高速公路监控设施防雷保护设计

      雷电是一种常见的自然现象，它会对人体及电气、电子设备等造成巨大的破坏作用。雷电灾害涉及面广，电力、建筑及交通等行业都存在如何抵御雷电灾害的问题。
目前，我国高速公路正处于飞速发展阶段，交通工程领域涉及高新技术较多，但对防雷保护的设计考虑不足或不完善，致使不少机电设备被雷电损坏，造成不小的经济损失。本文以监控系统为例，介绍有关高速公路机电设备如何进行防雷保护的设计。
一、 监控设施防雷的必要性

现代防雷工程主要是对建筑物、人身及设备、设施的保护，使其免于雷电灾害的影响。

雷害途径有很多种，有直接雷（包括反击雷），还有间接雷，它包括供电线路感应雷电流或雷电流通过线路侵入，这几种方式都会造成设备不同程度的被损坏。

对每条高速公路来讲，监控系统设备主要分布在监控中心及道路沿线外场区域。监控设施多为信息电子设备，以计算机为核心、微电子芯片为基础，极易受到雷电电磁脉冲的影响及破坏，对防雷要求较高。

高速公路监控中心大楼多按照智能信息楼宇规模建设，本身的防雷保护能力较强，其内的信息电子设备处于较好的防雷保护区域内。按照防雷保护区的划分，监控中心设备处于LPZ3区，没有直接雷的威胁，并且脉冲电流残压较小，使用一般的措施就可以达到防雷保护的作用。

但监控外场设备，布设于道路沿线，暴露于恶劣的自然环境之中，处于LPZ0A/0B或LPZ1区，其中有的设备如遥控摄像机、大型可变情报板等还有被直接雷打到的危险，使用一般的措施达不到防雷保护的目的。此时就需要采取功能更加齐全的措施来保护外场设备，避免出现设备被雷电损坏的现象。

二、 监控设施防雷保护设计

防雷保护的措施也有很多种，如使用接闪器、引下线、接地装置，并使用共地、等电位连接、屏蔽及电涌保护器（SPD）等，但防雷保护不能仅靠某一个设备来完成，而是需要对系统整体进行考虑和设计，限制雷电引起的各种过电压对设备的影响，使其达到一定的防雷保护能力。

上面已经谈到高速公路监控系统进行防雷设计所要保护的对象为监控中心及道路外场监控设备，不同设备所采用的防雷保护措施根据设备的重要性、所处雷击环境有很大的不同。

监控设施供电多位一级负荷，需要一周7天、一天24小时的连续工作，每个设备对系统的重要性都不能轻视。但监控中心大楼设备和道路沿线设备所处雷击环境差异很大，所以两部分设备的防雷保护措施应分别考虑。

监控中心大楼具有良好的防雷保护能力。首先，大楼顶部均设有避雷针、避雷带等直接接闪器，可以防止直接雷对大楼本身及内部设备的破坏。其次，监控大楼均有良好的接地系统和等电位连接的设置，使侵入或感应的雷电流能够最大限度的被泄放或分流，每个终端信息设备所直接面对的脉冲电流残压较小。所以在监控中心大楼内监控设备只需考虑对这种感应或侵入雷电流的防护即可。由此可见，设备外部防雷是系统防雷保护的基础，它可以使信息电子设备处于一个良好的防雷保护区域内。

然而，布设于外场的监控设备，没有任何建筑物的保护，直接在雷击的威胁之下，其防雷保护措施就需要特别对待。

外场设备按照不同雷击条件还可以进一步分成两种：一种是容易受到直接雷影响的设备，如遥控摄像机等；另一种是很少受到直接雷影响的设备，如车辆检测器等，其雷电灾害多为感应雷和电磁脉冲的侵入。

前者因受到直接雷害的威胁，需要设置避雷针等直接接闪设备，雷电流通过引下线泄入大地中，并且外场设备由于有防护罩或机箱的屏蔽，基本处于LPZ1防雷区内，此区域内设备虽然被雷电直接击中的几率较小，但仍然无法避免反击雷、感应雷对其的破坏作用，需要使用等级较高、可以泄放直接雷的电涌保护器及良好的接地系统。

通过第一级的泄放，雷电流能量被大部分消弱，但存在与线路中的残压对设备仍有破坏作用，需要设置另一级电涌保护器件来彻底泄放残余的雷电流。

另一种外场设备因没有直接雷的威胁，多为感应雷和电磁脉冲的侵入，并且感应雷与直接雷相比，对设备的破坏作用较小，只需设置一级电涌保护器就可以达到设备防雷保护的效果。但有一点需要注意，所谓的很少受到直接雷影响的设备，并不是百分百的不会受到直接雷击，只是考虑到设备高度、结构，并结合工程实际，得出的经验性结论。所以，在进行工程设计时，应根据道路所处地区环境、雷击条件及其他实际情况，区分对待。有可能同一种设备，在这条路上可以不考虑直接雷对其的影响，但在其他路或同一条路的不同区段就必须考虑直接雷对它的影响。

监控设备都存在电磁脉冲侵入的威胁，不管是处于监控中心或是外场，雷电流通过电力电缆或通信电缆侵入设备系统中，会对设备造成损坏。所以，监控设备供配电电缆及通信线路也要采取相应的防雷保护措施。

对线路的防雷保护主要从三个方面去考虑。

1. 为了防止雷电在线路上感应出过电压电磁脉冲，需要对电力及通信线路采取屏蔽保护措施，采用带屏蔽层的电缆，并在线路两段做屏蔽接地处理。

2. 在电缆进出建筑物时，应在分界处采取屏蔽层接地等措施。

3. 为了防止雷电流通过通信线路侵入设备，需要在关键设备通信端口前加信号浪涌保护器。

三、 监控设施接地制式选择及应注意的问题

接地系统是防雷保护的基础，没有良好的接地系统，采用再好的浪涌保护装置也无法将雷电流泄掉。

高速公路监控中心及外场设备接地多采用TN-S系统。

从监控中心大楼低压配电柜处引一条回路到监控配电箱，在从配电箱引出多条回路到用电设备，并且用电设备需要在监控机房内进行重复接地。

从变电所低压开关柜引出一条回路进入同在变电所的监控总配电箱，然后再传到各个外场设备处。这里需要注意的就是外场设备重复接地的问题。如果设置重复接地，需要在设备本地做一个接地极，作为保护地，与电源的PE线连接，并且当设备设置避雷针时，保护地应与避雷针的防雷地分开设置，彼此离开20米的距离。

四、 电源浪涌保护器的选择及设置

电源浪涌保护器是综合防雷体系的有效环节，是内部防雷保护的重要组成部分。它可以泄放雷电流，限制过电压，对电气、电子设备起到保护作用。电涌保护器分为电压限制型、电压开关型和复合型，其具体功能如下：

1. 限制沿进线侵入的雷电过电压

2. 限制地电位升高引起的反击雷

3. 限制雷电电磁场感应出的过电压

电源浪涌保护器的主要参数有电压保护水平Up、通流容量Imax及最大持续运行电压Uc。

电压保护水平Up应小于被保护设备的冲击耐受电压或抗干扰度，并且应该大于电网最高运行电压值。电压保护水平与设备冲击耐受水平应彼此配合，并留有足够的裕度。电涌保护器应设置在任何两个防雷区的交界处，特别是户内与户外的交界处。电涌保护器还应再不同位置采用不同保护等级的设备。

通流容量Imax体现了电涌保护器的泄流能力，对有避雷针的设备，低压配电系统采用电缆进线时，进线处应安装最大放电电流Imax为100kA或65kA（8/20μs波形）的电涌保护器。并在离被保护设备尽量近的地方安装最大放电电流Imax为8kA（8/20μs波形）二级电涌保护器，且与进线电涌保护器级联布置。

对无避雷针的设备，应根据当地的雷暴日、地形及监控设施需连续供电的需求，选择用于进线保护及二级保护的电涌保护器。一般分别采用65kA（8/20μs波形）及8kA（8/20μs波形）的电涌保护器。

最大持续运行电压Uc是保证电涌保护器可靠长期工作及防止设备老化、电压保护水平降低的重要性能指标。其受电网标称电压、电网接地制式影响很大。

为了提供最佳的选择，实际选用电涌保护器时采用分级配置。第一级保护应能承受绝大部分雷电流，第二级配置泄放残余雷电流，限制设备断的残电压，同时与第一级保护配合使用。

为了防止电网中电压波动及经常出现的脉冲电流的影响，在电涌保护器前加装小型断路器，使电涌保护器的寿命得到延长。
五、 信号浪涌保护器的选择及设置
为了防止雷电流从通信线路侵入设备中，对设备端口及传输数据造成影响，需要在通信线路端口出线端加装信号浪涌保护器。目前常用的信号浪涌保护器有保护视频的BNC接口信号浪涌保护器、保护以太网数据的RJ45接口信号浪涌保护器以及保护控制线路的串行口信号浪涌保护器。
信号浪涌保护器的选择相对比较简单，但值得注意的是信号浪涌保护器在保护线路不受电磁脉冲干扰的同时，不得影响通信线路本身的通信质量，其对线路信号的损耗应尽量低。
六、 高速公路监控系统典型防雷保护方案
（一） 监控中心设备：

1. 监控中心设备供电引自监控大楼总配电柜，从总配电柜到监控配电箱进线前加装Up=1.2kV、Imax=8kA（8/20μs波形）电涌保护器。
2. 监控以太网交换机至通信接入网接口前加装RJ45口信号浪涌保护器。

3. 监控机房设备采用TN-S接地制式，保护接地电阻不大于4Ω。并采用等电位连接，使雷电流能够在最短时间内泄流、分流。
（二） 外场设备

1. 监控外场设备供电引自就近变电所低压开关柜，监控总配电箱放置于变电所室内低压开关柜旁边，由于低压开关柜采取了防雷保护措施，并且与配电箱很近，监控总配电箱不设置防雷保护设备。

2. 遥控摄像机、大型可变情报板等较高设备加装避雷针，并采用Up=1.8kV、Imax=65kA（8/20μs波形）和Up=1.2kV、Imax=8A（8/20μs波形）的两级电涌保护器。
3. 车辆检测器、气象检测器及小型可变情报板只需加装Up=1.2kV、Imax=8A（8/20μs波形）的电涌保护器。
4. 外场设备采用TN-S接地制式，对关键设备进行重复接地，保护接地电阻不大于4Ω，防雷接地电阻不大于10Ω。
5. 在遥控摄像机视频输出端口加装BNC接口的视频信号浪涌保护器，在其余设备控制端口前加装串行口信号浪涌保护器。
防雷保护系统需要结合机电、供配电及房建设施进行设计，并对相关设施提出不同的要求，使整个系统达到防雷保护的能力。防雷保护技术处于不断的发展和完善之中，防雷保护产品也在不断的更新换代，大量的工程实际经验和防雷实验对防雷保护理论的发展都起到了促进作用。高速公路监控系统应该根据自身的特点进行防雷保护设计，使系统能够免受雷电灾害的影响。