关于一级公路机电系统过电压保护与防雷接地的设计分析

引言

在现代公路中,机电系统的作用越来越重要,其能否安全和稳定运行,决定了公路服务效果与质量。作为复杂的信息系统,机电系统容易遭受雷击而损坏,对其正常运行造成影响。因此,需要重视并做好过电压保护及防雷接地。

1过电压在系统中的入侵途径

研究表明,过电压造成的设备破坏是导致公路机电系统无法正常运行的重要原因。机电系统因其结构较为复杂且控制回路很多,所以易遭受雷击而毁坏。雷电在系统中的入侵途径主要有以下两种:

1.1传导耦合

这是雷电流和设备常见耦合途径,在设备和雷电流间应有可靠连接,通过这一连接,使雷电流进入设备。这种连接包含下列几种:信号线、互联导线及电源线,若按耦合方式进行分类,可分成电感性、阻抗性与电容性。

如果两条电路电流从同一阻抗上流过,则其中一条电路由于电流流过而产生的电压会对另外一条造成影响,此即为共阻抗。基于此,应尽可能减小线路的阻抗和电源内阻,在缩短的同时对地线进行加粗,实现降低阻抗目标。如果无法减小线路的阻抗及电源内阻,则可在控制回路上设置浪涌保护装置。由电容性耦合造成的过电压和雷电流成正比,对此进行有效抑制的方法为降低耦合电容,在设计中主要通过隔离与屏蔽来实现。由电感性耦合造成的过电压同样和雷电流成正比,对此进行有效抑制的方法为降低互感。

1.2辐射耦合

雷电电磁脉冲在周围介质上以电磁波这一形式不断向外传播,电磁波按照电磁场基本规律持续向周围传播,主要通过机壳、天线及电缆完成。

2系统雷电防护要素与基本思想

2.1对直击雷的防护

根据现行设计规范和要求,监控中心建筑和收费亭,通常是预计雷击次数在0.06次/a以上的关键部分,属二类防雷。采用滚球法对直击雷的防护进行设计和计算,以此确定避雷针个数、高度及整体布局,避免发生直接雷击。

对于其他建筑,应按照相关规范进行防雷设计。在收费大棚中,应将其金属构件作为防雷的接地装置、接闪器与引下线:在道路及广场中装设的照明设备,需要在其顶端安装避雷设施,当设备将混凝土杆作为支撑部分时,杆体可兼作引下线,要求将接地电阻控制在300以内。情报板及摄像机也应进行防雷保护,按照60m的保护半径进行计算,同时和外场其他设备基础进行共用接地。

2.2感应雷和电磁脉冲的有效防护

由感应雷与电磁脉冲作用产生的感应电动势,可通过天馈线、电源线及信号线,在叠加后产生极大的高电压脉冲,使设备与芯片被击穿、损坏。

2.2.1电源防护

对于直击雷的非防护与防护区,需在和第一防护区之间的交界部位设置经I级试验合格的浪涌保护装置。变电所与配电房部位的变压器需要设置与电源相适应的浪涌保护装置,同时进行可靠接地。在收费站照明与外场设备中,应在配电箱中设置与电源相匹配的浪涌保护装置。在第一防护区以后,每个分区之间的交界部位都应设置具有限压功能的浪涌保护装置。比如每个配电箱所在位置都应安装和分区一一对应的浪涌保护装置,在机房的电源配电箱中设置达到C级以上的浪涌保护装置。收费站中,需在电源配电盒部位安装和被保护对象良好适应与匹配的保护装置。对于信息设备,应根据其工作电压确定适宜的保护装置。对于串联型的保护装置,需在设计过程中注意避免负载功率超出其额定功率,同时还要有足够余量。

2.2.2信号系统

信号系统的线缆需在和第一防护区之间的交界部位设置合适的浪涌保护装置。从工控机中进入和流出的信号,应在其输入的部位设置与信号相适应的保护装置;视频摄像与字符叠加器等应装设同轴信号保护装置;应在通信线端口部位装设与信号相适应的保护装置。所有保护装置接地端都应和电缆空线进行接地。

2.3屏蔽与等电位处理

监控中心应布设于建筑低层中,先利用结构钢筋形成可靠屏蔽笼,并在机房的底层留出MEB,同时按照就近原则和主筋进行电气连接。对于机房外墙钢筋应进行适当加密处理,门窗也应使用合适的屏蔽措施,当采用钢筋网时,其网孔尺寸应控制在200mm×200mm以内,和结构主筋进行电气连接,以此形成良好屏蔽笼。在机房中还应采用能有效预防静电的底板,底板下方沿墙体周围与集中区铺设铜排,形成环形闭合网,和之前预留的MEB进行电气连接。如果地板采用金属支撑架,则需按照就近的原则和等电位连接网进行电气连接。引入机房的电缆,应在其末端加设屏蔽层。从收费站中进出的所有线缆,其屏蔽层需按照就近原则和沟中MEB进行电气连接。此外,包含工作台、机柜、支撑架等在内的部分,也需要和MEB实施可靠的连接。

2.4接地系统

共用接地系统主要由两部分组成,分别为等电位连接网与接地装置,其中接地装置主要由人工接地体与自然接地体两部分组成。实现共用接地的关键作用在于实现等电位和均压,减小各设备或系统间的实际电位差。当机电系统所用防雷接地和其他工作或保护接地采用相同装置时,装置电阻应根据最小值来选定。对于接地装置,首先应考虑自然接地体,如结构钢筋等。注意必须在收费站其中一侧进行人工接地体的合理设置,相邻垂直接地体之间的距离和人工接地体之间的距离应按5m严格控制,如果场地空间较小,要进行适当的缩减。在收费站之间,应采用至少3根扁钢进行焊接,形成等电位均压环,同时和共用接地系统进行电气连接,保证连接的可靠性。在办公楼与收费站之间,需要设置扁钢来进行电气连接。

3防雷接地设计

3.1接地电阻

对于环形接地,其水平方向上的地极为热镀锌扁钢,而垂直方向上的地极为热镀锌角钢,埋深按1.5m控制。接地电阻采用以下公式进行计算:

式中,.为土壤电阻率（Q·m）,取400Q·m:1为镀锌扁钢的长度（m）:h为镀锌扁钢的设计埋深（m）,取1.5m:d为接地体直径（m）,取0.02m:A为形状参数,取1.69。

根据式（1）可得:

式中,.为土壤电阻率（Q·m）,取400Q·m:1为镀锌角钢的长度（m）,取2.5m:d为接地体直径（m）,取0.042m:71为利用系数,取0.75。

对于复合接地体,其接地电阻可采用以下公式计算得出:

式中,71=0.85。

3.2腐蚀计算与热稳定校验

最小截面计算公式为:

式中,sg为最小截面（mm2）:Ig为短路电流（A）,根据二类防雷标准,将其确定为1.5x105A:1c为短路持续时间（s）,取0.1×10-4s:c为热稳定系数,对于钢材,其值为70。

将相应数值代入到式（5）后可得最小截面为6.78mm2:从设计资料中可知,土壤的pH值等于6.5,为中性土壤,通过查表可知其腐蚀速度为0.065mm/a,当设计使用寿命为30年时,腐蚀厚度可达1.95mm。对于垂直和水平接地体,其经过30年以后的截面积为288mm2与76mm2,均比以上计算结果大,说明热稳定度符合要求。

4结语

综上所述,在机电工程设计过程中,需要保证防雷部分的系统性及综合性,并在参数确定、产品选择、材料选择和安装上进行深入的分析研究,保证系统方案合理性及完整性,使各项技术指标都能达到工艺要求。