高速公路机电设备防雷技术分析

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1、引言

近年来，随着我国经济不断发展，作为国家基础建设性工程的高速公路其建设规模不断扩大，各种机电设备越来越多的应用于高速公路中。目前应用于高速公路的机电设备一般由弱电设备和强电设备所组成。由于高速公路特殊的建设环境，机电设备极易遭受雷电的干扰。轻者造成设备损坏，高速公路机电设备系统无法运行，重者造成人员伤亡，给国家和个人带来极大损失。因此，探讨高速公路机电设备防雷技术具有重要意义。

2、雷电对高速公路机电设备的影响

雷电是自然界常见现象。一般是由于大气中的冷热空气相互摩擦产生了带不同极性电荷的小水滴，这种不同极性（正负）电荷不断积累，当达到一定极限值时，就会在不同极性的云团之间、云团与大地之间存在强大电场从而在云团与云团之间、云团与大地之间产生放电现象。发生雷电时一般伴随着降水和冰雹等。雷电有着电压高、电流大等特点，其爆发能量巨大，极其容易雷击电子设备，由于其对电子设备巨大的破坏性和危害性，已被定义为电子时代的一大公害。作为一种极具破坏力的强干扰源，雷电从危害性分类可分为直击雷、感应雷以及球形雷等三种。直击雷是一种瞬间放电现象，往往发生在带电云层与建筑物、带电云层与大地或带电云层与防雷装置之间，直击雷发生的同时，还往往伴随着热电效应或机械力等一系列的破坏作用。直击雷时会瞬间增大地球表面的电位，从而造成巨大电位差，巨大的电位差给设备以及人员会造成严重的伤害，同时容易引起火宅。感应雷时，云团与大地之间会产生能量巨大的电场，云团通过潮湿空气向大地放电，同时也会产生强大磁场，从而对设备产生严重干扰。球形雷是一种发生几率极小的雷电种类，它是一种气体漩涡，一般产生于闪电通路的急转弯处，科学界推测认为它是一团带有高电荷的气体混合物，球形雷可以穿过门窗、烟囱等物体，从而进入建筑物，甚至可以在导线上滑动，有时伴随着“嗡嗡”响声。多数球形雷的火球会没有声音的消失，但有的在消失时伴随着爆炸声，造成能量极大的破坏力，使建筑物倒塌、人和家畜死亡。球形雷在遇人遇物后立即爆炸，威力惊人，同时产生刺鼻的气味，造成伤亡、火灾等事故。目前高速公路机电设备的雷击主要是由直击雷和感应雷两种所造成的。直击雷时，瞬间产生的巨大电位差直接雷击高速高路建筑物和高速公路机电设备，造成建筑物的损坏，机电设备系统的瘫痪，从而使得高速公路交通秩序无法正常运行，严重时甚至危及人员生命安全。感应雷时，雷电电流从高速公路机电设备的电源线缆、通信线路、卫星天线等地方进行入侵，由于机电设备分为弱电设备和强电设备，而感应雷对弱电设备极其敏感，其产生的感应电流通过电源电缆对弱电设备进行冲击，从而造成弱电设备损坏，甚至烧毁等严重事故。

3、高速公路机电设备防雷技术探讨

目前在高速公路机电设备系统中存在大量的防雷薄弱环节，这是因为在高速公路设计以及施工过程中机电设备的防雷问题往往容易被忽视所造成的，高速公路机电设备的雷击事故时有发生，从而给国家和个人造成了不必要的损失。高速公路机电设备的防雷工作是一项极其复杂的工程，防雷工作应该从多个方面、不同角度进行综合防范，本文主要从机电设备接地系统防雷、机电设备信号防雷和场区机电设备防雷等三个方面进行防雷技术探讨。

3.1机电设备接地系统防雷技术探讨

接地在防雷技术中扮演着重要的角色。对于直击雷，其防护一般是通过使用避雷针、避雷线、避雷网、避雷带等作为接闪器，雷电通过上述接闪器由接地装置将雷电引入大地；对于感应雷，一般通过同地位接地、屏蔽接地等措施进行相应的防护。因此，将雷电通过接地系统引入大地是目前防雷的一项重要技术。目前，对于高速公路机电设备的接地系统主要分为交流工作接地、机电设备保护接地、直流工作接地等三种。变压器是交流电路的不可忽略的重要组成部分，对于高速公路机电设备的交流电路亦是如此。高速公路机电设备的变压器是与外部电网进行连接，所以一般安装在室外，当发生雷击时，变压器就会直接受到雷击产生的感应电流的冲击，对其造成损坏，由于变压器处于供电电路中，从而直接影响了机电设备系统的正常工作。为了保证变压器以及机电设备系统的正常运行，一般对变压器进行接地处理，接地时直接将变压器中性点与大地连接，当正常工作时，不影响向机电设备供电，当发生雷击时，通过接地的方式直接进行跳闸保护，这样既保证了变压器不被损坏，又保证了机电设备的安全。机电设备在正常工作时是一个带电导体，由于设备运输过程中的碰撞或长时间的使用等原因造成机电设备绝缘作用发生损害，雷击时，容易形成机电设备、人、大地三者之间的电流通路，从而造成触电危险。因此为了消除这种潜在的人员安全隐患，一般将机电设备正常工作时的不带电金属部分进行接地保护，当发生绝缘破损时，由于接地装置的电阻极小（一般要求为1Ω以下），从而泄漏电流能够近乎全部的通过接地装置引入大地，避免触电危险。随着科学技术的不断发展，在高速公路机电设备系统中，弱电设备部分主要是由集成电路、微电子元件等电子器件为核心的电路所组成，其主要采用直流电源进行工作，由于弱电设备对电源要求极其苛刻，极小的电源波动都会使得电路发生干扰，当直流电源受到外部干扰而发生波动时，就会给弱电设备部分带来巨大冲击干扰，严重时甚至烧毁整个弱电设备系统。直流工作进行接地，可以有效的将干扰引入大地，从而使得弱电设备稳定工作在同一低压直流系统中，另外在接地时，将弱电设备全部引至统一接地系统，从而保证了在信号传输过程中的电位参考点相同，有利于弱电设备中不同类型信号（模拟信号和数字信号）的传输，衰减甚至消除了由于数模转换所带来的电磁干扰，提高了弱电设备处理数据和传输数据的准确性，进而避免了弱电设备受到干扰不能正常工作甚至毁坏问题。

3.2机电设备信号防雷技术探讨

高速公路机电设备的传输信号类型一般有视频信号、音频信号、数据和网络信号、控制信号等几种，这几种传输信号主要由双绞线、同轴电缆、光纤电缆等介质进行传输。除了光纤电缆（保护层为非金属）外，其余介质均容易遭受雷击，发生雷击时，不仅信号受到影响，而且还将雷电的高压电传递给机电设备，从而造成机电设备传输信号无法正常传输，甚至破坏机电设备，造成高速公路机电设备系统瘫痪。针对可能发生的信号雷击问题，可以在视频信号线两端、音频信号线和数据网络信号线两端分别安装视频防雷器、音频防雷器和数据防雷器，防雷器有过压、过流保护功能，在发生雷击时，可以将雷电波滤除，从而达到防雷效果。3.3场区机电设备防雷技术探讨对于场区机电设备的防雷技术应该分别从外部防雷和外部防雷两方面进行防雷保护。外部防雷一般是指外场的机电设备的防雷以及机电设备外部建筑物的防雷两种，外场机电设备一般裸露于外界环境中，主要包括高速公路路况检测设备、紧急电话、气象监测设备等，除了安装避雷针外，还应对这些外场机电设备进行多重防雷（包括信号防雷和电源防雷），另外机电设备的建筑物也应进行避雷针、接地线等保护措施，例如在机电设备集中的建筑物，应该以独立避雷针或者避雷网进行保护，并将电流引至远离机电设备所在的区域。内部防雷则应该对机电设备安装防雷器、电涌保护器等，例如在机电设备的总配电柜和各个系统配电箱应安装电源防雷器，从而对系统内的各种用电设备进行保护。对于大型供电部分如空调、动力供电等采用独立的配电系统，以减少雷击时的互相干扰和关联损失。

4、结语

雷电是一种不可避免的自然现象，雷击会引起机电设备损坏、人员伤亡等危害。对于高速公路机电设备这一容易遭受雷击的设备系统，应该科学合理的对防雷工作进行技术探讨，做好防雷保护措施，积极降低雷电带来的危害，从而为确保我国高速公路正常运行，推动我国国民经济的不断发展发挥重要的作用。

作者:倪明 单位:江苏智运科技发展有限公司