摘要：随着电子设备的长足发展，其在高速公路中应用越来越广泛，已成为高速公路不可或缺的一部分，高速公路的建设后的运行管理，基本依赖于机电设备的辅助支持。然而大多高速公路建设位于野外或空旷地区，各种设备安装在较为突出和孤立的建筑物上，尤其在广东多发雷雨季节地区，常因突发性的雷电因素造成电子设备损坏、人员伤亡及财产损失，严重影响机电系统的正常运作。因此，本文通过分析高速公路机电设备的防雷技术，探讨对各系统设备采取针对性的防雷措施，尽可能减少雷电灾害的影响和带来的损失。
关键词：高速公路；机电设备；防雷
引言
高速公路作为现阶段交通运输系统主要模式，其建设逐渐的走入了信息化、智能化的技术发展和应用时代，高速公路各机电系统集成了大量的电子设备，组成了功能齐备的收费系统、监控系统、通信系统、供配电系统及照明系统，极大支撑了高速公路的运营管理。然而因高速公路环境因素，各系统设备容易受到雷击或感应干扰,产生缩短设备使用寿命、损坏设备、丢失数据或导致系统瘫痪等问题,甚至还可能引发人员触电伤亡事故。因此通过探讨分析机电系统设备的防雷，采取措施保障机电设备正常运作，具有重要的意义。
一、概述
高速公路机电设备种类和数量很多，其中不乏有集成的弱电电子设备，更有价格昂贵的电子设备，且因其安装环境影响，设备受雷电击中、干扰的因素较大。一般情况下，雷击损害高速公路机电设备有两种方式，分别为直击雷和感应雷，由于直击雷打击力度大，电压也很高，相对较强的瞬间会产生大电流，容易大面积造成机电设备的损坏。所以人们常认为直击雷的破坏力比感应雷大，能对机电设备造成严重损坏，因此很容易专注于保护机电设备免受直击雷，而容易忽略感应雷对设备的影响，须不知机电设备中损坏危害大部分不是由直接雷击引起的，而是由于雷击出现时电源线和通讯线中感应的瞬间电流浪涌引起的损坏。其中原因为电子设备内部结构高度集成化，设备耐压或过电流保护性能相应的降低了；此外由于设备信号控制接口增加，线路来源路径相应增多，系统遭受雷电波侵入的途径也增多。因此，进行防雷设计施工时，要重点关注直击雷，也不能忽视感应雷对机电系统的危害性，才能最大限度地减少雷电危害带来影响。
二、雷电对机电设备的危害
众所周知，雷电是人们生活中常见的一种自然现象。是大气中冷空气和热空气相遇时，形成了带正电荷和负电荷的积云，并且云层在移动中带正电荷超出了一定范围，云层和大地上也都会出现电场，但之间的电极特性不同，因此产生雷击放电的现象。由于闪电时电压和电流较大，能对机电设备造成严重破坏，从而产生不利影响，主要包括设备损坏、人员伤亡和系统无法正常运行等三个方面内容，其中设备寿命损坏为对设备最直接影响，造成设备采集数据丢失或信号传输受到干扰。针对雷电危害的影响，其主要通过两种方式入侵，第一种是雷电流通过管线或金属导体损坏相关设备，第二种是疏流通道和闪电通道的雷电电脉冲和电磁产生电磁场、电容、电感或电阻等方法，对接地线或金属导体产生电涌而造成设备损坏，致使系统设备瘫痪而影响正常运营管理。
三、机电系统防雷接地组成部分
防雷接地可以是通过防止因雷击而造成损害，也可以是通过静电接地,防止静电产生危害。机电设备的防雷系统主要组成通常包括雷电接收装置（如避雷针、接闪器、架空地线等）、接地线（如金属引线导体）和接地装置（接地角钢、扁铁、等电位接地装置）等三部分，通过对机电设备中的防雷装置将雷电流及时释放送入大地，以获取对设备的保护，是高速公路机电系统设备分解雷电的最佳方式。一般用建筑保护物的耐雷水平来计算对设备的防雷，其反映承受最大雷电流冲击而不至于损坏时的电流值（单位Ka），因此通过计算后选配安装接地装置，选取合适的防雷器能更换的保护设备，通常室外设备的防雷接地电阻为不大于10欧姆，实际施工时均须按标准进行接地极或接地网的施工及检测，保证雷电流能及时释放至大地。
四、机电设备防雷接地综合技术
为有效控制直击雷、感应雷及地电位反击受雷害途径，避免雷击对设备、人员的伤害，我国在治理雷电灾害方面提出了“整体防御，综合治理，多重保护，层层预防”的基本原则，可采用隔离、钳位、均压、滤波、屏蔽、过压与过流保护、接地等设备防雷的综合技术，将雷击的过电压、过电流及雷电电磁脉冲消除在设备外围，从而起到保护电子设备的作用。
（一）直流工作接地
在高速公路机电设备中，直流电源主要为备用UPS蓄电池和通信EPS电源，而直流工作接地的作用通常是利用大地作良好的零电位，保证通信系统获得一定基准电压,减少电路间的耦合,降低干扰的影响,减少电气元件的电化腐蚀,提供回流馈线的作用，保护设备可靠运行。当雷击产生雷电流或雷电压时，能有效的得到释放，起到保护设备的作用。
（二）交流工作接地
交流工作接地指将三相交流负荷不平衡感应器的中性线上的不平衡电流释放至大地，以及减少中性点电位偏移，保证各相负载设备的正常运行。变压器是常用的交流电源，通常有户外型和室内型变压器，室外变压器通常在架空电网T接后接入，当架空线路受到雷击时，雷电流会通过导体线路向变压器进发，为了确保变压器各相电流平衡，就需要将变压器中性点接入地下，做好交流设备的工作接地，并配置刀闸断路器、电涌保护器设备，进一步保护设备。
（三）保护接地
保护接地是为防止设备绝缘损坏伤害人身安全而将设备机壳与大地连接。机电设备由于一直处于工作状态，是带电体，当机电设备长时间运行后与其他东西发生碰撞会造成长时间的设备绝缘损害。所以设备维护人员要不断对设备进行监控，保持设备不带电的金属部分与大地进行有效的连接，待发生雷电时，可以将强电压有效泄入到大地中，且在设备漏电时，通过接地装置将两极的电流自动向大地排泄，起到保护设备和人身安全作用。
（四）防雷接地
防雷接地是将设备遭受雷击时防雷器承载的大电流泄放入大地而将防雷器一端与大地连接的方式。当高速公路雷电接收装置被雷电击中后，机电设备就会行成直击电流和感应电流等危害，为了保证雷电能够安全地泄到大地中，设备要安装有相应的防雷系统，配置避雷器、引下线及避雷器等装置，通常机电设备的防雷接地电阻要求不大于10欧姆，这样才能确保雷电流有效的泄入大地之中。
（五）联合接地
所谓联合接地就是将保护接地、工作接地和防雷接地等统一接入相同的一个的接地网里，其电阻值要求为单独接地时最低值，通常高速公路机电的联合接地为不大于1欧姆。若同一区域的机电设备采用联合接地后，当雷击有强大的雷电电流释放进入大地，大地的电位会相应升高，而所有设备的接地线同一连在了一个接地系统里，各设备的地电位与大地同时升高，不存在电位差，从而不会因雷击时地电位反击电涌造成设备损坏。
（六）其他新型的接地技术
因传统的接地网或接地极多为金属材料，施工改造周期长，消耗的人力、材料及物力较大，普遍运营几年后接地网整体腐蚀严重，接地电阻回升，难以满足接地保护的要求。因此，为能保证外场设备的防雷接地，一些新型的接地材料如免维护化学接地系统、低电阻接地模块、长效接地极、石墨电极等逐渐广泛应用，有效改善了受地理环境限制而无法满足接地的问题，更好的起到了防雷保护的作用。
五、各机电系统设备防雷技术措施
（一）监控系统设备的防雷技术
高速公路主线上主要安装的监控系统设备包括了闭路电视监视设备、信息诱导发布标志、气象检测及车辆检测等设备，因设备安装在空旷地带，配合高大突出钢构件门架或立柱安装，其安装位置相比地面较为突出，是最容易遭受雷击影响的。因此，在进行项目设计、施工阶段，均需做好完善齐全的防雷接地方案，并在验收时重视设备防雷接地检测，确保能达到规范标准要求。
通常外场监控设备的门架和立柱都设计有避雷针，其高度为1.5m至2.5m，安装固定在钢构件上，一般用40*4mm的扁钢连接避雷针和基础接地网，作为接地引下线，而接地极或接地网的制作为在基础施工时完成，并采用接地电阻测试仪器进行检测合格后与引下线连接，形成有效可靠的接地。详见下示意图：
（二）收费系统设备的防雷技术
高速公路收费系统设备主要由出入口车道收费设备、内部有线对讲及紧急报警系统、闭路电视监视设备、收费站设备及计算机网络等组成，收费设备的安装位置基本为在雨棚下或站房内，机电的接地网一般与监控楼、收费雨棚建筑的防雷接地进行连接，形成等电位的联合接地，各设备的联合接地电阻标准为不大于1欧姆。为保证收费设备的可靠接地，通常设置等电位的接地汇接排，设备用接地线统一接入，同时在配电箱端用各级出线安装SPD电源防雷器、浪涌保护器或电涌保护器，如果被直击雷击中或感应电压，均有可能从供电线路传输感应电流，岛设备端并造成设备损坏。然后收费设备大部分为计算机电子设备，除了基本的供电线路外还包括了视频、音频、控制及网络信号线缆，这些均为雷电流侵入的途径，因此在设备端还要考虑安装相应的视频信号防雷器、音频信号防雷器等设备，通过各级增加防雷设备，最大限度的防御和减轻雷电灾害对收费系统及计算机网络的损坏。
（三）通信系统设备的防雷技术
高速公路的通信系统设备主要为光纤数字传输设备、数字程控交换设备、通信电源及传输线路线路，通常在通信机房雷采用等电位的联合接地。通信系统是连接各设备与收费站、收费站与监控中心的传输链路，是其他系统的传输和控制的中枢神经，保障通信设备的正常运作是保障正常运营管理的前提条件。
其中通信电源一般为直流-48V供电，通信设备多为采用二次电源模块供电，设备的工作电源与-48V直流的供电是隔离的，且电源模块内部集成有过压和过流保护装置，可以在瞬时截止并保护电源模块不受雷击的损坏。为保障通信站设备电源由于雷击造成过压损坏通信电源，在安装时也要配置安装电源防雷器。而布设在室内用于传输的信号线，也会因雷击而感应到极强的雷电磁场，其产生的电压足够一次性的破坏所有的信号线，即使感应的电压不高，没有达到一次性破坏设备的能力，但多次的过压冲击都会加速设备、线路的老化，影响设备运作和数据传输存储，因此在线路上选取高性能的防雷设备，能有效的降低雷电压。
（四）供配电系统设备的防雷技术
在高速公路的机电设备建设工作中，电源系统是最容易受到感应雷攻击的，而在实施防范技术时，只依靠避雷器或者避雷针无法对电源系统进行有效的防护，只能通过完善好接地网施工来解决这个问题，技术人员应当积极研究电源的接地方式以及整体电路布局，并且注重优化电源配置，不能为了节省经济成本而选用一些劣质产品，这不仅会给机电设备的运行造成不良影响，还会严重威胁工作人员的人身安全。因此，对重要的低压配电系统的防雷应分三个区，如果只做单级防雷就可能会发生因雷电流过大而导致泄流后残压过大或因防雷器保护能力不足引起设备破坏，对电源系统多级防雷保护可有效防范从直击雷到工业浪涌的各级电压侵袭。
电源系统的的防雷措施首先工作人员应当在输电线路的选择上，选取绝缘性能优良的材料，而在与电源进行连接时，必须要保证低电压一端的零线、电缆金属外壳接地端连接到地上。为了保证安全，也可以选择将输电线路深埋地下的方式，但这样就要对电线进行防腐蚀和抗潮湿措施，并且要对露出地面的部分进行重点防护。此外，也可以设计安装一些电压电流的感应设备，一旦电流出现异常情况，及时响起警报来通知技术人员查看，并设计自动跳闸的功能。保证在出现雷击事故的第一时间能够切断故障区域的电力流通，防止引发更大规模的电路故障。
（五）照明系统设备的防雷技术
照明系统通常指为安装在高速公路主线上、隧道洞内、服务区及收费广场上的照明路灯，其特点是固定在较高的灯杆上方，通常使用节能的LED灯具来安装。由于LED灯具自身的特性十分容易受到雷电电波的影响而产生故障，因此在设计或施工安装时，需要在灯杆的顶部安装接闪器或避雷针，同时确保光伏板、灯具等都在接闪器的保护范围内，并对灯杆的防雷接地，从而提高照明路灯的防雷措施。
照明设备的防雷首先考虑开关电源，雷击的侵入往往是由AC电线导入，先被侵害的主体应该是开关电源，其作为LED灯具的一个重要组成部件，可采用专用线路为其供电，避免周边有大型的机电设备在启动时产生浪涌冲击；合理配置安装刀闸，逐级进行开或关动作，这些都可有效地避免带来操作浪涌冲击，从而使得LED驱动电源能更可靠的工作。此外，在电源线路位置上，照明系统工作时通常会受到电磁感应或静电反应影响，而产生突峰电流或电压，从而损坏灯具设备。为避免灯具被损坏，技术人员还应安装灯具专用的浪涌保护器，实现对过电压或过电流的保护，从而起到照明系统的防雷保护效果。
结束语
随着智能交通的发展建设，机电设备在运营管理方面突出了重要的地位，但由于设备安装位置的特点，决定了易遭受雷电侵袭和干扰，一旦外场某个监控设备遭受雷击，可能会造成该处设备数据丢失，甚至导致系统或部分设备损坏，从而造成交通监视盲区。因此，在高速公路建设之初，建设各方均须广泛重视机电设备的防雷问题，充分考虑直击雷、感应雷的危害并制定了相应的防护措施，建设合理的防雷接地网，良好的雷电屏蔽措施，配置合理的避雷器，确保设备有最佳的防雷效果，从而为高速公路营运管理保驾护航。
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论文作者:黄常基
论文发表刊物:《建筑实践》2019年第09期
论文发表时间:2019/8/15
标签：防雷论文; 设备论文; 雷电论文; 机电设备论文; 高速公路论文; 系统论文; 电流论文; 《建筑实践》2019年第09期论文;