吳曉偉 王永振 蔡堅(jiān)健

(1.浙江省防雷中心，浙江 杭州310017;2.浙江金麗溫高速公路有限公司，浙江 杭州310005)

0 引言

2008年8月浙江金麗溫高速公路全線機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行防雷整改，整改結(jié)束后，仍發(fā)生了多起隧道弱電設(shè)備雷擊情況，其中木西岙隧道尤顯嚴(yán)重，給高速公路的正常運(yùn)行帶來(lái)很大安全隱患。根據(jù)高速公路管理中心相關(guān)人員反映，發(fā)生在隧道的雷擊事故情況有兩種:一是在SPD未損壞的情況下，可變信號(hào)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的編碼轉(zhuǎn)換器、PLC通訊端口、隧道口攝像機(jī)等設(shè)備損壞;二是設(shè)備運(yùn)行正常，而線路中的電涌保護(hù)器損壞。金麗溫高速公路管理中心多次組織整改，包括對(duì)地電位反擊的處理、提高相應(yīng)線路上的電涌保護(hù)器通流量等，但效果仍不理想。本文從理論角度分析引起以上雷擊事故的原因，提出整改措施。希望能為類似防雷整改項(xiàng)目提供一些意見(jiàn)建議。

1 隧道設(shè)備與雷擊事故簡(jiǎn)況

以木西岙隧道為例(如圖1所示):木西岙隧道為過(guò)山隧道，長(zhǎng)度約400 m。隧道口有變配電房和UPS控制機(jī)房。變配電房方面:附近的10 kV高壓電網(wǎng)拉到變配電房變壓器(箱式變電站)變380 V后，通過(guò)分配電柜供設(shè)備使用，配電房自備柴油發(fā)電機(jī)。隧道內(nèi)配電:隧道內(nèi)系統(tǒng)設(shè)備主要有風(fēng)機(jī)、廣播、監(jiān)控、照明、信號(hào)燈、風(fēng)速儀、CO濃度探測(cè)等。隧道口設(shè)備:可變情報(bào)板、可變限速標(biāo)志燈、立桿式監(jiān)控?cái)z像機(jī)、流量?jī)x、測(cè)速儀等。

圖1 隧道外設(shè)備布局簡(jiǎn)圖

歷史氣象資料統(tǒng)計(jì)表明，溫州地區(qū)年平均雷暴日為51 d，屬于高雷區(qū)。2008年的防雷整改中，針對(duì)隧道的防雷整改措施有:變電所及UPS機(jī)房的直擊雷防護(hù)、隧道設(shè)備供電線路的電涌防護(hù)、機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備的等電位接地(含控制線路的電涌防護(hù))。防雷整改后，在4—9月雷雨季節(jié)，木西岙隧道損壞設(shè)備有RTU(區(qū)域控制器)，照明控制PLC(如圖2)，隧道口可變限速控制單元，隧道內(nèi)攝像機(jī)(如圖3)。這些弱電設(shè)備中尤其以隧道口可變限速控制單元雷擊事故率最高。只要是雷雨天氣，可變限速控制單元均發(fā)生不同程度損壞。

隧道口可變限速標(biāo)志是分布在隧道兩頭，一頭一個(gè)，一頭可變限速標(biāo)志與隧道內(nèi)設(shè)備間距離大約30 m，另一頭大約430 m。供電和通訊線路布線分開(kāi)并通過(guò)管道敷設(shè)，電力電纜用的是鋼管，通訊電纜用的是PE管，隧道內(nèi)攝像機(jī)是用視頻線傳輸視頻信號(hào)到UPS房光端機(jī)。監(jiān)控設(shè)備都是由UPS供電，其它的通訊電纜敷設(shè)基本都在房間內(nèi)部。

圖2 PLC內(nèi)頻繁損壞的端口

2 雷擊事故原因分析

2008年浙江金麗溫高速公路全線機(jī)電系統(tǒng)防雷整改中，針對(duì)供電線路、通訊線路設(shè)置了完善的電涌保護(hù)裝置，可以說(shuō)電涌保護(hù)器設(shè)防覆蓋了全部的系統(tǒng)線路(如圖4所示)。

圖3 隧道口攝像機(jī)

2009年雷擊事故發(fā)生后，建設(shè)單位和施工單位及時(shí)組織相關(guān)人員現(xiàn)場(chǎng)勘查分析，提出一些補(bǔ)救措施。

措施一:把先前共地的高壓電網(wǎng)接地和用戶內(nèi)部接地分開(kāi)各自獨(dú)立，達(dá)到接地電阻都小于4Ω?？墒切Ч⒉焕硐?，雷擊還是會(huì)損壞設(shè)備。

圖4 高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)雷電防護(hù)圖

措施二:提高安裝在損壞設(shè)備線路上的電涌保護(hù)器通流量，增加其內(nèi)部一個(gè)元器件的功率。改造后效果比較明顯，但過(guò)了3個(gè)月左右一次雷擊過(guò)程后新更換上的SPD還是基本被損壞。而后再更換，SPD仍有出現(xiàn)損壞的情況，設(shè)備都還正常運(yùn)行。

從第一項(xiàng)補(bǔ)救整改結(jié)果看，各系統(tǒng)間的共地和獨(dú)立接地不是造成雷擊事故的根本原因。從第二項(xiàng)補(bǔ)救整改結(jié)果看，設(shè)備供電、通訊線路是存在雷擊過(guò)電壓的;安裝在系統(tǒng)線路的SPD被擊壞，SPD起到了保護(hù)設(shè)備的作用，但SPD的經(jīng)常性損壞也會(huì)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備帶來(lái)安全隱患，同時(shí)也造成維護(hù)成本的增加。

那么是什么原因引起的這些系統(tǒng)設(shè)備經(jīng)常性雷擊損壞呢?

首先，從直擊雷防護(hù)角度分析。溫州市年平均雷暴日為51 d，屬于高雷區(qū)。隧道處于山地環(huán)境，雷暴日明顯多于市區(qū)。隧道變電所和UPS控制機(jī)房按照要求實(shí)施了直擊雷防護(hù)，從局部來(lái)說(shuō)是滿足了防直擊雷要求。

其次，從電源線路雷電侵入分析。引入隧道變電所的高壓電源線路為架空線，由變電所進(jìn)入隧道的供電線路采用埋地穿金屬管敷設(shè)，且在低配端安裝了B級(jí)電涌保護(hù)器，在UPS機(jī)房電源配電柜、通訊控制柜、UPS電源線路安裝C級(jí)電涌保護(hù)器，考慮到雷擊環(huán)境的惡劣情況，在各系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制端也安裝了D級(jí)電涌保護(hù)器。變電所接地網(wǎng)、UPS控制機(jī)房接地網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接地實(shí)施了共地等電位連接。接地電阻為1.2Ω。實(shí)踐也證明，供電線路的電涌防護(hù)是可靠的、合理的。

再次，從通訊線路雷電侵入分析。這些通訊線路均由隧道口或隧道內(nèi)的信息采集器采集信號(hào)，工作電壓24 V。這些模擬信號(hào)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制器轉(zhuǎn)換為0～20 mA數(shù)字信號(hào)，這些數(shù)字信號(hào)通過(guò)通信電纜傳輸?shù)経PS控制機(jī)房的控制單元模塊集中處理，處理后的信號(hào)再通過(guò)光端機(jī)轉(zhuǎn)換通過(guò)光纜傳輸?shù)礁咚俟饭芾砜刂浦行?。由于光纜加強(qiáng)筋接地后對(duì)空間電磁輻射具有較好的屏蔽作用，現(xiàn)場(chǎng)控制器和UPS控制機(jī)房的控制單元模塊雷擊損壞及其線路上安裝的電涌保護(hù)器損壞充分說(shuō)明了從現(xiàn)場(chǎng)控制到機(jī)房集中控制的通訊電纜是雷擊事故發(fā)生的關(guān)鍵點(diǎn)。

根據(jù)防直擊雷設(shè)計(jì)保護(hù)原理，雷電不會(huì)直接擊中隧道內(nèi)通訊線路。雷擊損壞設(shè)備及電涌保護(hù)器是雷擊產(chǎn)生的感應(yīng)過(guò)電壓、過(guò)電流引起的。根據(jù)GB 50057—2000第6章推薦的計(jì)算雷電電磁場(chǎng)的公式及法拉第定律:

距雷擊點(diǎn)Sa(m)的磁場(chǎng)強(qiáng)度

μ 為真空磁導(dǎo)率，μ =4π·10－7N/A2

感應(yīng)回路面積S與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的乘積是變化的磁通量

根據(jù)法拉第定律，取短時(shí)雷擊的波頭時(shí)間T1，則線路上疊加的感應(yīng)電壓

對(duì)于平行敷設(shè)的電源、通訊線路，S是線路長(zhǎng)度l和線路間距d的乘積;隧道口控制箱距離UPS控制機(jī)房的距離l取30 m，信號(hào)線平行間距取 0.5 m;

首次雷擊i0取150 kA，波頭時(shí)間 T1取10μs;首次以后雷擊i0取37.5 kA，波頭時(shí)間T1取0.25μs;根據(jù)雷擊點(diǎn)Sa的不同，回路上的感應(yīng)電壓也會(huì)不同(見(jiàn)表1)。

表1 雷擊點(diǎn)與線路感應(yīng)電壓的關(guān)系

在防雷整改中通訊線路選用的電涌保護(hù)器額定工作電壓為24 V，最大持續(xù)工作電壓為27 V，標(biāo)稱放電電流為5 kA，電壓保護(hù)水平線－線為60 V，線－地為30 V。而通訊線路工作電壓為直流24 V，信號(hào)為0～20 mA數(shù)字信號(hào)，通過(guò)理論計(jì)算值和電涌保護(hù)器參數(shù)的比較發(fā)現(xiàn)，電涌保護(hù)器選取的參數(shù)與實(shí)際雷擊情況不匹配，就無(wú)法對(duì)線路雷擊感應(yīng)電流、電壓起到很好的防護(hù)效果。

3 故障解決措施探討

通過(guò)理論分析計(jì)算，線路上產(chǎn)生的雷擊感應(yīng)過(guò)電壓、過(guò)電流是引起系統(tǒng)設(shè)備和SPD損壞的主要原因。如何降低線路上產(chǎn)生的雷擊過(guò)電壓、過(guò)電流是解決這些雷擊事故的關(guān)鍵。合理的屏蔽措施能大大改善雷擊情況，若能從根本上改變線纜的材料是最好的選擇。如將通訊電纜穿金屬管并兩端接地，這樣的屏蔽處理方式能從很大程度上減小線路感應(yīng)過(guò)電壓、過(guò)電流的強(qiáng)度。條件允許的可根據(jù)當(dāng)?shù)乩纂姳O(jiān)測(cè)資料，詳細(xì)了解該區(qū)域最大雷擊強(qiáng)度，通過(guò)理論計(jì)算空間電磁場(chǎng)強(qiáng)度和線路上可能感應(yīng)的過(guò)電壓、過(guò)電流強(qiáng)度，從而選擇適配的電涌保護(hù)器和合理的屏蔽措施。對(duì)通訊線路，將傳輸電纜更換為光纜能從根本上改善線路引起的雷電感應(yīng)侵入。建設(shè)單位把問(wèn)題最為嚴(yán)重的木西岙隧道的隧道口可變限速標(biāo)志通訊改為光纜，到目前為止沒(méi)有發(fā)生過(guò)一起雷擊事故。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、微波、光通信技術(shù)日益發(fā)展，各類電子設(shè)備在高速公路機(jī)電系統(tǒng)中大量應(yīng)用，雷電感應(yīng)到附近的導(dǎo)體中形成過(guò)電壓，可高達(dá)幾千伏、上萬(wàn)伏，對(duì)微電子設(shè)備的危害極大。雷電的主要侵入通道有電源線路、各類信號(hào)傳輸線路、天饋路線和進(jìn)入系統(tǒng)的管、纜、橋架等導(dǎo)體侵入設(shè)備系統(tǒng)，造成電子設(shè)備失效或永久性損壞。因此，雷擊電磁脈沖的防護(hù)是在入侵通道上將雷電流泄放入地，從而達(dá)到保護(hù)電子設(shè)備的目的。其主要方法是采用隔離、均壓、濾波、屏蔽、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)、接地等方法。因此要設(shè)計(jì)具體的高速公路的防雷系統(tǒng)必須充分調(diào)查，因地制宜，并合理應(yīng)用各種防護(hù)措施，才能保證各設(shè)備及系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，避免雷擊造成設(shè)備的損壞及人員的傷害。此外，防雷整改實(shí)施前對(duì)高度公路機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估也是極為必要的;每年雷雨季節(jié)前后，對(duì)防雷系統(tǒng)問(wèn)題的排查和設(shè)備維護(hù)同樣重要。

［1］ 機(jī)械工業(yè)部.建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50057—94(2000年版)［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2001.

［2］ 四川省建設(shè)廳.建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范GB 50343—2004［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

［3］ 謝處方，饒克謹(jǐn).電磁場(chǎng)與電磁波［M］.北京:高等教育出版社，1999.