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      高速公路機電系統的雷電過電壓保護
      發布時間:2014-7-15

      北京愛勞高科技有限公司 王宏民
      摘要:高速公路機電系統防雷工程還沒有相應的行業技術規范標準,解決這一問題需要依據國家有關防雷法規,結合高速公路防雷的特殊性,引入雷電保護區的概念。將高速公路的監控、收費和通信三個系統劃為幾個保護區域,并按電磁兼容的要求確定過電壓保護器的安裝位置。
      關鍵詞:機電系統  雷電過電壓  電磁兼容  保護區  
      近年來雖然對高速公路機電系統監控、收費和通信系統的防雷接地進行了大量的改進,但雷電產生的浪涌電流還是造成有關設備的損壞,雷擊使供電系統和信號中斷的事故時有發生。由于雷擊造成設備損壞事故的90%是過電壓引起的,因此對高速公路系統的雷電過電壓的保護就更為重要。高速公路系統雷電過電壓保護并非是簡單的、單一的雷電過電壓保護器件應用,而是應用電磁兼容的原理,根據雷電保護區的劃分,對高速公路系統進行綜合、多級雷電過電壓保護。
      1.電磁兼容原理將傳統的或單一的防雷措施歸結為整體防雷保護
          高速公路傳統的局部的防雷措施主要為采用富蘭克林避雷針進行雷電的直擊雷防護和按照相應的標準做好接地系統。采用這種單一的防護措施已經不適合于電子信息系統,即采用傳統的防雷措施已經不能滿足電子信息系統的雷電防護的要求,國家標準《建筑物防雷設計規范》GB50057-94(2000版)體現了對于大量使用電子設備的系統一定要根據電磁兼容(EMC)原理,把局部或單一的防護措施歸結到系統防雷,即整體防護的概念。
      以前,高速公路機電系統由于缺乏整體的觀念,導致在高速公路的電源供電網絡產生雷電過電壓造成供電中斷。有些高速公路可能在雷電防護薄弱環節的不同點安裝了過電壓保護器SPD,但各類防護器件之間不能相互協調、相互之間不能控制,對雷電過電壓器SPD起不到聯合保護的目的。由于防護器件在設計時,其防護性能僅僅是從被保護設備本身的需求,例如高速公路供電線路的雷電防護,各級防護器件是相輔相成的,互相影響的,此時用以局部防護的過電壓器件不能有效的發揮其防護性能,而且影響到供電系統整體的防護。
      高速公路的監控系統或收費系統或通信系統的雷電保護區按照需要保護的區域不同,將它們劃為幾個保護區域,并按電磁兼容的要求確定過電壓保護器的安裝位置。引入雷電保護區的概念使得在各個區域內分界處的雷電沖擊依次減小,這是因為各個區域內的供電系統的電源設備、計算機設備、監控設備和通信設備能承受的雷電過電壓能力是不同的。因此,設計一個適應于各個區域內雷電過電壓方案是很重要的,這使得易受雷電過電壓破壞的相應設備基本的承受能力不致于被超過。
      2.雷電保護區域的劃分及防雷保護
      2.1雷電保護區域的劃分原則
          將需要保護和控制雷擊電磁環境的建筑物空間,從外部對內部劃分為多個不同的雷電防護區域(LPZ),以規定各部分LPZ空間內的雷電電磁脈沖(LEMP)的強度變化的嚴重程度,以便采取不同的防護措施。如圖2.1所示,對于收費站一個欲保護的區域,從電磁兼容的角度出發,可由外到內分為幾級保護區,收費站建筑物外部是直接雷擊的區域,在這個區域內的設備最容易遭受損害,危險性最高,是暴露區域,稱為0區。而0區內的各類物體都可能遭到直接雷擊,且電磁場沒有衰減,屬于完全暴露的不設防的直擊雷防護區域稱為LPZ0A區;各類建筑物(如監控攝像頭)很少遭到直接雷擊但本區電磁場沒有衰減,屬于充分暴露的直擊雷防護區域稱為LPZ0B區。建筑物內部及通信設備不可能遭到直接雷擊,流經各類設備導體的電流比LPZ0B區進一步減少,由于建筑物的屏蔽措施,其建筑物內部設備的金屬外殼,所處的位置為非暴露區,可將其稱為LPZ1區、LPZ2區,越往內部,危險程度越低,雷電過電壓主要是沿線引入。保護區的界面通過外部的防雷系統、建筑物的鋼筋混凝土及金屬外殼等構成的屏蔽層而形成的,電氣通道以及金屬管道等則通過這些界面。

       

      圖2.1  收費站雷電保護區域劃分的示意圖
      2.2防直擊雷裝置的要求
          在防雷工程設計中應采用有理論依據、經實踐證明行之有效,并經部級主管部門鑒定合格,且取得ISO9000體系質量認證的產品。被保護建筑物及樓頂所安裝的各種天線(包括拋物面天線)應有防直擊雷裝置,所有被保護對象都應置于接閃器的保護范圍內,即LPZ0B防雷區內。接閃器可由避雷針、架空避雷線及架空避雷網任意組合而成,其材料宜采用直徑不小于10mm的圓鋼或截面積不小于78mm2的扁鋼。若防直擊雷裝置采用傳統的避雷針,一旦避雷針落雷時,會在避雷針、引下線和接地電阻上產生很高的電位和大電流,造成強烈的二次效應。為了減少雷電流的二次雷擊效應及接地裝置的高電位反擊效應,防直擊雷裝置也可選用其功能具有衰減雷電流幅值及陡度的新型防雷裝置。
      2.3雷電保護區供電系統的分級保護
      交流供電系統應采用TN-S制,即三相五線制(單相三線制)供電方式。在這種供電方式的整個系統中,具有單獨的中線N和保護接地線PE;在系統中,中線N與保護接地線PE分開。根據供配電線路導體長距離傳輸的特點、防雷器件的特性、來自線路雷電流的強度,以及配電系統中各部分的耐電水平,必須采用多級、分級防雷保護。
      對用戶供電系統預防LEMP,一般采用用戶總電源、用戶分電源、設備工作機房電源等多級保護方法治理,分級配置“進戶”、“進室”、“單機”及“直流”電源過電壓保護器予以保護。如圖2.2所示,入戶電力變壓器低壓側應安裝三相過電壓保護器SPD1,其雷電通流容量不應低于60kA作為第一級保護;分配電柜線路輸出端配置一臺過電壓保護器SPD2,其雷電通流容量應不小于20kA,作為第二級保護;在設備交流電源進線端配置一臺單相過電壓保護器SPD3,其雷電通流容量應不小于10kA,作為第三級保護。

       

      圖2.2 TN-S供電系統雷電過電壓的保護方式
          對于通信設備、計算機設備和監控設備等使用的整流電源,根據其工作電壓的保護需要,分別選用與工作電壓適配的直流電源過電壓保護器SPD,作為末級保護。
      供電設備的正常不帶電金屬部分應作保護接地,嚴禁作接零保護,其接地線截面積不應小于35mm2,材料為多股銅線;供電系統各個SPD的接地端,應分別連接到強電地的接地匯集線上,從匯集線單獨用導線接至室外地網上,接地電阻應不大于4歐姆。
      對于使用直流電源的設備,其直流工作地的接地線,應從室內接地匯集線上就近引接,其截面積應滿足最大負荷要求,一般為35—95mm2,材料為多股銅線。
      3.通信、計算機和監控系統的防雷保護
      凡是帶有室外架空天線的電子設備,都屬于天饋線路需要采取防雷保護的設備系統。例如雷達、微波通信、衛星數據通信、CCTV閉路監視系統等電子設備。被保護設備的外露架空天線均應置于防直擊雷裝置的接閃器的保護范圍內,即LPZ0區,以防直接雷擊。
      使用同軸電纜作為天饋傳輸系統的電子設備均應選擇其適配的過電壓保護器SPD,以防來自天饋線路引入的感應過電壓波。SPD的接地端應就近與引接到室外饋線入口處的接地線上,同軸電纜的金屬外護層,應在其上部、下部及經走線架進機房入口處就近接地,在機房入口處的接地線應就近與地網引出的接地線妥善連通。
      無論是廣域網或局域網的計算機網絡數據信號線路應根據被保護設備的工作電壓、接口連接形式特性阻抗、信號傳輸速率或工作頻率及傳輸介質等參數選用插入損耗低、閥值電壓不超過線路峰值工作電壓2.0倍的過電壓保護器SPD。其接地端應分別采用截面積為1mm2的多股絕緣導線單點連接至PE匯集線上,從匯集線再用4mm2的絕緣導線連接至機房保護接地的地網上;計算機房采用的交流工作地、直流工作地、安全保護地、過電壓保護器SPD防雷地等四種接地宜共用一組接地裝置,其合成接地電阻應小于2歐姆。當多個計算機系統共用一組接地裝置時,宜將各計算機系統分別采用接地與接地裝置連接。
      CCTV閉路監視系統“視頻/控制”信號線路應分別根據視頻信號線路、解碼器控制信號線路及攝像頭供電線路的性能參數來選擇過電壓保護器SPD。
      視頻信號線路防雷過電壓保護器SPD宜根據攝像頭連接形式、線路特性阻抗、工作電壓等參數選擇插入損耗小、回波損耗大的SPD。解碼器控制信號線路防雷過電壓保護器SPD宜根據解碼器連接形式、線路特性阻抗、工作電壓等參數選擇插入損耗小、回波損耗大的SPD。
      集中供電的信號線路防雷過電壓保護器SPD宜根據攝像頭工作電壓選擇閥值電壓低、啟動時間短、雷電通流容量大、且適配的SPD。在攝像頭視頻信號輸出端和計算機控制室視頻切換輸入輸出端應分別安裝視頻信號線路防雷過電壓保護器SPD。在攝像頭一側解碼控制信號輸入端和計算機控制室控制信號分線盒輸出端應分別安裝控制信號防雷過電壓保護器SPD。
      在攝像頭一側供電線路輸入端安裝一個單相電源過電壓保護器SPD。
      以上每個過電壓保護器SPD的接地端均應可靠接地。攝像頭一側的過電壓保護器SPD的接地端可連接到云臺金屬外殼的保護接地線上,再從云臺金屬外殼保護接地端連接至攝像頭支撐桿地網上,接地電阻宜不大于4歐姆;計算機控制室一側的工作機房應設專用地網,其接地電阻宜不大于2歐姆。各個SPD的接地端應分別連接到機房接地匯集線上,再從接地匯集線引接至專用地網上。工作機房所有設備的金屬外殼、金屬機架和構件,均應與機房接地匯集線相連接。
      在高速公路系統內集中了計算機網絡、程控交換機、無線通信、有線通信、電源、監控等各類子系統,雷電可從各個子系統之間的內部纜線引入,因此應對各個子系統進行有效的過電壓保護。
      4.結論
      高速公路的監控、收費和通信系統防雷是一個很復雜的問題,不可能依靠一、二種先進的設備和防雷措施就能完全消除雷電過電壓的影響,必須采用綜合治理的方法,對癥下藥將各類可能產生雷擊的因素排除,才能將雷害減少到最低限度。
      在雷電過電壓保護上最好遵守下列原則及建議:
      1.根據電磁兼容原理將過去局部的或單一的雷電過電壓保護措施納入到整體、系統的防雷體系;
      2.根據雷電保護區的劃分原則,確立高速公路系統雷電過電壓保護的思路;
      3.根據高速公路系統的供電設備、計算機設備、監控設備和通信設備所處的雷電保護區范圍,在雷電過電壓保護器件的選擇上,應當瞻前顧后考慮其雷電過電壓保護器件的各類參數;
      4.雷電過電壓保護設計中氧化鋅壓敏電阻的壓敏電壓應滿足城市、郊區、山區的需要,要適合中國國情的要求(電力供電,電壓起伏較大的特點)。

      參考文獻:
      ①《建筑物防雷設計規范》GB50057-94(2000版)
      ②《計算站場地安全要求》GB9361-88
      ③《通信工程電源系統防雷技術規定》YD5078-98
      ④《計算機信息系統雷電電磁脈沖安全防護規范》GA267-2000
      ⑤《計算機信息系統防雷保安器》GA173-2002

       

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