關于一級公路機電系統(tǒng)過電壓保護與防雷接地的設計分析

引言

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

1過電壓在系統(tǒng)中的入侵途徑

研究表明,過電壓造成的設備破壞是導致公路機電系統(tǒng)無法正常運行的重要原因。機電系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)較為復雜且控制回路很多,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傳導耦合

這是雷電流和設備常見耦合途徑,在設備和雷電流間應有可靠連接,通過這一連接,使雷電流進入設備。這種連接包含下列幾種:信號線、互聯(lián)導線及電源線,若按耦合方式進行分類,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)生的電壓會對另外一條造成影響,此即為共阻抗?；诖?應盡可能減小線路的阻抗和電源內(nèi)阻,在縮短的同時對地線進行加粗,實現(xiàn)降低阻抗目標。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置浪涌保護裝置。由電容性耦合造成的過電壓和雷電流成正比,對此進行有效抑制的方法為降低耦合電容,在設計中主要通過隔離與屏蔽來實現(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,主要通過機殼、天線及電纜完成。

2系統(tǒng)雷電防護要素與基本思想

2.1對直擊雷的防護

根據(jù)現(xiàn)行設計規(guī)范和要求,監(jiān)控中心建筑和收費亭,通常是預計雷擊次數(shù)在0.06次/a以上的關鍵部分,屬二類防雷。采用滾球法對直擊雷的防護進行設計和計算,以此確定避雷針個數(shù)、高度及整體布局,避免發(fā)生直接雷擊。

對于其他建筑,應按照相關規(guī)范進行防雷設計。在收費大棚中,應將其金屬構(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的照明設備,需要在其頂端安裝避雷設施,當設備將混凝土桿作為支撐部分時,桿體可兼作引下線,要求將接地電阻控制在300以內(nèi)。情報板及攝像機也應進行防雷保護,按照60m的保護半徑進行計算,同時和外場其他設備基礎進行共用接地。

2.2感應雷和電磁脈沖的有效防護

由感應雷與電磁脈沖作用產(chǎn)生的感應電動勢,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,使設備與芯片被擊穿、損壞。

2.2.1電源防護

對于直擊雷的非防護與防護區(qū),需在和第一防護區(qū)之間的交界部位設置經(jīng)I級試驗合格的浪涌保護裝置。變電所與配電房部位的變壓器需要設置與電源相適應的浪涌保護裝置,同時進行可靠接地。在收費站照明與外場設備中,應在配電箱中設置與電源相匹配的浪涌保護裝置。在第一防護區(qū)以后,每個分區(qū)之間的交界部位都應設置具有限壓功能的浪涌保護裝置。比如每個配電箱所在位置都應安裝和分區(qū)一一對應的浪涌保護裝置,在機房的電源配電箱中設置達到C級以上的浪涌保護裝置。收費站中,需在電源配電盒部位安裝和被保護對象良好適應與匹配的保護裝置。對于信息設備,應根據(jù)其工作電壓確定適宜的保護裝置。對于串聯(lián)型的保護裝置,需在設計過程中注意避免負載功率超出其額定功率,同時還要有足夠余量。

2.2.2信號系統(tǒng)

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

2.3屏蔽與等電位處理

監(jiān)控中心應布設于建筑低層中,先利用結(jié)構(gòu)鋼筋形成可靠屏蔽籠,并在機房的底層留出MEB,同時按照就近原則和主筋進行電氣連接。對于機房外墻鋼筋應進行適當加密處理,門窗也應使用合適的屏蔽措施,當采用鋼筋網(wǎng)時,其網(wǎng)孔尺寸應控制在200mm×200mm以內(nèi),和結(jié)構(gòu)主筋進行電氣連接,以此形成良好屏蔽籠。在機房中還應采用能有效預防靜電的底板,底板下方沿墻體周圍與集中區(qū)鋪設銅排,形成環(huán)形閉合網(wǎng),和之前預留的MEB進行電氣連接。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)進行電氣連接。引入機房的電纜,應在其末端加設屏蔽層。從收費站中進出的所有線纜,其屏蔽層需按照就近原則和溝中MEB進行電氣連接。此外,包含工作臺、機柜、支撐架等在內(nèi)的部分,也需要和MEB實施可靠的連接。

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。實現(xiàn)共用接地的關鍵作用在于實現(xiàn)等電位和均壓,減小各設備或系統(tǒng)間的實際電位差。當機電系統(tǒng)所用防雷接地和其他工作或保護接地采用相同裝置時,裝置電阻應根據(jù)最小值來選定。對于接地裝置,首先應考慮自然接地體,如結(jié)構(gòu)鋼筋等。注意必須在收費站其中一側(cè)進行人工接地體的合理設置,相鄰垂直接地體之間的距離和人工接地體之間的距離應按5m嚴格控制,如果場地空間較小,要進行適當?shù)目s減。在收費站之間,應采用至少3根扁鋼進行焊接,形成等電位均壓環(huán),同時和共用接地系統(tǒng)進行電氣連接,保證連接的可靠性。在辦公樓與收費站之間,需要設置扁鋼來進行電氣連接。

3防雷接地設計

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行計算:

式中,.為土壤電阻率（Q·m）,取400Q·m:1為鍍鋅扁鋼的長度（m）:h為鍍鋅扁鋼的設計埋深（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。

對于復合接地體,其接地電阻可采用以下公式計算得出:

式中,71=0.85。

3.2腐蝕計算與熱穩(wěn)定校驗

最小截面計算公式為:

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

將相應數(shù)值代入到式（5）后可得最小截面為6.78mm2:從設計資料中可知,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,當設計使用壽命為30年時,腐蝕厚度可達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,在機電工程設計過程中,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,使各項技術指標都能達到工藝要求。