一、概述
雷電災(zāi)害是“聯(lián)合國國際減災(zāi)十年”公布的最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一。最新統(tǒng)計(jì)資料表明，雷電造成的損失已經(jīng)上升到自然災(zāi)害的第三位。美國排名前1000名的企業(yè)，平均每個(gè)企業(yè)每年因雷擊損失20萬美元 ，我國，每年因雷擊造成的人員傷亡近萬人，雷擊造成的財(cái)產(chǎn)損失估計(jì)在50~100億元左右。
廣東省目前廣東平均年雷暴日近90天，頻繁程度在全國列第二位，但由于現(xiàn)代化程度較高，雷擊損失列全國第一位。
大量的微電子通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安置在各種建筑物內(nèi)，因感應(yīng)雷造成室內(nèi)信息系統(tǒng)微電子設(shè)備損壞的可能性大大增加，每年所發(fā)生的各種雷擊事件一再證明：常規(guī)建筑物所設(shè)計(jì)安裝的防直擊雷裝置并不能有效的防止因雷電感應(yīng)、電磁脈沖、靜電和雷電波侵入對通信系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所造成的危害。
二、高速公路綜合防雷設(shè)計(jì)方案的依據(jù)
高速公路綜合防雷在設(shè)計(jì)時(shí)主要采用以下標(biāo)準(zhǔn)，供設(shè)計(jì)時(shí)參照。
1、 GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》
2、 GB50343-2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》
3、 IEC61024《建筑物防雷》
4、 I EC61312《雷電電磁脈沖的防護(hù)》
5、 GB50174-93《電子計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》
三、高速公路建筑物直擊雷防護(hù)措施
1、監(jiān)控中心大樓一般設(shè)置在高速公路的出入端或控制管理區(qū)域的中心位置。由于周圍地形比較空曠，樓層一般都在六層以上，高度超過20m且樓頂還安裝有各類通信天線、有的還架設(shè)有鐵塔，這些都是直擊雷的重要目標(biāo)。由于樓內(nèi)有大量實(shí)時(shí)運(yùn)行的電子、微電子設(shè)備，又是整個(gè)機(jī)場的指揮高度中心，根據(jù)GB50057-94《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，可定為二類防雷建筑。按滾球法（滾球法半徑45m）設(shè)計(jì)避雷針。設(shè)計(jì)方法請參照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄四的要求，決定避雷針的數(shù)目、布局、高度，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮避雷針抗當(dāng)?shù)?0年最大風(fēng)的抗風(fēng)強(qiáng)度，并留有一定余量。
2、為了減少避雷針的維護(hù)，防止酸雨對避雷針的腐蝕，應(yīng)在監(jiān)控中心大樓樓頂安裝不銹鋼避雷針，其高度和數(shù)量根據(jù)滾球法計(jì)算其保護(hù)范圍能覆蓋整幢中心大樓的天面和各類天線，使其能有效防止直接雷擊以保護(hù)大樓的樓頂和各類通信天線的安全。
3、在公路沿線安裝監(jiān)控?cái)z像頭的云臺(tái)桿頂、收費(fèi)站廣場云臺(tái)桿頂以及LED指示牌頂各安裝一套不銹鋼避雷針，以保護(hù)云臺(tái)攝像頭等設(shè)備免遭直擊雷危害。
4、在高速公路收費(fèi)站鋼架屋頂上和大型室外電子顯示屏頂端左右對稱各安裝一套鐵塔銅針尖避雷針，以保護(hù)收費(fèi)站鋼架屋頂和電子顯示屏框架結(jié)構(gòu)免遭直擊雷危害。
5、避雷針的引下線最好利用鋼結(jié)構(gòu)柱做泄流線，條件不允許時(shí)，也可以單獨(dú)用35mm2以上的銅絞線穿鍍鋅鋼管屏蔽，并做絕緣處理，從避雷針尖直接以最短路徑入地，以減少泄流時(shí)的雷擊電磁脈沖輻射而損壞微電子設(shè)備和室外大型電子顯示屏編碼控制系統(tǒng)。
四、雷擊電磁脈沖（LEMP）的防護(hù)措施
雷擊電磁脈沖（LEMP）所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢通過侵入通道疊加在線路信號(hào)上產(chǎn)生瞬間高電壓，擊毀各類用電設(shè)備和微電子芯片，因此在實(shí)施防雷工程時(shí)必須將感應(yīng)雷擊作為重點(diǎn)，進(jìn)行有效的防御。在設(shè)計(jì)綜合防雷時(shí)，應(yīng)從以上通道進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)，同時(shí)做好等電位連接和共用接地系統(tǒng)。
1、電源系統(tǒng)的防雷措施
在監(jiān)控中心大樓的總配電盤上安裝第一級SPD1：AT PORT／4P－B100三相電源B級防雷箱，初步衰減從電源線引入的強(qiáng)雷電流和高電壓。其技術(shù)參數(shù)：最高防雷擊電流Iimp=100 KA（8/20）、響應(yīng)時(shí)間tA≤100 ns ，有劣化顯示功能，作為一級保護(hù)。
在樓層分盤上安裝第二級SPD2：AT T385／4P－C40三相電源防雷箱，進(jìn)一步衰減從第一級分流下來的強(qiáng)雷電流和高電壓，把雷電流脈沖降低到設(shè)備能承受的水平。其技術(shù)參數(shù)：最高防雷擊電流Iimp=40KA（8/20）、響應(yīng)時(shí)間tA≤25 ns ，有劣化顯示功能，作為二級保護(hù)。
在UPS電源前安裝第三級SPD3：AT T275／2P－C20單相電源防雷箱，進(jìn)一步衰減從第一級分流下來的強(qiáng)雷電流和高電壓，把雷電流脈沖降低到設(shè)備能承受的水平。其技術(shù)參數(shù)：最高防雷擊電流Iimp=20KA（8/20）、響應(yīng)時(shí)間tA≤25 ns ，有劣化顯示功能，作為三級保護(hù)。
在UPS電源后或設(shè)備前安裝第四級SPD4：AT A6420NS單相電源防雷插座，再次衰減從第一二三級防雷器過濾的殘壓，實(shí)現(xiàn)精細(xì)保護(hù)級別。其技術(shù)參數(shù)：最高防雷擊電流Iimp=19KA（8/20）、響應(yīng)時(shí)間tA≤25 ns ，有劣化顯示功能，作為四級精細(xì)保護(hù)。
在強(qiáng)雷區(qū)應(yīng)設(shè)SPD1－SPD4。四級防護(hù)；在多雷區(qū)和高雷區(qū)可選擇SPD1、SPD2和SPD3三級作為電源系統(tǒng)防護(hù)選擇標(biāo)準(zhǔn)；在少雷區(qū)可選擇SPD1和SPD3二級作為電源系統(tǒng)防護(hù)選擇標(biāo)準(zhǔn)。
SPD連接導(dǎo)線應(yīng)短而直，SPD連接導(dǎo)線不宜大于0.5m，當(dāng)長度大于0.5m時(shí)應(yīng)適當(dāng)加粗線徑。當(dāng)SPD1～SPD2的線距小于10m、SPD2～SPD3的線距小于5m、SPD3 ～SPD4的線距小于5m時(shí)，應(yīng)在兩SPD間加裝退耦裝置。為防止SPD老化造成短路，要求SPD安裝線路上應(yīng)有過流保護(hù)裝置，應(yīng)選用有劣化顯示功能的SPD
在收費(fèi)亭內(nèi)的供電線路上各安裝德國AT T275／2P－C20單相電源防雷箱，其技術(shù)參數(shù)：最高防雷擊電流Iimp=20KA（8/20）、響應(yīng)時(shí)間tA≤25 ns ，有劣化顯示功能，保護(hù)各亭收費(fèi)計(jì)算機(jī)、票據(jù)打印機(jī)、收費(fèi)指示板、指示燈、自動(dòng)攔桿、車道控制器、語音提示系統(tǒng)、對講機(jī)等電源線路安全。
廣場攝像頭頭部低壓直流供電線路兩端各安裝 AT 24V單相電源防雷箱，其技術(shù)參數(shù)：最高防雷擊電流Iimp=5KA（8/20）、響應(yīng)時(shí)間tA≤25 ns ，有劣化顯示功能，以保護(hù)低壓直流供電線路安全。
在公路沿線的云臺(tái)攝像頭供電線路配電盤輸出端各安裝SPD1：AT T385／2P－C40單相電源防雷箱，其技術(shù)參數(shù)：最高防雷擊電流Iimp=40KA（8/20）、響應(yīng)時(shí)間tA≤25 ns ，有劣化顯示功能，作為一級保護(hù)。在直流整流供電設(shè)備前安裝SPD2：AT T275／2P－C20單相電源防雷箱，其技術(shù)參數(shù)：最高防雷擊電流Iimp=20KA（8/20）、響應(yīng)時(shí)間tA≤25 ns ，有劣化顯示功能，作為二級保護(hù)。在攝像頭直流供電線路上安裝SPD3：AT 24V單相電源防雷器，其技術(shù)參數(shù)：最高防雷擊電流Iimp=5KA（8/20）、響應(yīng)時(shí)間tA≤25 ns ，有劣化顯示功能，以保護(hù)攝像頭供電線路安全。
在進(jìn)、出高速公路兩端和中間的大型電子顯示屏電源線路配電盤上各安裝SPD1：AT T275／2P－C40單相電源防雷箱，其技術(shù)參數(shù)：最高防雷擊電流Iimp=40KA（8/20）、響應(yīng)時(shí)間tA≤25 ns ，有劣化顯示功能，作為一級保護(hù)；在穩(wěn)壓整流器設(shè)備前安裝SPD2：AT T275／2P－C20單相電源防雷箱，其技術(shù)參數(shù)：最高防雷擊電流Iimp=20KA（8/20）、響應(yīng)時(shí)間tA≤25 ns ，有劣化顯示功能，作為二級保護(hù)；在未級設(shè)備供電處安裝安裝第三級SPD3：AT A6420NS單相電源防雷轉(zhuǎn)換器，再次衰減從第一二級防雷器過濾的殘壓，實(shí)現(xiàn)精細(xì)保護(hù)級別。其技術(shù)參數(shù)：最高防雷擊電流Iimp=19KA（8/20）、響應(yīng)時(shí)間tA≤25 ns ，有劣化顯示功能，作為三級精細(xì)保護(hù)。
2、視頻信號(hào)傳輸線路的防護(hù)措施
（1）在廣場攝像頭到控制中心和收費(fèi)亭車道的監(jiān)控?cái)z像頭到控制中心的視頻傳輸電纜兩端應(yīng)安裝視頻信號(hào)避雷器：AT BNC－VIDEO各一只，其技術(shù)參數(shù)：最高防雷擊電流Iimp=5KA（8/20）、響應(yīng)時(shí)間tA≤1 ns ，以保護(hù)攝像頭。
（2）在公路沿線云臺(tái)的攝像頭上各安裝視頻信號(hào)避雷器：AT BNC－VIDEO各一只，其技術(shù)參數(shù)：最高防雷擊電流Iimp=5KA（8/20）、響應(yīng)時(shí)間tA≤1 ns ，以保護(hù)攝像頭。
（3）在收費(fèi)電腦視頻卡視頻輸入、輸出BNC端口安裝視頻信號(hào)避雷器：AT BNC－VIDEO各一只，其技術(shù)參數(shù)：最高防雷擊電流Iimp=5KA（8/20）、響應(yīng)時(shí)間tA≤1 ns ，各1個(gè)，保護(hù)收費(fèi)電腦。
3、收費(fèi)系統(tǒng)信號(hào)線的防護(hù)措施
（1）在監(jiān)控中心機(jī)房計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器至網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)（HUB）間安裝網(wǎng)絡(luò)信號(hào)避雷器：AT RJ45－100，其技術(shù)參數(shù)：最高防雷擊電流Iimp=2.5KA（8/20）、響應(yīng)時(shí)間tA≤1 ns ，以保護(hù)服務(wù)器。
（2）在監(jiān)控中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)至收費(fèi)亭的微機(jī)間的數(shù)據(jù)線兩端各安裝一只計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)避雷器：AT RJ45－100，其技術(shù)參數(shù)：最高防雷擊電流Iimp=2.5KA（8/20）、響應(yīng)時(shí)間tA≤1 ns ，以保護(hù)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和收費(fèi)亭微機(jī)網(wǎng)絡(luò)端口。
（3）在電子顯示屏的光、電端機(jī)編碼器之后至控制器兩端各安裝一只數(shù)據(jù)線信號(hào)避雷器：AT KZ，其技術(shù)參數(shù)：最高防雷擊電流Iimp=5KA（8/20）、響應(yīng)時(shí)間tA≤1 ns ，以保護(hù)光、電端機(jī)、編碼器和控制器。
（4）收費(fèi)亭與監(jiān)控中心有線對講系統(tǒng)兩端各安裝音頻避雷器1個(gè)，AT B140-2-D10，其技術(shù)參數(shù)：最高防雷擊電流Iimp=10KA（8/20）、響應(yīng)時(shí)間tA≤25 ns 。
（5）宜在程控電話和緊急電話傳輸線兩端安裝程控電話電涌保護(hù)器：AT TEL-RJ45/11，其技術(shù)參數(shù)：最高防雷擊電流Iimp=5KA（8/20）、響應(yīng)時(shí)間tA≤1 ns 。
五、屏蔽措施
1、屏蔽是減少電磁干擾的基本措施，宜采取以下措施：外部屏蔽措施、線路敷設(shè)于合適的路徑、線路屏蔽，這些措施宜聯(lián)合使用。屋頂為金屬表面、立面金屬表面、混凝土內(nèi)鋼筋和金屬門窗框架，都必須進(jìn)行等電位連接后接地。
2、實(shí)踐中建筑物或房間的大空間屏蔽是由金屬支撐物、金屬框架或鋼筋混凝土的鋼筋這些自然構(gòu)件組成的。這些構(gòu)件構(gòu)成一個(gè)格柵形大空間屏蔽。穿入這類屏蔽的導(dǎo)電金屬物應(yīng)就近與其做等電位連接后接地。
3、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備機(jī)房位置應(yīng)選擇在LPZ最高級區(qū)和避免設(shè)在建筑物的頂三層內(nèi)；當(dāng)建筑物天面部分的避雷網(wǎng)格尺寸不符合系統(tǒng)抗干擾的要求時(shí)，應(yīng)在天面加裝屏蔽層。使用非屏蔽電纜，入戶前應(yīng)穿金屬管并埋入地中水平距離10m以上。如受條件限制無法穿金屬管埋地入戶，則應(yīng)加長入戶屏蔽管或棧橋長度，金屬管或棧橋的兩端以及在雷電防護(hù)區(qū)交界處要做等電位連接和接地。
4、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備為金屬外殼時(shí)，應(yīng)用最短的導(dǎo)線將其與等電位連接帶連接。如是非金屬外殼，當(dāng)設(shè)備所在建筑物屏蔽未達(dá)到設(shè)備的電磁兼容性要求時(shí)，應(yīng)加裝金屬網(wǎng)或其它屏蔽體對設(shè)備屏蔽，金屬網(wǎng)應(yīng)與等電位連接帶進(jìn)行等電位連接。
5、計(jì)算機(jī)、通信、監(jiān)控機(jī)房的設(shè)備應(yīng)與建筑物外墻保護(hù)1m左右距離。以防止大樓遭到直擊雷時(shí)沿外墻泄流入地的引下線周圍產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁場而損壞微電子設(shè)備。
七、等電位連接與共用接地
1、等電位連接是現(xiàn)代防雷技術(shù)重要的防護(hù)措施之一。將廣場攝像頭輸出的同軸電纜的外層和其它管線外層在進(jìn)入大樓前進(jìn)行等電位連接后接地。
進(jìn)入系統(tǒng)所在建筑物的各類水管、采暖和空調(diào)管道等金屬管道的金屬外層在進(jìn)入建筑物處應(yīng)做等電位連接，燃?xì)夤艿廊霊艉髴?yīng)在法蘭盤連接處插入一塊絕緣兩端用開關(guān)型SPD連接后戶內(nèi)金屬管道可參加等電位連接，并與建筑物組合在一起的大尺寸金屬件連接在一起，按GB50054的要求做總等電位連接之后，接向總等電位連接帶，并可靠連通接地。
2、宜利用建筑物的基礎(chǔ)鋼筋地網(wǎng)作為共用接地系統(tǒng)。如建筑物沒有基礎(chǔ)鋼筋地網(wǎng)，宜在建筑物四周埋設(shè)人工垂直接地體和水平環(huán)型接地體。接地體的接地電阻不宜大于4Ω。原則上應(yīng)在各雷電防護(hù)區(qū)界面處做等電位連接，但由于工藝要求或其它原因，被保護(hù)設(shè)備的安裝位置不會(huì)正好設(shè)在界面可能發(fā)生的電涌電壓時(shí)，電涌保護(hù)器安裝在被保護(hù)設(shè)備處，而線路的金屬保護(hù)層或屏蔽層宜首先在界面處做一次等電位連接接地。
3、接地系統(tǒng)
避雷器首先是一種雷擊放電流的泄放通道，也是一種等電位連接器。所有避雷器的保護(hù)原理是在雷擊瞬間保證設(shè)備、大地、建筑物及其附屬設(shè)備之間構(gòu)成等電位體，從而避免過電壓的損害，其中最關(guān)鍵的就是接地系統(tǒng)。
3.1 理想的接地裝置（包括從接閃器到地面的引線）是沒有電阻的，當(dāng)雷擊時(shí)，不論雷電流有多大，接地裝置上任何一點(diǎn)對大地的電勢差為零，這樣對人和設(shè)備時(shí)絕對安全的。但是，這樣的接地裝置實(shí)際上是不存在的。因此接地阻值應(yīng)盡可能地小，依據(jù)《計(jì)算機(jī)機(jī)房接地規(guī)范》以及其它有關(guān)國家防雷標(biāo)準(zhǔn)地要求，機(jī)房的接地電阻值應(yīng)小于4歐姆，并采取聯(lián)合接地的方式。
3.2 為了保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備穩(wěn)定可靠的工作，防止寄生電容耦合干擾，保護(hù)設(shè)備及人身的安全，解決環(huán)境電磁干擾及靜電危害，都必須有良好地接地系統(tǒng)。
3.3按照IEC整體防雷技術(shù)的接地要求，保證設(shè)備在雷擊瞬間應(yīng)處在等電位狀態(tài)。由于部分設(shè)備的信號(hào)地、保護(hù)地相對獨(dú)立，從“節(jié)約、實(shí)效”的原則考慮，將各地網(wǎng)簡單相連。目前收費(fèi)站下的地網(wǎng)結(jié)構(gòu)基本上已構(gòu)成聯(lián)合接地形式，但尚未做到完全的等電位連接。
3.4在雷擊瞬間，由于避雷器件的快速導(dǎo)通和大電流的泄放，使設(shè)備內(nèi)部線路器件、機(jī)殼、鐵塔和建筑墻體金屬構(gòu)件以及金屬屏蔽物等都與地網(wǎng)同時(shí)連通。這樣在雷電發(fā)生的瞬間，機(jī)房內(nèi)部和外部各個(gè)物體處在與地網(wǎng)相等的電位上，各部分達(dá)成了等電位，從而避免了設(shè)備因物件之間的電勢差而被損壞。
3.5 根據(jù)各系統(tǒng)目前的接地情況，建議在各接地系統(tǒng)形成聯(lián)合接地的前提下，嚴(yán)格按照規(guī)范保持各接地點(diǎn)的距離，并將管理中心內(nèi)的所有裸露的金屬部件全部短接，穿導(dǎo)線的鐵管也一樣連接，電源系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)設(shè)一專用接地母排，并應(yīng)使各接地線盡量做到短而直。
3.6在監(jiān)控中心大樓周圍應(yīng)做一環(huán)型閉合接地電阻小于4Ω的復(fù)式混合地網(wǎng)，澆灌長效降阻劑，以保證地阻常年穩(wěn)定。此地網(wǎng)主要用于監(jiān)控中心大樓和收費(fèi)亭的安全保護(hù)接地。并與大樓并網(wǎng)作為共用接地系統(tǒng)。接地地網(wǎng)：引下線50平方800多芯接地線+接地體。接地體：是埋于地下與引下線入地相連接，雷擊電流由此發(fā)散到大地。通常用400cm×500 cm×60 cm自動(dòng)降阻接地模塊AT和AT 優(yōu)化深打接地棒Φ20mm×4500mm（4.5米長)組成垂直接地體，再用40 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼銅鐵接頭連接引下線，以滿足國家防雷規(guī)范接地電阻。一根以最短路徑引入主機(jī)房接地母排上供機(jī)房接地專用。
3.7在公路沿線云臺(tái)桿下面各做一個(gè)小于4Ω的聯(lián)合地網(wǎng)，每個(gè)地網(wǎng)做兩個(gè)引出極，極間距宜大于5m，一根引出極作為防直擊雷接地，一根引出極作設(shè)備安全接地用。每根地線穿1.5英寸鍍鋅鋼管屏蔽后，引到云臺(tái)桿頂和設(shè)備間供兩種接地用。
高速公路通信、監(jiān)控、收費(fèi)系統(tǒng)的防雷方案