摘要：现如今，科学技术在不断进步，在高速公路上所安装的机电设备不断增多，功能在不断增强，主要包含弱电设备与强电设备系统。机电设备在绝缘处理上较弱，过电压受力较差，易受到雷电的袭击而发生安全事故。因此，为保证高速公路运行的安全性，保护过往车辆的安全，应重视机电设备防雷技术的应用，做好防雷接地处理，重视机电设备的绝缘处理，进而达到理想的防雷效果，以增强高速公路运行的安全性与平稳性。
关键词：高速公路；机电设备；防雷技术
1机电设备安装的基本特征
（1）安装周期长、涉及面广
在高速公路机电设备安装的过程中，会涉及到机械设备工程、监控、自动化、收费、通信等各个方面的内容，并且还需要供电、通讯、照明等设施来协助施工。由于在安装的过程中会涉及到采购、调试、验收等多个流程，工期会比较长，投入的人力、物力和财力也会比较多。
（2）技术要求高
在机电设备的安装过程中，会涉及到施工技术、信息技术以及高速公路营运管理系统中各种设备的安装，同时，新材料、新技术和新工艺的出现，加上吊装、装配、检测等内容的出现，对机电设备安装的技术水平也提出了更高的要求。
（3）需要多方面的协调和管理
由于机电设备的安装工作涉及面很广，这在安装的过程中就需要与各个部门及时沟通，保证不同技术有序衔接，还要确保施工的进度安排合理、科学，各方面的工作要相互协调，以有序开展机电设备安装工作。加强各部门之间的沟通和协调工作，不仅是提高工作效率和质量的保证，同时也是确保安装顺利开展的重要途径。
（4）具有通用性
高速公路机电设备的安装需要根据不同的施工阶段来分别进行。另外，即便机械设备的安装技术需要根据高速公路的工程来细化，但是大部分上施工步骤具有一定的相通之处。
2.高速公路机电工程相关技术
2.1高速公路收费系统
高速公路所需建设费用远远大于普通公路。面对这巨大的费用负担，世界上许多国家都采用了贷款修路的方式，运营后通过收取通行费和汽油税来偿还贷款和维持道路系统的日常运行。收费系统分为三级计算机管理体系，即收费中心、收费站和收费车道。收费中心计算机通过光纤传输系统与收费站计算机进行数据通信；三级数据通信普遍采用以IEEE802.3为标准的TCP/IP通信网络来实现的，应用软件目前多采用UNIX多任务操作系统，源程序用C语言编程，外围设备采用计算机控制的机电一体化产品。
2.2高速公路监控系统
高速公路监控系统是在一般街道内交通管制系统基础上发展起来的。主要由信息采集子系统、监控中心及信息提供子系统三大部分组成。信息提供子系统包括交通标志、标线、信号和LED大屏幕可变信息情报板等，这也是为汽车用户服务的主要形式。高速公路监控系统目前是一个封闭的环路系统，把公路上车辆运行情况的交通参数和交通状况作为输入信息，然后对这些信息经监控系统分析、处理、判断后，发生相应指令，控制道路情报板，变更其显示内容，实施对交通流的调节、控制和疏导。
2.3高速公路道路照明系统
高速公路照明系统是机电系统的重要组成部分，闭路监视十分关注照明负荷能耗情况，通过能源监控管理系统对能耗和系统提供夜间监视条件，改善夜间行车环境，减少交通事故的发生和各种电力参数进行实时采集和分析统计，建立能源计量数据，为道路使用者提供良好的服务，创造优美的使用环境。
2.4供电与配电系统
在我国发达地区一般当地供电局都为此兴建专用变电站和高压输电线路，为高速公路用电提供可靠的保证。对三大系统设备用电一般按一类负荷供电，其余按二类负荷供电，配电房通常设置配套的低压开关柜、电容补偿柜、备用电源自动切换装置。对于重要的高速公路，除了变电所采用双电源10kV供电外，有的还自备发电机组进一步提高保障能力。
避雷针防护转向直击雷和LEMP的综合防护。目前，大多数防雷设计方案中采用国家防雷标准和建筑物防雷设计规范，同时逐步增加了如移动通信基站、保安闭路监视、计算机系统、广播系统、火灾报警及联动等过电压防雷保护标准及措施。对于防雷措施一般采用以下几种方法：对于直击雷的防护：分三类，主要以避雷针、避雷带、避雷网、避雷线作为防护方法。对雷电电磁脉冲（LEMP）的防护采取：
A——电源防雷，采用的是（B，C，D）三级防雷的方式，（B级）安装在电源总配电室配电柜上，（C级）安装在机房配电柜上，（D级）安装在各计算机及应用设备的电源配线端；#——信号系统防雷；——等电位连接，金属屏蔽及重复接地。各种防雷方案都有一定的局限性，难以完全有效地防止雷电的破坏。但只要不懈地研究和探讨，采用先进技术，及时监测和检查防雷系统，使之保持在良好的工作状态，尽量将雷击可能造成的损害减少到最低限度，以保障机电系统的安全运行。
3.雷电对高速公路机电设备的危害性分析
在交通运行系统中，高速公路的占有力在不断增强，成为陆路交通体系的核心交通模式。伴随着科学技术、数字化技术、通信技术等的不断革新，诸多机电设备不断被应用到高速公路中，如电子监控、信号塔、照明、收费装置等，都已经实现电子化，大大提高了高速公路的运行效率，也为驾驶者提供了一些便利。但是，机电设备在高速公路系统中的应用，也带来了一定的困扰，一旦遭遇雷电等恶劣天气，机电设备会受到严重损坏，甚至还会引起严重的火灾或爆炸事故，后果不堪设想。
通常来讲，在高速公路上的机电设备遭遇雷击，主要以直击雷与感应雷为主。直击雷的电压参数较高，会在瞬间产生强大的电流值，会对机电设备构成严重的损坏。感应雷常常发生在雷电电流导入大地之时，在雷击位置会产生一个庞大的强磁场，在磁场内的设备会与磁场相互切割，出现刹那间闪击现象，进而会损坏机电设备。相较于感应雷，直击雷所造成的危害性与影响更大，破坏性更强，因此，人们在机电设备防雷上大都以防范直击雷为主，对感应雷的防范重视度不足。目前，应用到高速公路上的机电设备在逐渐增多，感应雷所造成的危害在不断加重，进而引起人们的重视。
为提升高速公路运行的安全性与稳定性，必须重视高速公路机电设备的防雷处理，以直击雷与感应雷为防范对象，及时做好雷击防护工作，以降低雷击损坏程度，也能防止造成人员伤亡。防雷技术的应用应从防雷接地处理与机电设备防雷处理两个层面着手，进而营造安全、稳定、和谐的高速公路运行环境。
4.高速公路机电设备防雷技术
高速公路机电设备雷电伤害主要分为直击雷与感应雷两种，不管是哪一种雷电伤害，都需要采取措施将传递的电流或电压导入到大地中去，防止机电设备受到损害，这就需要高速公路防雷接地技术。科学的接地系统能够有效防止雷击事件的发生，保护高速公路工作人员和机电设备的安全。我们可以根据机电设备的防雷要求与防雷作用，把防雷接地系统分为四大类，分别是安全保护接地、直流工作接地、防雷接地以及交流工作接地。当前，我国科学技术水平逐渐提高，大规模集成电路技术也趋于成熟，出于对滤波器分辨率的需要，电子技术对共时信号的干扰问题已经得到了妥善解决，从而使联合接地技术有了实现的可能，使公地技术的发展得到了有效推进。
在收费站中，我们需要把收费车道、监控机房以及配电房的地网连接在一起，以扁钢带作为连接的介质，使得地网均压等电位，有效防止电位反击。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆利用这种办法，使建筑物里的机电设备与建筑物的电位差得以消除，建筑物里面的磁场强度也会有所减弱，感应雷的破坏力度也就没有那么大了。利用等电位连接技术，可以有效提升收费站建筑物里机电设备的防雷与避雷能力，可放宽接地电阻要求，收费站建设也会更省钱，而且施工难度也会有所降低，具备非常好的经济效益。
4.1照明系统的防雷处理
当前，诸多绿色材料被广泛的应用到照明领域，是科技进步的表现。在高速公路系统中需要一定的照明装置，为提高资源的利用率，节约电能，太阳能技术不断被应用，进而使得以太阳能技术为基础的LED灯具问世。基于太阳能的LED灯具具有耗能少、热辐射弱与光亮度高等特点，尤其值得一提的是其具有节能、安全与环保等优势，属于一种新型的照明技术。然而，此类灯具中含有多种太阳能充电与放电系统，还涉及到诸多电气设备，这两种都属于弱电设备，极怕遭受雷击。而一般的LED灯具，其外部一层为导体材料，自身属于避雷针，可使用灯柱的顶部来做接闪器，还要保证光伏板、灯具等都在接闪器的保护圈内，还要做好灯杆的防雷接地操作，以增强整个LED照明系统的防雷效果。此外，在电源线路位置上，常常受到电磁感应或静电反应等的影响，而产生突峰电流或电压，会对LED灯具产生严重的损坏，为避免LED灯具被损坏，可安装LED灯具专用的浪涌保护器，以实现对过电压的保护，保证照明系统的安全运行。
4.2高速公路监控系统防雷对策
作为高速公路运行中非常重要的一个系统，监控系统的主要功能是采集交通数据、视频和路况数据等，为驾驶员和交通工作人员提供便利，保障高速公路的安全、舒适与高效。一般高速公路都会根据道路的情况设置不同的监控设备、信息发布和信息采集设备，在防雷处理时将每台监控设备的电源线、信号线都要进行防雷器的安装，防雷器应就近安装在监控设备的外壳上或者是直接接地。
4.3收费系统的防雷措施
收费系统是高速公路成本回收的重要途径，同样也是体现高速公路运营服务质量的衡量标准。收费系统的防雷主要安置在收费亭内以及站内配电箱，车道控制器在电源输入端加装电源防雷器，所有数据传输的线路在工业以太网交换机端口前加装数据防雷器。站内收费系统配电箱采用380V输入220V输出模式，因此每相线路上均安装SPD1电源防雷器，各级电源SPD必须安装在交流配电设备的交流输入端，宜采用凯文接线方式连接，即室内接地汇集线与接地引入线连接处断开，断开处的两端分别单独引线接至SPD的接地端。
收费站场的供配电系统的防雷设计中，除了在配电房低压输出端加装防雷器之外，还需要对重点设备例如交换机以及服务器等设备进行重点保护，通常采用并联型的电源防雷器。整体防雷处理可以将同一建筑内的接地装置连接在一起，形成一个等电位体，车道之间以及车道与广场之间采用40mm×4mm扁钢连接，连接处进行防腐处理。机房内所有形式的接地都要与房建预留的接地扁钢连接，保证电阻值小于1Ω。亭外的摄像机和自动栏杆可以采用多股导线将外壳与接地系统可靠连接，连接处要采用焊接处理，确保安全性和可靠性。
5.高速公路机电系统防雷接地设计
5.1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。
5.2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。此过程的设备支撑，可采用混凝土杆以及钢杆，来作为直击雷防护设计的引下线，但其接地的电阻值要控制在30Ω以下。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。
5.3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。值得注意的是，高速公路监控中心机房的地板应设置防静电地板，并要沿着机房四周墙壁的角落设置铜排。此铜排的施工面积应控制在50mm2以上。与此同时，机房防静电地板的金属支撑架应与就近等电位连接网、接地汇流排作多点进行电气连接。这就有效提高了金属屏蔽层以及等电位连接处理的作用效果。
5.4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。因此，相关设计人员应从两方面防雷措施入手来对其进行控制。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。此外，第一防护区设置完毕后，设计人员还应在各分区（LPZn区）的交界处安装限压型浪涌保护器，以满足机房内电源配电箱设备的防雷要求。
结语
在高速公路工程施工中，机电安装工程是一项综合的系统工程，具有长期性和复杂性。因此在进行机电安装控制工作时，应加强机电安装施工重点把握，积极探索机电安装工程控制的策略，以不断提高机电安装控制水平，确保高速公路建设质量。
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论文作者:邢文俊
论文发表刊物:《基层建设》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/11
标签：防雷论文; 高速公路论文; 机电设备论文; 系统论文; 机电论文; 直击论文; 防护论文; 《基层建设》2017年第16期论文;