高速公路外场监控设备防雷措施探讨

     高速公路机电系统的特点是点多、面广、线长，既有强电没备，又有大量的监控、通信、传感等弱电设备，外场设备遍布全路段，旷野区域往往有突出的设备点，控制线路经常需远距离传输。在高速公路机电系统中，虽然也设计和安装有各种型号的防雷器以及进行接地施工，但是，强电和弱电系统的防雷问题一直不被重视，接地的要求也不统一，弱电系统的接地处理更为简单。高速公路机电系统的防雷薄弱环节相对来说较多，易遭雷害，特别是感应雷害和反击雷害。因此，有必要不断总结经验，完善高速公路机电系统的防雷抗灾能力，更好的为高速公路运营服务。 

    高速公路机电系统的设备主要分布在三个地方：收费站(变配电房、监控室、收费棚)、隧道(含隧道广场)以及沿线外场监控设备。实现防雷的方法主要为外部防雷、电源系统、视频监控系统、数据监控系统、网络系统的防雷防护等五个方面。其中高速公路监控系统的防雷应该进行重点分析和研究。 

    监控系统设备主要分布在高速公路隧道内、隧道广场以及高速公路沿线。高速公路隧道内设有火灾报警设施、电力监控设施(电流、电压、电量、通风照明控制设备等)、交通监控设施(车检器、情报板、风速风向仪、CO／VI检测仪、照度检测仪、紧急电话、隧道广播、车道指示灯等)和隧道视频监控设施等=隧道广场设有亮度检测仪、紧急电话、广播、车检器、情报板、摄像机等；道路沿线设有车检器、情报板、摄像机、能见度仪、气象检测器等问题，使监控系统成为最容易受雷击的部分，设备众多，地处空旷地带、取电线路和信号线路长，接地施工难等。经过多年的摸索，我们总结出以下一些监控设备的防雷经验，与同行交流。 

    ◆主线监控设备数量众多，设备制造厂商对自己的产品情况最为了解，应首先要求设备制造厂商随机安装配套电源防雷器、信号防雷器。在设备受雷击案例中，主要以感应雷危害为多，越长的线缆越容易受到感应雷击。采用随机配套防雷设备，既可避免各类连接线(视频线、控制线、电源线等)引发的感应雷的侵扰，减少了施工中繁琐的接线工作，同时也避免了因接线产生的故障隐患，安装过程更方便快捷。如在高速公路大量应用的某厂家生产的情报板，其防雷系统考虑得较为全面，在实践应用中极少出现设备受雷击的现象。 

    ◆外场供电电源一般都需从几百米甚至几公里外的低压供电点引入，电源接地及防雷设备的选择和安装就显得尤为重要。通常，高速公路的供电采用TN-S接地系统，除了考虑隔一定距离进行重复接地外，采用铠装电缆埋地传输是一个很好的防雷办法，规范要求入户电缆应埋地1 5米以上的要求，也说明了此方法是合理的。此外，电缆埋地敷设对防止电缆被偷盗也有很好的效果。 

    ◆电源防雷系统必须按照三级防雷要求没计施工，由于监控外场设备的一、二级防雷通常由供配电系统施工人员负责设计、施工，所以往往容易被忽视，因此，在监控系统施工时，必须对此进行复核，发现问题及时解决。我们在实际测试中，经常发现配电系统未安装防雷设备或者配套防雷器不满足要求的情况。同时，监控外场设备的供电线路较长，受感应雷的感应电流较大，一般设备末端的防雷器的放电电流应为20kA以上，若由厂家配套，应对此明确提出要求；同时，应要求二级防雷器的放电电流为40kA以上，一级防雷器放电电流为80kA以上。 

    ◆为保证信号传输的可靠，外场数据和视频监控系统应全部采用光纤远距离传输信号，同时采用光纤型紧急电话系统，有效防止信号被雷击。如果大量采用光端机进行信号传输，对光端机本身的防雷性能要求就提出更高的要求，而不仅仅是安装压敏电阻进行简单防护。 

    ◆防雷工程的施工安装工艺必须引起高度重视。施工安装工艺主要存在以下几个方面问题： 

    ◇防雷器等接线端子安装不牢固，导致雷电接地泄放不满足要求，电位抬高击坏设备，设备箱体和箱门应采用铜线连接
    ◇防雷接地线误接至电源保护地且电源保护地未与现场地连接；
    ◇防雷接地铜线截面积太小，根据经验，当防雷器与接地极距离小于1米时，应采用4ram2以上铜线，当防雷器与接地极距离大于1米时，应按距离远近采用6mm2以上铜线；
    ◇所有与接地极连接的导线必须确保连接可靠牢固，尽可能涂上导电膏。保证线路连接可靠、线缆面积足够、雷电泄流通畅。 

    ◆目前监控视频摄像机通常采用光纤传输，有些单位认为光缆不受感应雷影响，可以不安装信号防雷器，有些工程商为节约成本省去防雷器件。事实上，为方便维护，解码器、光端机等设施一般都集中在一个保护箱内，且安装在摄像机杆离地1．3米左右，在光端机与摄像机之间有一段5-1 0米的电缆连接线，其视频线和控制线很容易受到感应雷的坏，而摄像机和光端机上所配的浪涌保护电路防雷效果有限，在实际运行中，就经常出现由于这一原因而使摄像机遭遇雷击的现象。因此，需要在控制信号线的起始端和结束端加装信号防雷器，视频线起始端和结束端加装视频防雷器；在摄像机和光端机的电源输入端也加上电源防雷器件。当然，也可以采用内置光端机的摄像机来减少雷害的发生，目前已有厂家推出内置光端机的一体化球机产品，采用光端机与球机一体化结构设计，光端机模块与球机之间无线缆连接，在球机外部仅有一根光纤和一根经变压器隔离输入的电源线，这样可以避免传统分体式光端机与球机之间因为有各类连接线(如视频线、控制线、电源线等)而引发的感应雷的侵扰，也减少了施工中繁琐的接线工作。 

    ◆监控外场设备要求有一个良好的接地系统，所有防雷设备都需要通过接地系统把雷电流泄人大地。人们习惯单方面追求接地电阻的数值，认为接地电阻越小，防雷效果越好，被保护的对象就越安全。但是，为达到低的阻值，经济支出和施工难度都会增加。按照通常的设计要求，机电外场设备应分别设置防雷接地极(10 Ω)和保护接地极(4 Ω)，且两地网之间至少要有20m的距离。或者设置共用接地极(1 Ω)，如要完全达到以上要求，作为一个独立外场设备接地，困难较大。根据计算，接地电阻为1 Ω、土壤导电率为100寸，所需的接地网面积为2500m2。这在施工中难度极大，为此，在实际运用中，一般采用一点共用接地，接地电阻为4 Ω，同时，该接地极与从供电点引出的保护接地线并接，或者通过安装地电位均衡器等防雷设备，即可满足要求。 

    ◆为避免土建施工单位不重视基础接地工作，导致影响设备运行安全的情况发生，外场监控设备的基础应交由机电施工单位负责施工，当设备基础开挖后，应先将接地扁钢打入底下1.5-2.0米后再与设备基础的钢筋笼焊接，然后浇灌混凝土。由于设备基础的混凝土在保持与含水分的土壤接触时，毛细管将水分吸到混凝土里，可降低混凝土的电阻率，钢筋混凝土基础完全可以作为良好的接地装置。从混凝土钢筋笼引出接地极后，若测得接地电阻不满足要求，可在设备基础周围补打接地桩。同时尽量利用大桥等构造物的主体钢筋作为设备接地极，从桥墩钢筋网内引出的钢筋是良好接地极，其接地电阻通常远远小于1 Ω。 

    ◆隧道广场必须专门设置接地网，一般与强电共用接地网，此日寸，接地电阻应≤1 Ω。由于隧道广场的监控设备相对集中，且一般都采用钢管做线缆的护管，因此，应尽量将保护钢管与建构筑物基础的钢筋以及接地网统一连接，钢管和钢管之间也必须用钢筋焊接连通。这样的接地网可以便界面以内的电场分布比较均匀，减少跨步电压对人的危害。 

    ◆隧道内的接地主干线过去通常采用扁钢，经计算4*40的扁钢每一公里电阻为1 Ω。如果施工焊接不良，其电阻阻值将变的很大，对隧道内的机电设备的防雷不利，我们采用50mm2的铜缆作为隧道接地主干线与隧道洞口的接地网可靠连接，同时，将接地干线与隧道洞内的预留洞室内的钢筋作重复接地，使接地网更加可靠。 

    ◆隧道内机电设备的防雷保护工作同样重要，一些设计和施工单位认为隧道不在空旷地带，无需进行防雷，其实，隧道就如同一座大型民用建筑，内部所有的通过金属缆线连接的机电设备都必须进行防雷保护，且金属机箱(柜)应与接地系统可靠连接。隧道内安装的CO／VI检测器、车检器以及火灾报警系统，特别是火灾报警器，目前大部分使用日本能美公司设备，采用电缆进行信号传输，容易受到感应雷击。在我省实际运行中，隧道光端机、CO／VI检测器、火灾报警系统都不同程度受到过雷击，也应按照内部防雷的要求进行设计和施工。 

    高速公路监控设备的防雷工程是一个综合防护工程，不管如何复杂，都离不开三块内容：良好的接地装置、精心细致的工程施工以及合理的防雷设备选型。其中工程施工更为重要，如果工程技术人员将防雷保护与对待信号干扰一样重视，各种设备、各种电源及信号电缆各自分兵把守、各自保护，就一定能够大大减少雷电的侵害，保证高速公路机电系统的正常运行。