關(guān)于一級公路機(jī)電系統(tǒng)過電壓保護(hù)與防雷接地的設(shè)計(jì)分析

引言

在現(xiàn)代公路中,機(jī)電系統(tǒng)的作用越來越重要,其能否安全和穩(wěn)定運(yùn)行,決定了公路服務(wù)效果與質(zhì)量。作為復(fù)雜的信息系統(tǒng),機(jī)電系統(tǒng)容易遭受雷擊而損壞,對其正常運(yùn)行造成影響。因此,需要重視并做好過電壓保護(hù)及防雷接地。

1過電壓在系統(tǒng)中的入侵途徑

研究表明,過電壓造成的設(shè)備破壞是導(dǎo)致公路機(jī)電系統(tǒng)無法正常運(yùn)行的重要原因。機(jī)電系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且控制回路很多,所以易遭受雷擊而毀壞。雷電在系統(tǒng)中的入侵途徑主要有以下兩種:

1.1傳導(dǎo)耦合

這是雷電流和設(shè)備常見耦合途徑,在設(shè)備和雷電流間應(yīng)有可靠連接,通過這一連接,使雷電流進(jìn)入設(shè)備。這種連接包含下列幾種:信號線、互聯(lián)導(dǎo)線及電源線,若按耦合方式進(jìn)行分類,可分成電感性、阻抗性與電容性。

如果兩條電路電流從同一阻抗上流過,則其中一條電路由于電流流過而產(chǎn)生的電壓會(huì)對另外一條造成影響,此即為共阻抗?；诖?應(yīng)盡可能減小線路的阻抗和電源內(nèi)阻,在縮短的同時(shí)對地線進(jìn)行加粗,實(shí)現(xiàn)降低阻抗目標(biāo)。如果無法減小線路的阻抗及電源內(nèi)阻,則可在控制回路上設(shè)置浪涌保護(hù)裝置。由電容性耦合造成的過電壓和雷電流成正比,對此進(jìn)行有效抑制的方法為降低耦合電容,在設(shè)計(jì)中主要通過隔離與屏蔽來實(shí)現(xiàn)。由電感性耦合造成的過電壓同樣和雷電流成正比,對此進(jìn)行有效抑制的方法為降低互感。

1.2輻射耦合

雷電電磁脈沖在周圍介質(zhì)上以電磁波這一形式不斷向外傳播,電磁波按照電磁場基本規(guī)律持續(xù)向周圍傳播,主要通過機(jī)殼、天線及電纜完成。

2系統(tǒng)雷電防護(hù)要素與基本思想

2.1對直擊雷的防護(hù)

根據(jù)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范和要求,監(jiān)控中心建筑和收費(fèi)亭,通常是預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)在0.06次/a以上的關(guān)鍵部分,屬二類防雷。采用滾球法對直擊雷的防護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算,以此確定避雷針個(gè)數(shù)、高度及整體布局,避免發(fā)生直接雷擊。

對于其他建筑,應(yīng)按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)。在收費(fèi)大棚中,應(yīng)將其金屬構(gòu)件作為防雷的接地裝置、接閃器與引下線:在道路及廣場中裝設(shè)的照明設(shè)備,需要在其頂端安裝避雷設(shè)施,當(dāng)設(shè)備將混凝土桿作為支撐部分時(shí),桿體可兼作引下線,要求將接地電阻控制在300以內(nèi)。情報(bào)板及攝像機(jī)也應(yīng)進(jìn)行防雷保護(hù),按照60m的保護(hù)半徑進(jìn)行計(jì)算,同時(shí)和外場其他設(shè)備基礎(chǔ)進(jìn)行共用接地。

2.2感應(yīng)雷和電磁脈沖的有效防護(hù)

由感應(yīng)雷與電磁脈沖作用產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢,可通過天饋線、電源線及信號線,在疊加后產(chǎn)生極大的高電壓脈沖,使設(shè)備與芯片被擊穿、損壞。

2.2.1電源防護(hù)

對于直擊雷的非防護(hù)與防護(hù)區(qū),需在和第一防護(hù)區(qū)之間的交界部位設(shè)置經(jīng)I級試驗(yàn)合格的浪涌保護(hù)裝置。變電所與配電房部位的變壓器需要設(shè)置與電源相適應(yīng)的浪涌保護(hù)裝置,同時(shí)進(jìn)行可靠接地。在收費(fèi)站照明與外場設(shè)備中,應(yīng)在配電箱中設(shè)置與電源相匹配的浪涌保護(hù)裝置。在第一防護(hù)區(qū)以后,每個(gè)分區(qū)之間的交界部位都應(yīng)設(shè)置具有限壓功能的浪涌保護(hù)裝置。比如每個(gè)配電箱所在位置都應(yīng)安裝和分區(qū)一一對應(yīng)的浪涌保護(hù)裝置,在機(jī)房的電源配電箱中設(shè)置達(dá)到C級以上的浪涌保護(hù)裝置。收費(fèi)站中,需在電源配電盒部位安裝和被保護(hù)對象良好適應(yīng)與匹配的保護(hù)裝置。對于信息設(shè)備,應(yīng)根據(jù)其工作電壓確定適宜的保護(hù)裝置。對于串聯(lián)型的保護(hù)裝置,需在設(shè)計(jì)過程中注意避免負(fù)載功率超出其額定功率,同時(shí)還要有足夠余量。

2.2.2信號系統(tǒng)

信號系統(tǒng)的線纜需在和第一防護(hù)區(qū)之間的交界部位設(shè)置合適的浪涌保護(hù)裝置。從工控機(jī)中進(jìn)入和流出的信號,應(yīng)在其輸入的部位設(shè)置與信號相適應(yīng)的保護(hù)裝置;視頻攝像與字符疊加器等應(yīng)裝設(shè)同軸信號保護(hù)裝置;應(yīng)在通信線端口部位裝設(shè)與信號相適應(yīng)的保護(hù)裝置。所有保護(hù)裝置接地端都應(yīng)和電纜空線進(jìn)行接地。

2.3屏蔽與等電位處理

監(jiān)控中心應(yīng)布設(shè)于建筑低層中,先利用結(jié)構(gòu)鋼筋形成可靠屏蔽籠,并在機(jī)房的底層留出MEB,同時(shí)按照就近原則和主筋進(jìn)行電氣連接。對于機(jī)房外墻鋼筋應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)加密處理,門窗也應(yīng)使用合適的屏蔽措施,當(dāng)采用鋼筋網(wǎng)時(shí),其網(wǎng)孔尺寸應(yīng)控制在200mm×200mm以內(nèi),和結(jié)構(gòu)主筋進(jìn)行電氣連接,以此形成良好屏蔽籠。在機(jī)房中還應(yīng)采用能有效預(yù)防靜電的底板,底板下方沿墻體周圍與集中區(qū)鋪設(shè)銅排,形成環(huán)形閉合網(wǎng),和之前預(yù)留的MEB進(jìn)行電氣連接。如果地板采用金屬支撐架,則需按照就近的原則和等電位連接網(wǎng)進(jìn)行電氣連接。引入機(jī)房的電纜,應(yīng)在其末端加設(shè)屏蔽層。從收費(fèi)站中進(jìn)出的所有線纜,其屏蔽層需按照就近原則和溝中MEB進(jìn)行電氣連接。此外,包含工作臺、機(jī)柜、支撐架等在內(nèi)的部分,也需要和MEB實(shí)施可靠的連接。

2.4接地系統(tǒng)

共用接地系統(tǒng)主要由兩部分組成,分別為等電位連接網(wǎng)與接地裝置,其中接地裝置主要由人工接地體與自然接地體兩部分組成。實(shí)現(xiàn)共用接地的關(guān)鍵作用在于實(shí)現(xiàn)等電位和均壓,減小各設(shè)備或系統(tǒng)間的實(shí)際電位差。當(dāng)機(jī)電系統(tǒng)所用防雷接地和其他工作或保護(hù)接地采用相同裝置時(shí),裝置電阻應(yīng)根據(jù)最小值來選定。對于接地裝置,首先應(yīng)考慮自然接地體,如結(jié)構(gòu)鋼筋等。注意必須在收費(fèi)站其中一側(cè)進(jìn)行人工接地體的合理設(shè)置,相鄰垂直接地體之間的距離和人工接地體之間的距離應(yīng)按5m嚴(yán)格控制,如果場地空間較小,要進(jìn)行適當(dāng)?shù)目s減。在收費(fèi)站之間,應(yīng)采用至少3根扁鋼進(jìn)行焊接,形成等電位均壓環(huán),同時(shí)和共用接地系統(tǒng)進(jìn)行電氣連接,保證連接的可靠性。在辦公樓與收費(fèi)站之間,需要設(shè)置扁鋼來進(jìn)行電氣連接。

3防雷接地設(shè)計(jì)

3.1接地電阻

對于環(huán)形接地,其水平方向上的地極為熱鍍鋅扁鋼,而垂直方向上的地極為熱鍍鋅角鋼,埋深按1.5m控制。接地電阻采用以下公式進(jìn)行計(jì)算:

式中,.為土壤電阻率（Q·m）,取400Q·m:1為鍍鋅扁鋼的長度（m）:h為鍍鋅扁鋼的設(shè)計(jì)埋深（m）,取1.5m:d為接地體直徑（m）,取0.02m:A為形狀參數(shù),取1.69。

根據(jù)式（1）可得:

式中,.為土壤電阻率（Q·m）,取400Q·m:1為鍍鋅角鋼的長度（m）,取2.5m:d為接地體直徑（m）,取0.042m:71為利用系數(shù),取0.75。

對于復(fù)合接地體,其接地電阻可采用以下公式計(jì)算得出:

式中,71=0.85。

3.2腐蝕計(jì)算與熱穩(wěn)定校驗(yàn)

最小截面計(jì)算公式為:

式中,sg為最小截面（mm2）:Ig為短路電流（A）,根據(jù)二類防雷標(biāo)準(zhǔn),將其確定為1.5x105A:1c為短路持續(xù)時(shí)間（s）,取0.1×10-4s:c為熱穩(wěn)定系數(shù),對于鋼材,其值為70。

將相應(yīng)數(shù)值代入到式（5）后可得最小截面為6.78mm2:從設(shè)計(jì)資料中可知,土壤的pH值等于6.5,為中性土壤,通過查表可知其腐蝕速度為0.065mm/a,當(dāng)設(shè)計(jì)使用壽命為30年時(shí),腐蝕厚度可達(dá)1.95mm。對于垂直和水平接地體,其經(jīng)過30年以后的截面積為288mm2與76mm2,均比以上計(jì)算結(jié)果大,說明熱穩(wěn)定度符合要求。

4結(jié)語

綜上所述,在機(jī)電工程設(shè)計(jì)過程中,需要保證防雷部分的系統(tǒng)性及綜合性,并在參數(shù)確定、產(chǎn)品選擇、材料選擇和安裝上進(jìn)行深入的分析研究,保證系統(tǒng)方案合理性及完整性,使各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都能達(dá)到工藝要求。