機電房配電箱內(nèi)無第一級開關(guān)電源保護；7）、二樓監(jiān)控機房內(nèi)各機柜未做等電位連接。3.3、防雷整改方案1）、防直擊雷泉州南收費站屬于二類防雷，該收費站頂棚未設(shè)避雷帶，容易遭受雷擊。應(yīng)在頂棚上增設(shè)避雷帶，頂部采用10mm的圓鋼（刷防銹漆）構(gòu)筑避雷帶，引下線采用10的圓鋼。 (注：引下線應(yīng)對稱均勻布設(shè)，而

19、引下線的間距不應(yīng)大于18m，具體做法視現(xiàn)場情況而定)。該收費站頂棚未設(shè)避雷針，應(yīng)在頂棚四個角處增設(shè)避雷針。2）、防雷電感應(yīng)（1）、泉州南收費站機電房配電箱內(nèi)無第一級開關(guān)電源保護。應(yīng)在機電房配電箱旁加裝一套80kA（8/20us） 浪涌保護器作為第一級SPD保護，防雷箱電源引接線長度不大于1m，接地線長度不大于1m。（2）、各票亭的接地線線徑偏?。ň€徑為6mm²），應(yīng)改用不小于16 mm²的地線就近接地。(3）、部分稱重儀外殼未接地，應(yīng)采取有效的防雷接地措施。（三）3)、電子信息系統(tǒng)的雷電防護(1）、各稱重儀與光端機傳輸機的串口連接處未做防雷保護。應(yīng)在串口連接處加裝信號防雷器

20、。(2）、傳輸柜內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)和視頻端口未采取有效的防雷措施，應(yīng)在連接端口處加裝網(wǎng)絡(luò)和視頻信號防雷器。從而保障數(shù)據(jù)通訊正常工作。(3）、二樓監(jiān)控機房內(nèi)各機柜做等電位連接。泉三高速泉州南收費站防雷改造示意圖：4、高速公路防雷管理的幾點建議1）我省由于獨特的地理位置和氣候條件，造成了我省每年雷雨季節(jié)到來時雷電活動極為頻繁，雷電致災(zāi)數(shù)量和造成的損失呈逐年上升趨勢，相關(guān)人員應(yīng)加強防雷相關(guān)知識的學(xué)習(xí)、培訓(xùn)，充分認(rèn)識雷電的特點、性質(zhì)和危害，這樣有助于提高對雷電防護的重視程度，避免形成對防雷工作的誤解和抵觸情緒。2）切實落實高速工作防雷檢測勘察工作。在每年雷季之前，選擇具有相應(yīng)技術(shù)和能力的檢測機構(gòu)，特別是在信息機電系統(tǒng)雷電防護具有相當(dāng)經(jīng)驗的檢測機構(gòu)，對已經(jīng)在運營的高速公路路段的機電工程存在的雷擊