高速公路（收费站）雷电及过电压防护

◆背景描述

雷电的危害具有很强的破坏性，主要危害途径有直击雷、雷电感应、雷电波侵入和地电压反击四种形式。从我国第一条高速公路投运至今，高速公路（收费站）的机电系统都不同程度地遭受雷电侵害。轻者部分设备被雷电击坏，系统丧失部分功能，重者全系统瘫痪，经济损失惨重，更有甚者，因系统频繁遭受雷电侵扰，系统不能正常运行，全部系统功能尽失，给交通安全带来极大隐患。

高速公路（收费站）的机电设备特点是点多、面广、线长，既有强电设备，又有大量的监控、通信、传感等弱电设备，旷野区域往往有突出的设备点，电力线路往往要翻山越岭，传输和控制线路往往经常穿越复杂的地质层面，这些都是易遭雷击或雷电感应的薄弱点。如何有效地预防雷害对高速公路机电系统设备的侵害和确保工作人员的安全，必须根据实际情况设计高速公路（收费站）机电系统设备的防雷系统，实施针对性的防雷措施。

◆挑战与需求

1、高速公路机电系统雷电电磁脉冲干扰的入侵途径主要为： 

1）直击雷侵害途径：公路经过的地区一般地势平缓，收费站的建筑物常常为附近最高点，加上安装高杆灯后，更易遭直击雷雷击的侵害。

2）雷电侵入波途径：收费站地处郊外，供电线路一般均均采用架空电缆，雷电波会经由供电线路侵入用电系统损坏终端电子设备。

3）地电位反击：公路的路基、路面施工造成了沿路一线的封导电率的变化，使公路沿线、收费站建筑物附近区域成为易落雷的区域，当雷电瞬间落在地面（或通过高耸的金属导体引下）时闪络的雷电流流入大地会在附近地面间产生非常高的瞬时电压，形成雷电侵害态势造成接触电压和跨步电压伤及人身安全，地电位的瞬时升高会与工作接地间存在电位差形成地电位反击态势足以损坏收费站内（沿线）的微电子设备。

2、通信（移动）基站雷电防护思想：

1）直击雷防护措施：高速公路（收费站）外部防雷是利用沿线的监控设施杆（高杆灯）提供直击雷防护措施和直击雷雷电流泄流通道体，使直击雷不会直接击在监控设施和电源设备。外部防雷装置包括三部分：接闪器、引下线、接地装置。

2）雷电感应防护措施：在高速公路（收费站）的电源系统、微电子线路和终端设备加装相对应的防雷器（SPD）有效地防护雷电波（电磁脉冲）对传输电缆和微电子设备的干扰和侵害。

3）地电位反击措施：把直击雷防护装置的引下线以及防雷器的接地线都必须良好的接地以达到快速泄流的作用并且引下线装置都需连接到公共接地网（等电位）。

◆方案与解决

1、高速公路（收费站）防雷系统结构组成：

1）电源系统（高、低压）配电室。

2）机电设备配电室。

3）电子信息设备系统机房（交换机、服务器、打印机和收费计算机、车道计重设备和车道监控系统）。

4）车道设备（收费计算机、车道计重设备、车道摄像机）。

2、高速公路（收费站）雷电防护内容：

1）直击雷装置; 2）雷电电磁脉冲防护装置; 3）均压（等电位）装置; 4）泄流装置

3、高速公路（收费站）雷电及过电压防护措施技术依据：

1）直击雷装置：依据建筑物防雷标准GB50057-2010《附录D：滚球法确定接闪器的保护范围》第D.0.2条技术参数确定接闪器高度的计算公式，作为有效保护半径技术措施。直击雷防护装置材料需符合GB11032-89防雷器材指标要求。

2）雷电电磁脉冲防护装置：根据GB50057-2010建筑物防雷设计规范和GB50343-2012建筑物电子信息系统的防雷设计规范（第5.4.条规定，参照5.4.1-1图、5.4.1-1表和5.4.1-2表、5.4.2条、5.4.2-1表、5.4.2-2表、5.4.3条、5.4.4条、5.4.5条、5.4.6条、5.4.7条、5.4.8条、5.4.9条之技术参数）的要求，依据GA267-2000计算机信息系统雷电电磁脉冲安全防护规范的第8.3.1（表1参数）、第8.3.2.1（表2参数）、第8.4.1（表3参数）、第8.4.2.2（表4参数）、第8.5.1（表5参数）、第8.5.2.2（表6参数）的技术要求在高速公路（收费站）电源系统、微电子（信号）系统的线路和终端设备加装相对应的防雷器（SPD）防止传输线路中感应雷的雷电波/流侵害机电（微电子）设备及人员的操作安全。

3）均压（等电位）装置：根据GB50343-2012 建筑物电子信息系统的防雷设计规范的要求，参照规范第5.1.2条、第5.2.1之规定和GA267-2000计算机信息系统雷电电磁脉冲安全防护规范的附录A雷电防护区等电位连接图、附录B计算机机房导电物体等电位连接图之要求设计等电位（均压环）保护措施。

4）泄流装置：依据防雷规范GB50057-2010/GB50343-2012/GA267-2000要求设计接地装置的阻抗值，接地装置安装实施流程参照接地装置示意图D501-1～4建筑物防雷设施安装规范。    

4、高速公路（收费站）雷电及过电压防护具体措施：

1）直击雷防护：直击雷防护装置是高速公路（收费站）不可或缺的雷电防护重要基础条件，是高速公路（收费站）的防雷系统保护不可忽视的重要组成部分之一。高速公路（收费站）的收费棚和电源（机电设备）配电房建筑物（体）直击雷防护装置可采用φ10的圆钢（刷银粉漆）在楼顶构筑接闪带，另外用φ10的圆钢做接闪带支撑，支撑高度15cm，每隔1m设一支撑，并用40×4mm的镀锌扁钢作为引下线与地网（地网电阻应小于规范技术参数要求）连接，引下线的间距应不大于25米（或采用接闪器作为直击雷防护措施，用40×4mm的镀锌扁钢作为引下线与地网连接，接闪器的高度、安装位置应根据滚球法进行计算）。

2）安防系统与照明系统直击雷防护：高速公路（收费站）安防监控系统（室外）摄像机、照明系统（室外）高杆灯应置于接闪器（或其它接闪导体）有效保护范围之内。采用将接闪器架设在摄像机和高杆灯的支撑立杆上，引下线可直接利用摄像机和高杆灯本身的金属立杆（也可采用Φ8的镀锌圆钢或30×3镀锌扁钢），但为了防止电磁感应，沿杆引上摄像机和高杆灯的电源线和信号线应穿金属管敷设，金属管应可靠接地。

3）车道设备直击雷防护：高速公路（收费站）机电设备分别布设在机电设备配电房和收费棚的车道之间，布设在机电配电房内的设备一般不会遭受直击雷，而布设在收费棚车道之间的机电设备，多数处于相对的开阔地带，直击雷风险较大，则必须考虑直击雷防护问题。

4）机电设备电源浪涌保护措施：按照电源系统浪涌分级泄放原理和依据GB50057/GB50343防雷规范要求在低压配电房、机电设备配电房（UPS电源）、收费棚（车道设备）电源装置的电源输入与输出端口安装相对应的电源浪涌保护器作为电源线路、机电设备的电涌保护装置。

5）微电子设备信号浪涌保护措施：按照微电子（信号）系统浪涌分级泄放原理和依据GB50343-2012防雷规范第5.5.2条、第5.5.3条、第5.5.4条、第5.5.5条、第5.5.6条、第5.5.7条的技术参数要求在网络终端设备（路由器、网络交换机、服务器、PC机）、计量系统终端设备（传感器、接线盒、称重仪表、微机）、监控系统终端设备（视频矩阵、硬盘录像机、摄像机、解码器和电源线、控制线、视频线）和火灾自动报警装置、消防联动控制系统、移动通信系统的终端设备输入与输出端口安装相对应的信号浪涌保护器作为微电子（信号）设备的电涌保护装置。

6）高速公路（收费站）传输线路直击雷防护：为了使传输线路免遭直击雷侵害造成的雷电感应，传输线路应尽量避免架空敷设，最好是穿金属管埋地敷设，金属管的两端应可靠接地。

7）防雷接地系统：高速公路（收费站）防雷系统所有防雷装置系统均应有可靠、有效的接地，接地系统亦是收费站运行机电设备防雷保护的必要组成部分之一（机电设备系统前端、终端均应有良好的防雷接地，相应接地系统应符合规范要求。无论前端还是终端设备的接地系统相互之间应做等电位连接）。接地装置的布置与实施应根据防护对象和防护参数确定，接地阻抗值应符合防雷规范（设计）要求和使用条件。

8）敷设布线注意事宜：在机电设备施工中许多布线人员因对防雷知识了解有限或者图简单方便，习惯于将户外走线线路与建筑物接闪带、引下线（高杆灯立杆、摄像机立杆）相互捆绑。方便了工程施工与影响美观的同时，也带来了较大的防雷安全隐患。这一点是值得重视和注意的，为减小雷害风险，任何导线/金属线路均应尽可能避免与直击雷防护系统平行捆扎（布线应实施屏蔽措施），而应依有关规范要求合理布线。

◆方案实施 （产品选型）

1、直击雷防护装置

1）GFL系列接闪塔; 2）普通接闪器; 3）优化接闪器; 4）提前放电接闪器。

2、雷电电磁脉冲防护装置（SPD）

3、泄流（接地）装置

1）铜包钢接地极; 2）离子接地极; 3）石墨接地模块; 4）等电位连接器。