高速公路的防雷工程问题

　　高速公路的通信、监控、收费与通风照明系统是一个功能强大的电器、电子系统，简称高速公路机电系统。由于高速公路所涉地域广、距离长、地形复杂，极易受到雷电的干扰和危害。福建是雷电多发地区，每年高速公路机电系统都会发生很多起雷击事故。例如：高速公路厦门收费所2002年6月30日遭一次雷击。
　　
　　导致收费系统几乎瘫痪，损坏设备类型8种。累计金额达20余万元。我们在高速公路机电系统的建设与维护维修过程中，深受雷电带来的灾害之苦，深感高速公路防雷的重要性。本文从高速公路机电系统防雷工程目前存在的一些问题人手，提出了高速公路机电系统防雷工程的设计、施工、监理、运行维护各阶段的规范化管理要点；针对高速公路机电防雷技术特殊性提出了技术规范化方面的要点；并总结了我们在高速公路机电系统防雷工程建设与维护中的几点经验体会。
　　
　　1 目前高速公路防雷工程存在的若干问题
　　1.1高速公路防雷系统工程还没有专业的规范管理制度，高速公路防雷设计与施工都还未实现专业化管理。
　　
　　1.2高速公路防雷系统工程存在房建防雷与机电系统防雷在设计要求上脱节现象，防雷是各搞各的，没有很好的综合设计和有效地统一管理。
　　
　　1.3高速公路机电系统中防雷部分的设计内容普遍存在系统方案不完整，技术指标和要求不明确，防雷综合性和系统性要求都较差。防雷产品的厂家、型号、规格无指定，具体技术指标无定量现象。
　　
　　1.4高速公路防雷部分由于在设计和招评标阶段没能引起大家足够的重视，所以带来投标单位响应不全面，防雷工程造价在后期工程中的投入明显偏大。同时，施工过程因设计不具体而容易被简化和忽略了某些重要内容。导致防雷系统出现漏洞和隐患，产生的不良后果往往使工程质量很难让营运管理者满意，也容易发生工程合同上的纠纷，以及被雷击后无备品备件维修损坏的机电设备，导致重大功能长期失效，严重影响高速公路正常营运。
　　
　　1.5施工单位无防雷专业资格，施工者无防雷专业知识，导致防雷工艺要求不合格现象普遍存在。
　　
　　1.6施工监理缺乏防雷专业化知识和相应工程施工经验，导致防雷工程质量达不到要求也相当严重。
　　
　　1.7防雷系统没有定期检测，容易带来因防雷器失效而发生机电设备被雷击的事故。另外，防雷系统日常维护管理无强制性规定，不利于及时发现防雷上出现的问题，容易导致雷击事故的发生，带来机电设备的损坏，甚至于危及人生安全。
　　
　　1.8高速公路机电系统防雷技术规范和防雷工程管理办法应尽快出台。
　　
　　2 高速公路机电系统防雷工程管理规范要点
　　为提高高速公路防雷工程的质量，减轻雷电对高速公路机电系统带来的危害，应当实行高速公路防雷工程建设的科学化、程序化、专业化的规范管理制度，在已有的高速公路工程建设与营运的规范化管理中增加防雷系统工程这一特殊的规范化管理要求。
　　
　　2.1遵照执行国家《防雷减灾管理办法》(2000年6月20日颁发)，明确高速公路防雷工程系统管理总则。
　　
　　2.2高速公路防雷工程设计与建设应实行防雷专业资质和资格的管理制度。包括设计单位、施工单位、工程监理、维护单位及从业人员。
　　
　　2.3高速公路防雷工程在机电和房建工程招标与投标中应明确防雷部分的特殊要求和规定。
　　
　　2.4高速公路防雷工程监理人员应实行资格管理规定，明确防雷工程施工过程各环节的验收和工程质量各类人员应负的责任。
　　
　　2.5高速公路防雷所用产品要实行国家统一的准人制度，对高速公路特殊防雷部件实行指定国家计量单位检测和认证制度。如：高速公路紧急电话系统中的防雷部件等。
　　
　　2.6高速公路机电工程和房建工程在工程交工质量总体评分、评价中应明确防雷工程所占比重或实行一票否决制度。
　　
　　2.7确立高速公路防雷工程罚则，明确有关违反高速公路防雷管理规定的处罚条款。
　　
　　2.8防雷系统应实行定期检测制度，明确维护管理各项规章制度，明确维护维修单位应具备的基本防雷检测工具和检测仪器，以及技术人员的专业化知识和技能的培训制度。
　　
　　2.9防雷产品选用指南。有关国家行业管理部门定期对防雷产品市场信息进行汇总、编辑出版。
　　
　　3 高速公路机电系统防雷技术规范要点
　　高速公路机电系统防雷工程的技术规范化要求方面，要依据国家有关防雷法规，参照国家已出台的防雷设计规范与防雷产品规范，结合高速公路防雷的特殊性，从高速公路机电系统的防雷系统设计、工程施工与监理、完工指标检测与工艺检查、日常维护维修上作规范化要求，具体内容如下：
　　
　　3.1高速公路机电系统房建防雷技术要求。主要包括：监控楼、
　　配电房、收费棚、通售机房、各类外场设备基础、建筑物内各类金属物体的等电位体(供水、供暖、制冷、供气、照明线路、线缆管道、铝制或铁制的门窗等)。建筑防雷设计须遵循国家有关防雷规定。应参考国际电工委员会IEC有关标准和中国国标与部委颁发的各类设计规范，如IEC61024、IEC61312国际电工委员会防雷规范，<GB50057—94建筑物防雷设计规范》，《GB50174—93计算机房防雷设计规范》，GB2887—89《计算机场地技术条件》，97SD567《等电位联结安装》国家建筑标准设计图集以及高速公路特定设计要求等。
　　
　　3.2高速公路收费站建筑综合防雷设计要求，主要明确收费站内各建筑在综合防雷方面的等电位体连接设计上的要求，还应包括收费棚出人口道路在内可利用的地基钢筋网。
　　
　　3.3高速公路电力供给系统防雷技术要求。主要包括接地系统方式和技术要求，以及多级电源防雷体系要求。可参考信息产业部颁发的《YD5078—98通信工程电源系统防雷技术规定》。
　　
　　3.4机房场地安全技术的设计要求，包括防静电地板材料参数、接地形式、屏蔽网、汇流排等，应参考GB2887—89计算站场地技术文件，GB9361—88计算站场地安全要求等。
　　
　　3.5非等电位的金属导体采用瞬态等电位连接器(SPD)的防雷技术要求。主要指各类信号线、电源线、控制线上的防雷保护。依据该金属线上的信号参数及所处物理位置情况制定不同的保护级别、保护形式以及各类电涌保护器的技术参数、适用环境和技术要求。这些要求包括：各类不同材质防雷器(气体放电型、金属氧化物半导体电阻器MOV、瞬间电压抑制器TVS、自恢复保丝PTC、以及几种器件复合型的产品)的适用场合、通流能力、反应时间、最大连续工作电压和残压、通频带宽(速率)、DC／AC、报警功能、接口类型等等内容，可参考规范有：IEC61312—3电涌保护装置的要求，GBl0195—88浪涌抑制型压敏电阻器标准，国家公安部GAl73—1998计算机信息系统防雷保安器标准等。
　
　　3.6高速公路电子设备雷击试验技术规定。对在高速公路上使用的设备有必要进行防雷击性能的测试，以确保高速公路机电设备的可靠、稳定的工作。可参考：GB3482-3483电子设备雷击试验国家标准。
　　
　　3.7防雷系统维护维修技术要求，应包括等电位体检测方法，各类防雷器的检修方法，各种信号线上电涌保护装置的测试标准及必需的测试工具和测试仪器。

　　4 高速公路机电系统防雷工程建设与维护中的几点经验体会
　　总结当今防雷手段主要有：接闪器与引下线、等电位体连接、过电压保护、电磁屏蔽与接地这五种方法，如何灵活、科学、合理、周密地运用这五种方法去综合设计防雷系统就是我们目前面临的最大问题。
　　
　　4.1高速公路机电系统的防雷是一个整体防护工程的概念，即系统防雷工程。以前，人们由于缺乏整体概念，虽然在雷电防护薄弱环节的不同点上安装了过电压保护器，但各类防护器件之间不能相互有机的联系和控制，对雷电还是没有起到应有的保护作用，达不到系统性的联合防雷保护功能。高速公路的通信、监控、收费三大系统的防雷是一个很复杂的问题，不可能靠几种先进的防雷器和设备就能完全消除雷电的影响，而必须采取综合治理的方法，尽力排除可能产生雷击的各种因素，才有可能将雷害减少到最低限度。
　　
　　4.2针对高速公路系统点多、线长、面广之特点，特别需要引人分区防雷保护概念，尤其是紧急电话分机、车辆检测器VD、广场摄影机、可变情报板等均为相对独立的防雷保护体，同样需要按独立体进行多区间的防雷设计保护。
　　
　　正如《交通信息产业》2002年第期《高速公路紧急电话遭雷击分析与防雷建议》一文所述情况，该路段的紧急电话系统防雷措施还有很多不足之处，其一就谈到副机防雷措施考虑不周导致遭雷击的问题。实际上就是没有将分机和付机在防雷上按独立体进行多区间的防雷设计保护的结果，也就是说紧急电话分机和付机从机壳的屏蔽性能，基础接地电阻值限定，进出分机体所有的信号线与电源线需安装电涌保护器，连接电缆金属屏蔽层接地处理等所有问题均需相应的防雷处理。特别是紧急电话机壳的屏蔽性能是一个容易被忽视的问题，当有直接雷击中时，其性能是否良好十分关键，其最大的问题是门与壳体的连接处理，既要保证防尘、防雨、良好的密封性能，又要有良好的导电屏蔽效果；同时，还有扬声器与拾音器及按钮上的这些开口的屏蔽处理问题。因此，高速公路上这些相对独立的防雷对象必须要做独立的防雷系统处理，并分外部防雷、内部防雷和接地系统三部分进行完整的防雷保护设计，才能有效减轻雷害。
　　
　　4.3等电位连接方面在实际的机电工程中往往存在很大的漏洞。例l：某些收费站的广场云台摄像机很容易被雷击坏，这虽然有地理环境易遭雷击的因素，那肯定是存在防雷方面的某种缺陷，经技术人员现场分析发现该云台的低压24VAC供电线路上根本没有相应的防雷器，仅在视频信号线的两端安放了一个视频防雷器，这长度100多米的电源线，在遭雷击时一定会产生很大的浪涌电压从而损坏云台。
　　
　　例2：某收费站的车道字符叠加器很容易被雷击坏，被雷击坏的字符叠加器几乎都是与车道控制机连接的RS485接口芯片损坏。但车道字符叠加器是与车道工控机放置在一起的，其连接线不超过l米，雷击时不可从该控制线上感应如此大的能量损坏RS485的芯片，而且，工控机内的RS485接口从未发现损坏，因此，问题可能出在车道字符叠加器的前端设备或与其连接上。从实际现场检查分析发现车道摄像机整个立柱没有接屏蔽，而且车道摄像机上的视频防雷器的接地端没有接在车道摄像机的防护壳上，当初工程施工时曾发现图像信号出现严重干扰，在断开防雷器接地线与车道摄像机的防护壳后的连接后干扰消失，所以，后来就没有再接地了。这种情况相当于车道摄像机没有与车道字符叠加器进行良好的等电位连接。
　　
　　车道字符叠加器视频输入端连接的车道摄像机就像是一付很好的天线，当其周围有雷电发生时就会在车道字符叠加器与大地之间产生一个很高的瞬态感应电压，并向低电位处释放能量。导致车道字符叠加器的损坏。
　　
　　4.4较长距离的模拟信号传输，应采用带屏蔽外壳的电缆，并做屏蔽接地处理，或者线缆穿屏蔽钢管布设，否则，相应的接口板将容易遭雷击损坏。例如：某高速公路主干道上的一个通信站，其设备是一套UMCl000光终端机，连接着十几路电话、一个车辆检测器和一个雾检测器。每当该地域有雷电时，UMCl000上的所有电话接口板和数据通信接口板都将会被损坏，从被损坏的板子情况分析，雷电是从各模拟电话线上引入的，实际情况是车辆检测器和雾检测器在共用一根长达1公里多的模拟信号传输时，未采用带屏蔽外壳的电缆，也未做传输屏蔽接地处理，且两端均未加装防雷器，又而导致雷电的侵害。
　　
　　4.5信号传输屏蔽处理具有良好的防雷作用，各类线缆连接应尽量采用。当线缆在户外时，建议不要采用PVC管作电缆的防护，而是采用钢管且作屏蔽连接处理作防护。同时，要求所有穿线人井或手井中均要做等电位体的连接，重要部位要做严格的屏蔽处理，包括沿线每隔一段距离打一根接地体等处理。当线缆在户内时，在线缆较长距离时也要同样处理，或采用屏蔽电缆并在两端做有效的接地处理。例如：收费车道的局域网络联结，建议采用带屏蔽层的网络线，并做良好的屏蔽线的连接，此时的网络集线器也应当采用接口具有屏蔽线连接功能的网络集线器，并将集线器作良好的防雷接地。这种做法既能提高网络传输的可靠性，又能避免雷害，还可以省去以太网形式的电涌保护器。
　　
　　4.6坚持对每起雷击事件的原因分析，找出防雷工程中的缺陷，进行亡羊补牢，有利于逐步完善高速公路机电系统的防雷性能。从上述几个高速公路机电系统被雷击的事故案例分析中可以看出，我们只要不惜代价对防雷工程存在的缺陷问题进行必要的多次的整改，将极大地提高高速公路机电系统防雷的整体性能，同时，丰富了我们在机电系统防雷方面的工作经验。
　　
　　4.7高速公路机电系统某些重要的电子设备和无人值守的机电设施在雷电多发地区应当做防雷冗余设计，以及防雷器故障自动报警的功设计。原因是当雷击损坏了一个防雷器后，其电子设备即使得到了暂时的保护，但很难保证后续雷击不发生和设备不被损坏。因此，在权衡设备重要程度与可靠性的情况下，有必要进行更加完善的防雷设计。
　　
　　5 结束语
　　总之，高速公路防雷工程是一项非常复杂的系统工程，除上述几方面应引起注意外，实际工程设计和施工过程中，在防雷结构方案的优化，技术参数的确定，防雷产品选型，施工材料的选取，施工工艺考究，防雷器安装技巧等方面都值得我们深人的研究和探讨，同时还应当因地制宜，结合实际情况，细致的周密的设计相应的防雷方案，力争取得防雷工程投资少、防护全面、配置合理、性能优良、维护方便，整个高速公路机电系统运行稳定可靠。