高速公路监控、通信、收费系统防雷解决方案

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一、概述
　　雷电灾害是“联合国国际减灾十年”公布的最严重的十种自然灾害之一。最新统计资料表明，雷电造成的损失已经上升到自然灾害的第三位。美国排名前1000名的企业，平均每个企业每年因雷击损失20万美元，我国，每年因雷击造成的人员伤亡近万人，雷击造成的财产损失估计在50~100亿元左右。
　　广东省目前广东平均年雷暴日近90天，频繁程度在全国列第二位，但由于现代化程度较高，雷击损失列全国第一位。
　　大量的微电子通信网络设备安置在各种建筑物内，因感应雷造成室内信息系统微电子设备损坏的可能性大大增加，每年所发生的各种雷击事件一再证明：常规建筑物所设计安装的防直击雷装置并不能有效的防止因雷电感应、电磁脉冲、静电和雷电波侵入对通信系统和计算机信息网络系统所造成的危害。
二、高速公路综合防雷设计方案的依据
高速公路综合防雷在设计时主要采用以下标准，供设计时参照。
1、GB50057-94《建筑物防雷设计规范》
2、GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》
3、IEC61024《建筑物防雷》
4、IEC61312《雷电电磁脉冲的防护》
5、GB50174-93《电子计算机机房设计规范》
三、高速公路建筑物直击雷防护措施
1、监控中心大楼一般设置在高速公路的出入端或控制管理区域的中心位置。由于周围地形比较空旷，楼层一般都在六层以上，高度超过20m且楼顶还安装有各类通信天线、有的还架设有铁塔，这些都是直击雷的重要目标。由于楼内有大量实时运行的电子、微电子设备，又是整个机场的指挥高度中心，根据GB50057-94《建筑物防雷设计规范》(2000版)的规定，可定为二类防雷建筑。按滚球法（滚球法半径45m）设计避雷针。设计方法请参照《建筑物防雷设计规范》附录四的要求，决定避雷针的数目、布局、高度，在设计时应考虑避雷针抗当地30年最大风的抗风强度，并留有一定余量。
2、为了减少避雷针的维护，防止酸雨对避雷针的腐蚀，应在监控中心大楼楼顶安装不锈钢避雷针，其高度和数量根据滚球法计算其保护范围能覆盖整幢中心大楼的天面和各类天线，使其能有效防止直接雷击以保护大楼的楼顶和各类通信天线的安全。
3、在公路沿线安装监控摄像头的云台杆顶、收费站广场云台杆顶以及LED指示牌顶各安装一套不锈钢避雷针，以保护云台摄像头等设备免遭直击雷危害。
4、在高速公路收费站钢架屋顶上和大型室外电子显示屏顶端左右对称各安装一套铁塔铜针尖避雷针，以保护收费站钢架屋顶和电子显示屏框架结构免遭直击雷危害。
5、避雷针的引下线最好利用钢结构柱做泄流线，条件不允许时，也可以单独用35mm2以上的铜绞线穿镀锌钢管屏蔽，并做绝缘处理，从避雷针尖直接以最短路径入地，以减少泄流时的雷击电磁脉冲辐射而损坏微电子设备和室外大型电子显示屏编码控制系统。
四、雷击电磁脉冲（LEMP）的防护措施
　　雷击电磁脉冲（LEMP）所产生的感应电动势通过侵入通道叠加在线路信号上产生瞬间高电压，击毁各类用电设备和微电子芯片，因此在实施防雷工程时必须将感应雷击作为重点，进行有效的防御。在设计综合防雷时，应从以上通道进行重点防护，同时做好等电位连接和共用接地系统。
1、电源系统的防雷措施
　　在监控中心大楼的总配电盘上安装第一级SPD1：ATPORT／4P－B100三相电源B级防雷箱，初步衰减从电源线引入的强雷电流和高电压。其技术参数：最高防雷击电流Iimp=100KA（8/20）、响应时间tA≤100ns，有劣化显示功能，作为一级保护。
　　在楼层分盘上安装第二级SPD2：ATT385／4P－C40三相电源防雷箱，进一步衰减从第一级分流下来的强雷电流和高电压，把雷电流脉冲降低到设备能承受的水平。其技术参数：最高防雷击电流Iimp=40KA（8/20）、响应时间tA≤25ns，有劣化显示功能，作为二级保护。
　　在UPS电源前安装第三级SPD3：ATT275／2P－C20单相电源防雷箱，进一步衰减从第一级分流下来的强雷电流和高电压，把雷电流脉冲降低到设备能承受的水平。其技术参数：最高防雷击电流Iimp=20KA（8/20）、响应时间tA≤25ns，有劣化显示功能，作为三级保护。
　　在UPS电源后或设备前安装第四级SPD4：ATA6420NS电源防雷插座，再次衰减从第一二三级防雷器过滤的残压，实现精细保护级别。其技术参数：最高防雷击电流Iimp=19KA（8/20）、响应时间tA≤25ns，有劣化显示功能，作为四级精细保护。
　　在强雷区应设SPD1－SPD4。四级防护；在多雷区和高雷区可选择SPD1、SPD2和SPD3三级作为电源系统防护选择标准；在少雷区可选择SPD1和SPD3二级作为电源系统防护选择标准。
　　SPD连接导线应短而直，SPD连接导线不宜大于0.5m，当长度大于0.5m时应适当加粗线径。当SPD1～SPD2的线距小于10m、SPD2～SPD3的线距小于5m、SPD3～SPD4的线距小于5m时，应在两SPD间加装退耦装置。为防止SPD老化造成短路，要求SPD安装线路上应有过流保护装置，应选用有劣化显示功能的SPD
　　在收费亭内的供电线路上各安装德国ATT275／2P－C20单相电源防雷箱，其技术参数：最高防雷击电流Iimp=20KA（8/20）、响应时间tA≤25ns，有劣化显示功能，保护各亭收费计算机、票据打印机、收费指示板、指示灯、自动拦杆、车道控制器、语音提示系统、对讲机等电源线路安全。
　　广场摄像头头部低压24V直流供电线路两端各安装AT24V单相电源防雷器，其技术参数：最高防雷击电流Iimp=10KA（8/20）、响应时间tA≤25ns，有劣化显示功能，以保护低压直流供电线路安全。
　　在公路沿线的云台摄像头供电线路配电盘输出端各安装SPD1：ATT385／2P－C40单相电源防雷箱，其技术参数：最高防雷击电流Iimp=40KA（8/20）、响应时间tA≤25ns，有劣化显示功能，作为一级保护。在直流整流供电设备前安装SPD2：ATT275／2P－C20单相电源防雷箱，其技术参数：最高防雷击电流Iimp=20KA（8/20）、响应时间tA≤25ns，有劣化显示功能，作为二级保护。在摄像头直流供电线路上安装SPD3：AT24V单相电源防雷器，其技术参数：最高防雷击电流Iimp=5KA（8/20）、响应时间tA≤25ns，有劣化显示功能，以保护摄像头供电线路安全。
　　在进、出高速公路两端和中间的大型电子显示屏电源线路配电盘上各安装SPD1：ATT275／2P－C40单相电源防雷箱，其技术参数：最高防雷击电流Iimp=40KA（8/20）、响应时间tA≤25ns，有劣化显示功能，作为一级保护；在稳压整流器设备前安装SPD2：ATT275／2P－C20单相电源防雷箱，其技术参数：最高防雷击电流Iimp=20KA（8/20）、响应时间tA≤25ns，有劣化显示功能，作为二级保护；在未级设备供电处安装安装第三级SPD3：ATA6420NS单相电源防雷插座，再次衰减从第一二级防雷器过滤的残压，实现精细保护级别。其技术参数：最高防雷击电流Iimp=19KA（8/20）、响应时间tA≤25ns，有劣化显示功能，作为三级精细保护。
2、视频信号传输线路的防护措施
（1）在广场摄像头到控制中心和收费亭车道的监控摄像头到控制中心的视频传输电缆两端应安装视频信号避雷器：ATBNC－VIDEO各一只，其技术参数：最高防雷击电流Iimp=5KA（8/20）、响应时间tA≤1ns，以保护摄像头。
（2）在公路沿线云台的摄像头上各安装视频信号避雷器：ATBNC－VIDEO各一只，其技术参数：最高防雷击电流Iimp=5KA（8/20）、响应时间tA≤1ns，以保护摄像头。
（3）在收费电脑视频卡视频输入、输出BNC端口安装视频信号避雷器：ATBNC－VIDEO各一只，其技术参数：最高防雷击电流Iimp=5KA（8/20）、响应时间tA≤1ns，各1个，保护收费电脑。
3、收费系统信号线的防护措施
（1）在监控中心机房计算机网络服务器至网络交换机（HUB）间安装网络信号避雷器：ATRJ45－100或安装标准机架式24口ATRJ45-100-24E网络24口交换机信号防雷器，其技术参数：最高防雷击电流Iimp=2.5KA（8/20）、响应时间tA≤1ns，以保护服务器。
（2）在监控中心机房网络交换机至收费亭的微机间的数据线两端各安装一只计算机网络信号避雷器：ATRJ45－100，其技术参数：最高防雷击电流Iimp=2.5KA（8/20）、响应时间tA≤1ns，以保护网络交换机和收费亭微机网络端口。
（3）在电子显示屏的光、电端机编码器之后至控制器两端各安装一只数据线信号避雷器：ATKZ，其技术参数：最高防雷击电流Iimp=5KA（8/20）、响应时间tA≤1ns，以保护光、电端机、编码器和控制器。
（4）收费亭与监控中心有线对讲系统两端各安装音频避雷器1个，ATB140-2-D10，其技术参数：最高防雷击电流Iimp=10KA（8/20）、响应时间tA≤25ns。
（5）宜在程控电话和紧急电话传输线两端安装程控电话电涌保护器：ATTEL-RJ45/11，其技术参数：最高防雷击电流Iimp=5KA（8/20）、响应时间tA≤1ns。
五、屏蔽措施
1、屏蔽是减少电磁干扰的基本措施，宜采取以下措施：外部屏蔽措施、线路敷设于合适的路径、线路屏蔽，这些措施宜联合使用。屋顶为金属表面、立面金属表面、混凝土内钢筋和金属门窗框架，都必须进行等电位连接后接地。
2、实践中建筑物或房间的大空间屏蔽是由金属支撑物、金属框架或钢筋混凝土的钢筋这些自然构件组成的。这些构件构成一个格栅形大空间屏蔽。穿入这类屏蔽的导电金属物应就近与其做等电位连接后接地。
3、监控系统设备机房位置应选择在LPZ最高级区和避免设在建筑物的顶三层内；当建筑物天面部分的避雷网格尺寸不符合系统抗干扰的要求时，应在天面加装屏蔽层。使用非屏蔽电缆，入户前应穿金属管并埋入地中水平距离10m以上。如受条件限制无法穿金属管埋地入户，则应加长入户屏蔽管或栈桥长度，金属管或栈桥的两端以及在雷电防护区交界处要做等电位连接和接地。
4、监控系统设备为金属外壳时，应用最短的导线将其与等电位连接带连接。如是非金属外壳，当设备所在建筑物屏蔽未达到设备的电磁兼容性要求时，应加装金属网或其它屏蔽体对设备屏蔽，金属网应与等电位连接带进行等电位连接。
5、计算机、通信、监控机房的设备应与建筑物外墙保护1m左右距离。以防止大楼遭到直击雷时沿外墙泄流入地的引下线周围产生较强的电磁场而损坏微电子设备。
六、等电位连接与共用接地
1、等电位连接是现代防雷技术重要的防护措施之一。将广场摄像头输出的同轴电缆的外层和其它管线外层在进入大楼前进行等电位连接后接地。
进入系统所在建筑物的各类水管、采暖和空调管道等金属管道的金属外层在进入建筑物处应做等电位连接，燃气管道入户后应在法兰盘连接处插入一块绝缘两端用开关型SPD连接后户内金属管道可参加等电位连接，并与建筑物组合在一起的大尺寸金属件连接在一起，按GB50054的要求做总等电位连接之后，接向总等电位连接带，并可靠连通接地。
2、宜利用建筑物的基础钢筋地网作为共用接地系统。如建筑物没有基础钢筋地网，宜在建筑物四周埋设人工垂直接地体和水平环型接地体。接地体的接地电阻不宜大于4Ω。原则上应在各雷电防护区界面处做等电位连接，但由于工艺要求或其它原因，被保护设备的安装位置不会正好设在界面可能发生的电涌电压时，电涌保护器安装在被保护设备处，而线路的金属保护层或屏蔽层宜首先在界面处做一次等电位连接接地。
3、接地系统
避雷器首先是一种雷击放电流的泄放通道，也是一种等电位连接器。所有避雷器的保护原理是在雷击瞬间保证设备、大地、建筑物及其附属设备之间构成等电位体，从而避免过电压的损害，其中最关键的就是接地系统。
3.1理想的接地装置（包括从接闪器到地面的引线）是没有电阻的，当雷击时，不论雷电流有多大，接地装置上任何一点对大地的电势差为零，这样对人和设备时绝对安全的。但是，这样的接地装置实际上是不存在的。因此接地阻值应尽可能地小，依据《计算机机房接地规范》以及其它有关国家防雷标准地要求，机房的接地电阻值应小于4欧姆，并采取联合接地的方式。
3.2为了保证网络设备稳定可靠的工作，防止寄生电容耦合干扰，保护设备及人身的安全，解决环境电磁干扰及静电危害，都必须有良好地接地系统。
3.3按照IEC整体防雷技术的接地要求，保证设备在雷击瞬间应处在等电位状态。由于部分设备的信号地、保护地相对独立，从“节约、实效”的原则考虑，将各地网简单相连。目前收费站下的地网结构基本上已构成联合接地形式，但尚未做到完全的等电位连接。
3.4在雷击瞬间，由于避雷器件的快速导通和大电流的泄放，使设备内部线路器件、机壳、铁塔和建筑墙体金属构件以及金属屏蔽物等都与地网同时连通。这样在雷电发生的瞬间，机房内部和外部各个物体处在与地网相等的电位上，各部分达成了等电位，从而避免了设备因物件之间的电势差而被损坏。
3.5根据各系统目前的接地情况，建议在各接地系统形成联合接地的前提下，严格按照规范保持各接地点的距离，并将管理中心内的所有裸露的金属部件全部短接，穿导线的铁管也一样连接，电源系统和信号系统设一专用接地母排，并应使各接地线尽量做到短而直。
3.6在监控中心大楼周围应做一环型闭合接地电阻小于4Ω的复式混合地网，浇灌长效降阻剂，以保证地阻常年稳定。此地网主要用于监控中心大楼和收费亭的安全保护接地。并与大楼并网作为共用接地系统。接地地网：引下线50平方800多芯接地线+接地体。接地体：是埋于地下与引下线入地相连接，雷击电流由此发散到大地。通常用400cm×500cm×60cmAT自动降阻接地模块和50mm×50mm×5mm×L2500mm的热镀锌角钢组成垂直接地体，再用40mm×4mm热镀锌扁钢铜铁接头连接引下线，以满足国家防雷规范接地电阻。一根以最短路径引入主机房接地母排上供机房接地专用。
3.7在公路沿线云台杆下面各做一个小于4Ω的联合地网，每个地网做两个引出极，极间距宜大于5m，一根引出极作为防直击雷接地，一根引出极作设备安全接地用。每根地线穿1.5英寸镀锌钢管屏蔽后，引到云台杆顶和设备间供两种接地用。
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