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    高速公路机电系统的雷电过电压保护
    Time:2014-7-15

    北京爱劳高科技有限公司 王宏民
    摘要:高速公路的监控、收费和通信三个系统的雷电保护区以电磁兼容原理将划为几个保护区域,并按电磁兼容的要求确定过电压保护器的安装位置。
    关键词:高速公路  雷电过电压  电磁兼容  保护区
    近年来虽然对高速公路系统监控、收费和通信系统的防雷接地进行了大量的改进,但雷电产生的浪涌电流还是造成有关设备的损坏,雷击使供电系统和信号中断的事故时有发生。IEC(国际电工委员会)对建筑物的防雷有最新的IEC-61024标准,国内实施了《建筑物防雷设计规范》(GB50057-94),但国内外对高速公路系统监控、收费和通信设备雷电过电压保护确是一个正在研究的课题,由于雷击造成设备损坏事故的90%是过电压引起的,因此对高速公路系统的雷电过电压的保护就更为重要。高速公路系统雷电过电压保护并非是简单的、单一的雷电过电压保护器件应用,而是应用电磁兼容的原理,根据雷电保护区的划分,对高速公路系统进行综合、多级雷电过电压保护。
    1.电磁兼容原理将传统的防雷措施归结为整体防雷保护
        高速公路传统的局部的防雷措施主要为采用富兰克林避雷针进行雷电的直击雷防护和按照相应的标准做好接地系统。采用这种单一的防护措施已经不适合于电子信息系统,即采用传统的防雷措施已经不能满足电子信息系统的雷电防护的要求,因此国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-1994在2000年8月24日做了局部修订并实施,同时增加“防雷击电磁脉冲”的章节;国家标准《建筑物电子信息系统防雷技术规范》也在编制中,上述两个国家标准都充分体现了对于大量使用电子设备的系统一定要根据电磁兼容(EMC)原理,把局部或单一的防护措施归结到系统防雷,即整体防护的概念。以前,高速公路系统由于缺乏整体的观念,导致在高速公路的电源供电网络产生雷电过电压造成供电中断。有些高速公路可能在雷电防护薄弱环节的不同点安装了过电压保护器SPD,但各类防护器件之间不能相互协调、相互之间不能控制,对雷电过电压器SPD起不到联合保护的目的。由于防护器件在设计时,其防护性能仅仅是从被保护设备本身的需求,例如高速公路供电线路的雷电防护,各级防护器件是相辅相成的,互相影响的,此时用以局部防护的过电压器件不能有效的发挥其防护性能,而且影响到供电系统整体的防护。
    高速公路的监控系统或收费系统或通信系统的雷电保护区按照需要保护的区域不同,将它们划为几个保护区域,并按电磁兼容的要求确定过电压保护器的安装位置。引入雷电保护区的概念使得在各个区域内分界处的雷电冲击依次减小,这是因为各个区域内的供电系统的电源设备、计算机设备、监控设备和通信设备能承受的雷电过电压能力是不同的。因此,设计一个适应于各个区域内雷电过电压方案是很重要的,这使得易受雷电过电压破坏的相应设备基本的承受能力不致于被超过。
    2.雷电保护区域的划分及防雷保护
    2.1雷电保护区域的划分原则
        将需要保护和控制雷击电磁环境的建筑物空间,从外部对内部划分为多个不同的雷电防护区域(LPZ),以规定各部分LPZ空间内的雷电电磁脉冲(LEMP)的强度变化的严重程度,以便采取不同的防护措施。如图2.1所示,对于通信中心(站)一个欲保护的区域,从电磁兼容的角度出发,可由外到内分为几级保护区,通信中心(站)建筑物外部是直接雷击的区域,在这个区域内的设备最容易遭受损害,危险性最高,是暴露区域,称为0区。而0区内的各类物体都可能遭到直接雷击,且电磁场没有衰减,属于完全暴露的不设防的直击雷防护区域称为LPZ0A区;各类建筑物(如天线)很少遭到直接雷击但本区电磁场没有衰减,属于充分暴露的直击雷防护区域称为LPZ0B区。建筑物内部及通信设备不可能遭到直接雷击,流经各类设备导体的电流比LPZ0B区进一步减少,由于建筑物的屏蔽措施,其建筑物内部设备的金属外壳,所处的位置为非暴露区,可将其称为LPZ1区、LPZ2区,越往内部,危险程度越低,雷电过电压主要是沿线引入。保护区的界面通过外部的防雷系统、建筑物的钢筋混凝土及金属外壳等构成的屏蔽层而形成的,电气通道以及金属管道等则通过这些界面。

     


    图2.1  雷电保护区域划分的示意图
    2.2防直击雷装置的要求
        在防雷工程设计中应采用有理论依据、经实践证明行之有效,并经部级主管部门鉴定合格,且取得ISO9000体系质量认证的产品。被保护建筑物及楼顶所安装的各种天线(包括抛物面天线)应有防直击雷装置,所有被保护对象都应置于接闪器的保护范围内,即LPZ0B防雷区内。接闪器可由避雷针、架空避雷线及架空避雷网任意组合而成,其材料宜采用直径不小于10mm的圆钢或截面积不小于78mm2的扁钢。若防直击雷装置采用传统的避雷针,一旦避雷针落雷时,会在避雷针、引下线和接地电阻上产生很高的电位和大电流,造成强烈的二次效应。为了减少雷电流的二次雷击效应及接地装置的高电位反击效应,防直击雷装置也可选用其功能具有衰减雷电流幅值及陡度的新型防雷装置。
    2.3雷电保护区供电系统的分级保护
    交流供电系统应采用TN-S制,即三相五线制(单相三线制)供电方式。在这种供电方式的整个系统中,具有单独的中线N和保护接地线PE;在系统中,中线N与保护接地线PE分开。根据供配电线路导体长距离传输的特点、防雷器件的特性、来自线路雷电流的强度,以及配电系统中各部分的耐电水平,必须采用多级、分级防雷保护。
    对用户供电系统预防LEMP,一般采用用户总电源、用户分电源、设备工作机房电源等多级保护方法治理,分级配置“进户”、“进室”、“单机”及“直流”电源过电压保护器予以保护。如图2.2所示,入户电力变压器低压侧应安装三相过电压保护器SPD1,其雷电通流容量不应低于60kA作为第一级保护;分配电柜线路输出端配置一台过电压保护器SPD2,其雷电通流容量应不小于20kA,作为第二级保护;在设备交流电源进线端配置一台单相过电压保护器SPD3,其雷电通流容量应不小于10kA,作为第三级保护。

     

     

    图2.2 TN-S供电系统雷电过电压的保护方式
        对于通信设备、计算机设备和监控设备等使用的整流电源,根据其工作电压的保护需要,分别选用与工作电压适配的直流电源过电压保护器SPD,作为末级保护。
    供电设备的正常不带电金属部分应作保护接地,严禁作接零保护,其接地线截面积不应小于35mm2,材料为多股铜线;供电系统各个SPD的接地端,应分别连接到强电地的接地汇集线上,从汇集线单独用导线接至室外地网上,接地电阻应不大于4欧姆。
    对于使用直流电源的设备,其直流工作地的接地线,应从室内接地汇集线上就近引接,其截面积应满足最大负荷要求,一般为35—95mm2,材料为多股铜线。
    3.通信、计算机和监控系统的防雷保护
    凡是带有室外架空天线的电子设备,都属于天馈线路需要采取防雷保护的设备系统。例如雷达、微波通信、卫星数据通信、CCTV闭路监视系统等电子设备。被保护设备的外露架空天线均应置于防直击雷装置的接闪器的保护范围内,即LPZ0区,以防直接雷击。
    使用同轴电缆作为天馈传输系统的电子设备均应选择其适配的过电压保护器SPD,以防来自天馈线路引入的感应过电压波。SPD的接地端应就近与引接到室外馈线入口处的接地线上,同轴电缆的金属外护层,应在其上部、下部及经走线架进机房入口处就近接地,在机房入口处的接地线应就近与地网引出的接地线妥善连通。
    无论是广域网或局域网的计算机网络数据信号线路应根据被保护设备的工作电压、接口连接形式特性阻抗、信号传输速率或工作频率及传输介质等参数选用插入损耗低、阀值电压不超过线路峰值工作电压2.0倍的过电压保护器SPD。其接地端应分别采用截面积为1mm2的多股绝缘导线单点连接至PE汇集线上,从汇集线再用4mm2的绝缘导线连接至机房保护接地的地网上;计算机房采用的交流工作地、直流工作地、安全保护地、过电压保护器SPD防雷地等四种接地宜共用一组接地装置,其合成接地电阻应小于2欧姆。当多个计算机系统共用一组接地装置时,宜将各计算机系统分别采用接地与接地装置连接。
    CCTV闭路监视系统“视频/控制”信号线路应分别根据视频信号线路、解码器控制信号线路及摄像头供电线路的性能参数来选择过电压保护器SPD。
    视频信号线路防雷过电压保护器SPD宜根据摄像头连接形式、线路特性阻抗、工作电压等参数选择插入损耗小、回波损耗大的SPD。解码器控制信号线路防雷过电压保护器SPD宜根据解码器连接形式、线路特性阻抗、工作电压等参数选择插入损耗小、回波损耗大的SPD。
    集中供电的信号线路防雷过电压保护器SPD宜根据摄像头工作电压选择阀值电压低、启动时间短、雷电通流容量大、且适配的SPD。在摄像头视频信号输出端和计算机控制室视频切换输入输出端应分别安装视频信号线路防雷过电压保护器SPD。在摄像头一侧解码控制信号输入端和计算机控制室控制信号分线盒输出端应分别安装控制信号防雷过电压保护器SPD。
    在摄像头一侧供电线路输入端安装一个单相电源过电压保护器SPD。
    以上每个过电压保护器SPD的接地端均应可靠接地。摄像头一侧的过电压保护器SPD的接地端可连接到云台金属外壳的保护接地线上,再从云台金属外壳保护接地端连接至摄像头支撑杆地网上,接地电阻宜不大于4欧姆;计算机控制室一侧的工作机房应设专用地网,其接地电阻宜不大于2欧姆。各个SPD的接地端应分别连接到机房接地汇集线上,再从接地汇集线引接至专用地网上。工作机房所有设备的金属外壳、金属机架和构件,均应与机房接地汇集线相连接。
    在高速公路系统内集中了计算机网络、程控交换机、无线通信、有线通信、电源、监控等各类子系统,雷电可从各个子系统之间的内部缆线引入,因此应对各个子系统进行有效的过电压保护。
    4.结论
    高速公路的监控、收费和通信系统防雷是一个很复杂的问题,不可能依靠一、二种先进的设备和防雷措施就能完全消除雷电过电压的影响,必须采用综合治理的方法,对症下药将各类可能产生雷击的因素排除,才能将雷害减少到最低限度。
    在雷电过电压保护上最好遵守下列原则及建议:
    1.根据电磁兼容原理将过去局部的或单一的雷电过电压保护措施纳入到整体、系统的防雷体系;
    2.根据雷电保护区的划分原则,确立高速公路系统雷电过电压保护的思路;
    3.根据高速公路系统的供电设备、计算机设备、监控设备和通信设备所处的雷电保护区范围,在雷电过电压保护器件的选择上,应当瞻前顾后考虑其雷电过电压保护器件的各类参数;
    4.雷电过电压保护设计中氧化锌压敏电阻的压敏电压应满足城市、郊区、山区的需要,要适合中国国情的要求(电力供电,电压起伏较大的特点)。

    参考文献:
    ①IEC 1312, 1995-02 《雷电电磁脉冲的保护,第一部分:一般原理》
    ②IEC  TC  81-WG3-TF3-16,1996-10《LEMP的防护;第3部分:浪涌保护器件的技术要求》
    ③IEC  SC  37A/44/CDV《低压系统中的浪涌保护器件。第1部分;性能要求和测试方法》
    ④IEC SC 37A/44/CDV《低压系统的浪涌保护器件;第2部分:第2部分  选择和应用》
    ⑤GB50057-1994《建筑物防雷设计规范》(2000年版)