高速公路通信、监控、收费系统的防雷方案

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一、概述

高速公路系统具有线长、面广等特点，既有强电设备，又有大量的监控、通信、传感等弱点设备，外场设备遍布全路段，旷野区域往往有突出的设备点，电力线路往往要翻山越岭，传输和控制线路经常需要穿越复杂的地质层面，这些都是易遭雷击或雷电感应的薄弱的。同时，在高速公路机电设计和施工中强电和弱点系统的防雷问题一直不被重视，接地的要求也不统一，弱电系统的接地处理更为简单。

    因此，采用完善的综合防雷手段构成一套完整的防雷体系，这就是现代防雷的新理论：综合防雷理论。目前高速公路建设发展迅速，为了使高速公路畅通无阻，保证高速公路通信、监控、收费系统正常运行，将雷电灾害降低到最低限度，防雷工程技术人员应对系统进行全面规划、综合治理、制定完善的综合防雷设计方案。

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、GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》

2、GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》

3、IEC61312《雷电电磁脉冲的防护》

4、GB50174-2008《电子信息系统机房设计规范》

5、GA/T 670-2006《安全防范系统雷电浪涌防护技术要求》

6、GB/T50311-2000《建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范》

三、高速公路通信、监控、收费系统的基本组成

1、每一条高速公路在其管理的区间内均设有一监控中心大楼。监控中心一般设在高速公路的出、入口处，也有设在管理区间的中心部位。中心一般设置有大型地图板和监控电视系统，并配有多画面切换控制设备、视频监视器、低速录象设备及自动转换装置。中心配备有计算机网络系统、负责管理各收费站的收费信息、紧急电话的控制、公路出入口及中间各大型电子显示屏的控制和公路沿线的小型电子提示牌的控制等。中心大楼内还有程控交换机系统、中心控制台、光缆通信的两个或四个8Mbit/s接口的光端机、电端机及上网设备、无线电话系统、UPS供电系统等多种电子设备。

2、在每个收费站配备有光缆通信设备，收费用的计算机局域小网，收费站信号灯控制系统，监视、摄像、记录系统，控制操作台，站内电话控制台、无线对讲电话等。

3、在每个收费亭内配备有收费计算机网络系统工作站专用计算机，收费票据打印机，收费指示板，指示灯，车道控制机，自动栏杆，语音提示系统，车辆过境自动计数器，对讲电话和空调及供电系统等设备。

4、在公路沿线及收费站广场设置了多个监控摄像头，将摄像头的视频信号通过光缆、同轴电缆、对称电缆或通过微波传输系统，将视频信号或语音信号传到中心监控室，以利控制中心掌握公路沿线的车辆行驶运行情况，便于指挥调度。

5、道路LED指示牌。LED指示牌发布高速公路即时信息，位于空旷的环境中，其控制信号线一般由光纤组成，系统电源采用就地变压（主要是使用开关电源）的措施，由电源引起的雷击事故较为普遍。

四、高速公路的综合防雷原则

高速公路的综合防雷设计应考虑环境因素、雷电活动规律、系统设备的重要性、发生雷灾后果的严重程度，分别采取相应的防护措施。

1、在进行综合防雷设计时，应坚持全面规划、综合治理、优化设计、多重保护、技术先进、经济合理、定期检测、随机维护的原则，进行综合设计及维护。

2、高速公路综合防雷系统的防雷设计应采用直击雷防护、等电位连接、屏蔽、合理布线、其用接地系统和安装电涌保护装置等措施进行综合防护。必须坚持预防为主，安全第一的指导方针。

3、高速公路综合防雷系统应根据所在地区雷暴等级、设备放置在雷电防护区的位置不同，采用不同的防护标准。为确保防雷设计的科学性、先进性，高速公路建设工程在设计前宜做高速公路沿线现场雷电环境评估。

五、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 GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》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不锈钢避雷针，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25mm2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。可选TLS系列避雷针，根据针高和安装方式不同来选择。

六、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一套雷电通流容量Iimp≥25kA（波形10/350μs）；响应时间Ta≤50ns的三相电涌保护器SPD1，型号为：TPS B50-PRO 4P，作为一级保护。（TPS B100 4P可选）

在楼层分盘上安装一套雷电通流量Imax≥40kA（波形8/20μs）；响应时间Ta≤25ns的三相电涌保护器SPD2，型号为：TPS C40 3P+N，作为二级保护。

在UPS电源前安装一套雷电通流容量Imax≥20kA（波形8/20μs）；响应时间Ta≤50ns的单相电涌保护器SPD3，型号为：TPS D20 2P，作为三级保护。

在UPS电源后或设备前安装一套雷电通流容量Imax≥10kA（波形8/20μs）；响应时间Ta≤50ns的单相电涌保护器SPD4，型号为：TPS D10 JF7，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一套雷电通流量Imax≥20kA（波形8/20μs）；响应时间Ta≤25ns的单相电涌保护器SPD，型号为：TPS D20 2P，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。

广场摄像头前端低压直流供电线路两端各安装一只通流容量In≥1kA（波形8/20μs）；响应时间Ta≤25ns的低压电涌保护器SPD，以保护低压直流供电线路安全，型号为：TPS-D10-24V。

在公路沿线的云台摄像头供电线路配电盘输出端各安装一套雷电通流量Imax≤40kA（波形8/20μs）；响应时间Ta≤25ns的单相电涌保护器，型号为：TPS C40 1P+N，作为一级保护。在直流整流供电设备前安装一套雷电通流量Imax≥20kA（波形8/20μs）；响应时间 Ta≤25ns的单相电涌保护器，型号为：TPS D20 2P，作为二级保护。在摄像头直流供电线路上安装一只通流容量Imax≥2kA（波形 8/20μs）；响应时间Ta≤25ns的低压电涌保护器以保护摄像头供电线路安全，型号为：TPS-D10-24V。

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一套雷电通流量Imax≤40kA（波形8/20μs）；响应时间Ta≤25ns的单相电涌保护器，型号为：TPS C40 1P+N，作为一级保护；在稳压整流器设备前安装一套雷电通流量Imax≥20kA（波形8/20μs）；响应时 间Ta≤25ns的单相电涌保护器，型号为：TPS D20 2P，作为二级保护；在未级设备供电处安装防雷插座，通流容量Imax≥7kA（波形 8/20μs）；响应时间Ta≤25ns的单相电涌保护器，型号为：TPS D10 JF7，作为三级电源保护。

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SPD各一只，型号为：TTS-CoaxB-TV/S，以保护摄像头。

（2）在公路沿线云台的摄像头上各安装一只视频信号电涌保护器，型号为：TTS-CoaxB-TV/S，以保护摄像头。（可选三合一监控多功能电涌保护器）

（3）在收费电脑视频卡视频输入、输出BNC端口安装视频信号SPD各1个，型号为：TTS-CoaxB-TV/S，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）间安装一只计算机网络信号SPD，型号为：TTS-RJ45-E100/4S，以保护服务器。

（2）在监控中心机房网络交换机至收费亭的计算机间的数据线两端各安装一只计算机网络信号SPD，型号为：TTS-RJ45-E100/4S，以保护网络交换机和收费亭计算机网络端口。

（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SPD，型号为：TTS-VF-24/4S，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信号避雷器1个，通流容量5KA（波形8/20μs），型号为：TPS-D10-24V。

（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，其标称导通电压为Un≤1.5Uc ；雷电通流量Ia≥5kA（波形8/20μs）；响应时间Ta≤50ns 的程控电话SPD，型号为：TTS-RJ45-TELE/4S。

七、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。

为改善电磁环境，所有与建筑物组合在一起的大尺寸金属部件都应等电位连接在一起，并与接地装置相连。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。

在需要保护的空间内，当采用屏蔽电缆时其屏蔽层至少在两端并宜在雷电防护区交界处做等电位连接。当微电子设备系统要求只在一端做等电位连接时，可将屏蔽电缆穿金属管引入，金属管在一端做等电位连接。

建筑物之间的连接电缆应敷设在金属管道内，这些金属管道从一端到另一端应全线电气贯通，并连到各建筑物的等电位连接带上。电缆屏蔽层也应连到这些带上。

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。

八、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。将进入监控中心大楼的各类管线的屏蔽层、机架等在进入大楼前进行等电位连接后接地。在进入设备前再进行二次等电位连接后接地。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。

2、将分开的外导电装置用等电位连接导体连接后接地，以减少系统设备所在的建筑物金属构件与设备之间或设备与设备之间因雷击产生的电位差。利用钢筋混凝土结构的建筑物内所有金属构件的多重连接建立一个三维的连接网络是实现等电位连接的最佳选择。为方便等电位连接施工，应在一些合适的地方预埋等电位连接预留件。

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。

3、在建筑物入口处，即LPZ0B与LPZ1区交界进行总等电位连接后接地，在后续的雷电防护区交界处按总等电位连接的方法进行局部等电位连接，连接主休应包含系统设备本身（含外露可导电部分）、PE线、机柜、机架、电气和电子设备的外壳、直流工作地、防静电接地、金属屏蔽线缆外层、管道、屏蔽槽、电涌保护器SPD的接地等均应以最短的距离就近与这个等电位连接带直接连接。连接基本方法应采用网型（M）结构或星型（S）结构。网型结构的环行等电位连接带应每隔5m经建筑物墙内钢筋、金属立面与接地系统连接。当采用S型等电位连接网络时，系统的所有金属组件除在接地基准点，即ERP处连接外，均应与共用接地系统的各组件有足够的绝缘（大于10KV, 1.2/50μs）。

4、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。

5、埋于土壤中的人工垂直接地体宜采用角钢、钢管或圆钢；埋于土壤中的人工水平接地体宜采用扁钢或圆钢。圆钢直径不应小于10mm扁钢截面不应小100mm²,其厚度不应小于4mm；角钢不应小于40mmX40mmX4mm；钢管壁厚不应小于3.5mm。人工垂直接地体的长度宜为2.5m。人工垂直接地体间的距离及人工水平接地体间的距离宜为5m，当受条件限制时可适当减小。人工接地体在土壤中的埋设深度不应小于0.5m，在冻土区人工接地体应埋 设在冻土层以下。接地体应远离由于砖窑、烟道等高温影响土壤电阻率升高的地方。

6、在高土壤电阻率地区，降低接地装置接地电阻宜采用下列方法：

A、采用多支线外引接地装置，外引长度不应大于60m；

B、为了有效降低接地电阻，可适当使用降阻剂；

C、换土法。

7、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。该地网引出极应用40 X 4mm镀锌扁钢制作，用截面积大于50 mm²的BR铜线从引出极引出至各收费亭供 接地专用。一根以最短路径引入主机房接地母排上供机房接地专用。

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。各分散的地网通过电源系统的安全保护地连通全线达到等电位连接的目的。