防雷技术
引言
高速公路收费站一般由建筑物、供配电系统、收费系统、监控系统和通信系统组成，大都建立与空旷区域，且站内部分设施孤立、较高，雷雨天气时，容易引发雷电，从而对机电系统造成损坏，导致整个系统瘫痪。按照《建筑物防雷设计规范》（GB50050-2010）和《建筑物电子信息系统防雷技术规范》相关规定，建筑物应该有防直击雷措施，电源系统应有防浪涌保护装置。电子信息系统设备由TN交流配电系统供电时配电线路必须采用TN-S系统的接地方式，计算机网络系统、监控系统、通信系统等信息系统应有雷电防护措施，接地系统应采用公共接地系统，接地系统不大于其中最小值1Ω。
雷电侵害高速公路征管所机电系统设备的途径很多，主要包括直击雷、感应雷、高电压反击、雷电波侵入及电磁波辐射等途径。
1高速公路机电系统外部防雷方案
1.1避雷针
1）根据《建筑物防雷规范设计》（GB50057-2010）的规定。监控中心大楼和征管所监控楼为二类防雷建筑。按滚球法(滚球半径45m)设计避雷针。设计方法请参照《建筑物防雷设计规范》附录四的要求，决定避雷针的数目、布局、高度，在设计时应考虑避雷针的抗风。
2）为了减少避雷针的维护，防止避雷针的腐蚀，应在监控中心大楼和征管所办公监控楼顶安装不锈钢避雷针，其高度和数量根据滚球法计算其保护范围能覆盖整栋中心大楼和各类天线，使其能有效防止直接雷击以保护大楼楼顶和各类通讯天线的安全。
3）在公路沿线安装监控摄像头的云台杆顶、收费站广场云台杆顶、高杆灯顶以及LED情报板顶各安装一套不锈钢避雷针，以保护云台摄像头等设施避免遭直击雷危害。
4）在高速公路收费站钢架屋顶上和LED情报板顶左右对称各安装一套不锈钢避雷针，以保护收费站屋顶和LED情报板框架结构免遭直击雷危害。
5）避雷针的引下线最好利用钢结构柱做泄流线，条件不允许时，也可以单独用25mm²以上的铜绞线穿镀锌管屏蔽，并做绝缘处理，从避雷针尖直接以最短路径入地，以减少泄流时的雷击电磁脉冲辐射而损坏微电子设备和室外大型电子显示屏编码控制系统
1.2屏蔽
1）所有与建筑物组合在一起的大尺寸金属部件都应等电位连接在一起，并与接地装置连接。屋顶为金属表面、面金属表面、混凝土内钢筋和金属门窗框架，都必须进行等电位连接后接地。在需要保护的空间内，当采用屏蔽电缆时其蔽层
至少在两端和在雷电防护区交界处做等电位联结。当微电子设备只要求在一端做等电位连接时，可将屏蔽电缆穿金属管引入，金属管在一端做等电位连接。建筑物之间的电缆应敷设在金属管内，这些金属管道从一端到另一端必修电气贯通，并连到各个等电位的连接带上，电缆屏蔽层也连接到这些带上。
2）实践中建筑物或房间的大空间屏蔽是由金属支撑物、金属框架或钢筋混凝土的钢筋这些自然构建组成的。这些构件构成一个格栅形大空间屏蔽。穿入这类屏蔽的导电金属物应就近与其等电位连接后接地。
3）监控系统设备位置应选择在LPZ最高级区和避免设在建筑物的顶层内；当建筑物天面部分的避雷尺寸不符合系统抗干扰的要求时，应在天面加装屏蔽层；使用非屏蔽电缆，入户前应穿金属管并埋入地中水平距离10m以上。如受条件限制无法穿金属管埋地入户，则应加长入户屏蔽管或栈桥长度，金属管或栈桥的两端以及在雷电防护区交界处要做等电位连接和接地。
4）监控设备为金属外壳时，应用最短导线将其与等电位连接。如是非金属外壳时，当设备所在建筑物屏蔽未达到设备的电磁兼容性要求时，应加装金属网或其他屏蔽体对设备屏蔽，金属网应与等电位连接带进行连接。
1.3等电位连接
1）将征管所监控办公楼各层所有可以利用的粱、柱、楼板、墙体的钢筋和金属管线等与建筑物组合在一起的大尺寸金属管件都应该等电位连接在一起，并与个层的金属门、窗连接形成的水平闭合均压环连接在一起与防雷装置相连，做到几乎处处电位相等。这样在闪电电流通过时楼内所有设施立即形成一个“等电位岛”，保证导电部分不产生有害电压差，不发生旁侧闪络放电。完善的等电位连接还可以防止闪电电流入地造成的地电位升高所产生的反击。
2）征管所征费亭多数地处空旷地带，征费亭之间需解决跨步电压，征费亭至办公楼的通道应建成钢结构防雨走廊并建等电位连接，每个收费岛外围内应用40×4的镀锌扁钢连成一个闭合回路，与岛内的票亭金属外壳、预埋金属管件、混凝土的钢筋及金属行架顶棚，也连接成“等电位岛”保护区；为了彻底消除雷电引起的毁坏性的电位差，就特别需要实行等电位连接，电源线、信号线等都要通过过电压保护器（SPD）进行等电位连接，各个内层保护区的界面处同样要进行局部等电位连接，并最后与等电位连接母排连接。
1.4接地
1）将进入监控大楼的各类管线的屏蔽层、机架等在进入在进入大楼前进行等电位连接并接地。在进入设备前进行二次等电位连接后接地。将广场摄像头输出的同轴电缆的外层和其它管线外层在进入大楼前进行等电位连接后接地。
2）将分开的外导电装置用等电位连接导体连接后接地，以减少系统所在的建筑物金属构件与设备之间或设备与设备之间因雷击产生的电位差。利用钢筋混凝土结构的建筑物内所有金属构件的多重连接建立一个三维的连接网络是实现等电位连接的最佳选择（为方便等电位连接施工，应在一些合适的地方预埋等电位连接预留件）。进入系统所在建筑物的各类水管、空调管道等金属管道的金属外层在进入建筑物处应做等电位连接，并与建筑物组合在一起的大尺寸金属件连接在一起，按GB50054的要求做等电位连接之后，接向总等电位连接带，并可靠连通接地。
3）在建筑物入口处，即LPZOB与LPZ1区交界进行总等电位连接后接地，在后续的雷电防护区交界处按总等电位连接的方法进行局部连接，连接主体包含系统本身。
4）利用建筑物的基础钢筋地网作为共用接地系统。如建筑物没有基础钢筋地网，在建筑物四周埋设人工垂直接地体和水平环形接地体。
5）埋于土壤中的人工垂直接地体宜采用角钢、钢管或圆钢；埋于土壤中的接地体宜采用圆钢或扁钢。圆钢直径不小于10mm²扁钢截面不小于100mm²；其厚度不应小于4mm；角钢不应小于40×40×40mm；钢管壁厚不小于3.5mm。人工垂直接地体长度宜为2.5m。人工垂直接地体间距宜为5m，当受条件限制可减少。
6）在高土壤电阻率的地区，降低接地电阻宜采用如下方法：
①采用多支线外引装置，外引长度不应大于60m；
②适当使用降阻剂；
③换土法。
7）在监控办公楼周围应做一环形闭合接地电阻小于10Ω的复式混合地网，浇灌长效降阻剂。
8）收费广场两端的高杆灯可视为独立避雷针，其接地系统应做成辐射形，接地电阻小于10Ω。
9)在高速公路沿线云台杆下各做小于4欧姆联合地网，每个地网做两根引地极，极间距宜大于5m一根作为防直击雷，一根作为设备安全接地。
2.1监控信号系统防雷
1）在监控中心机房计算机网络服务器至网络交换机间安装一只计算机网络信号SPD以保护服务器。
2）在监控中心机房网络交换机至收费亭的微机间的数据线两端各安装一只计算机网络信号SPD，以保护网络交换机和收费亭微机网络端口。
3）在电子显示屏的光端机编码器之后至控制器两端各安装一只数据SPD，以保护光端机、编码器和控制器。
4）收费亭与监控中心有线对讲系统两端各安装音频信号避雷器1个，通流容量5KA.
5）在程控电话传输线两段安装程控电话保护器。
2.3电源系统防雷
1）在监控监控中心大楼和征管所办公楼总配电箱安装一套（WJA60／100KA）的三相电源保护器做为Ⅳ级防雷。
2)在楼层分盘上安装一套(WJA20\40KA)的三相保护器SPD，做为Ⅲ级保护。
3）在UPS电源前安装一套（WJA20\40KA）的三相保护器SPD做为Ⅱ级保护。
4）在UPS电源后或设备电源前安装一套（WJA10\20KA）的单相保护器做为Ⅰ级保护。
5）在收费亭供电线路上安装一套(WJA20\40KA)的保护器
6）广场摄像头头部低压直流供电线路两端各安装（WJA10\20KA）的保护器。
7在高速公路沿线监控摄像头供电线路配电盘输出端各安装一套（WJA20\40KA）的保护器。
8）在高速公路电子显示屏供电电源上个安装一套（WJA20\40KA）的保护器。
结束语
通过对高速公路征管所及各系统设备遭受雷电袭击途径进行分析，设计出了高速公路供配电照明系统、收费系统、监控系统、通信系统和建筑物相结合的防雷系统。可望能够确保高速公路的安全运行，最大限度地预防和减轻雷电灾害对高速公路造成的危害和损失。
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