王　露

(廣西交通科學研究院，廣西　南寧　530007)

關(guān)于高速公路機電系統(tǒng)防雷問題的探討

王露

(廣西交通科學研究院，廣西南寧530007)

關(guān)鍵詞：高速公路；機電系統(tǒng)；防雷；危害；原因；預防

0引言

高速公路機電系統(tǒng)設備數(shù)量眾多，各個機電設備間都有著緊密的聯(lián)系，機電設備的可靠運行是高速公路正常運行的一個重要保證。有調(diào)查表明，從我國第一條高速公路投運至今，所有高速公路機電系統(tǒng)都不同程度地遭受過雷電侵害，這說明了高速公路機電系統(tǒng)防雷工作的必要性和重要性。有效地預防機電設備雷擊事故的發(fā)生，不僅能夠更好地保證高速公路的正常運營，而且可以延長機電設備的使用壽命和大修周期。

1研究高速公路機電系統(tǒng)雷擊預防的重要性

雷電作為一種夏季常見的自然現(xiàn)象，目前已經(jīng)成為損害電子設備正常運行的一個重要因素。特別是高速公路，機電系統(tǒng)大都分布于開放的環(huán)境下，由于其所處的自然環(huán)境比較復雜，更容易遭受到雷擊損害。多年來，高速公路機電設備的雷擊事故時有發(fā)生，情況較輕的一般是部分機電設備被雷電擊壞導致機電系統(tǒng)喪失部分功能，情況比較嚴重的甚至會導致整個機電系統(tǒng)的癱瘓。而機電設備的運行一旦出現(xiàn)故障，不僅會導致大面積堵車等問題，還會給國家和個人造成不必要的損失，嚴重時甚至危及人員生命安全。廣西地處中、南亞熱帶季風氣候區(qū)，丘陵錯落，河谷縱橫，南部瀕臨北部灣，北依南嶺山脈，西靠云貴高原，是我國雷暴日數(shù)最多的省區(qū)之一，據(jù)氣象部門多年累計資料分析，年平均雷暴84.1 d左右。因此，如何更好地避免機電設備受到雷擊的干擾和破壞，保障其始終安全運行是高速公路機電設備運行管理中應該思考的一個重要問題。

2雷電對高速公路機電設備的影響

2.1高速公路機電系統(tǒng)的組成

概括來說，高速公路的機電系統(tǒng)是以電子電器技術(shù)、計算機網(wǎng)絡技術(shù)、通信技術(shù)、電氣控制技術(shù)等為基礎組成的綜合系統(tǒng)。其主要包括通信系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、收費系統(tǒng)、供電系統(tǒng)這四大系統(tǒng)，以及隧道機電系統(tǒng)。通信系統(tǒng)的作用，是為高速公路的穩(wěn)定運營服務，因此，實現(xiàn)通信系統(tǒng)傳輸設備的防雷安全，是高速公路正常運營和設備安全的基本保障。監(jiān)控系統(tǒng)由覆蓋全線的光電纜線路構(gòu)成。收費系統(tǒng)由終端設備及信息處理設備組成，例如車道計算機、車道智能控制柜、車道攝像機、費額顯示器、閃光報警器、車道紅綠信號燈等。供電系統(tǒng)主要包括市電供給、自發(fā)電、ups長延時電源等設備，而隧道機電系統(tǒng)主要包括通風系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)及火災報警系統(tǒng)等。

2.2雷電對高速公路機電設備的危害

高速公路機電設備遭受雷擊而損壞的情況，大多出現(xiàn)在遭受直擊雷和感應雷。直擊雷的電位差可以導致機電設備系統(tǒng)癱瘓。而感應雷損害機電設備，主要是通過入侵機電設備的電源線纜、通信線路、衛(wèi)星天線。根據(jù)以往的案例分析，感應雷對機電系統(tǒng)造成的災害大致如下：

(1)供電系統(tǒng)：當遭受雷擊時，高速公路上存在的低壓及高壓電力線，往往都會成為直擊雷或感應雷的“傳導線路”，并通過線路侵入到機電系統(tǒng)當中，從而引起供配電設備損壞，同時造成停電等間接損失。

(2)通信系統(tǒng)：雙絞線、同軸電纜、光纖電纜等是高速公路機電設備信號傳輸?shù)闹饕橘|(zhì)。而雙絞線、同軸電纜等介質(zhì)容易受到雷擊，導致發(fā)送信號的機電設備不能正確傳輸，甚至破壞電氣設備。例如：通信終端信號傳輸受阻，電話、基站等設備損壞。

(3)監(jiān)控系統(tǒng)：由于監(jiān)控系統(tǒng)設備多集中分布在監(jiān)控中心及道路沿線外場區(qū)域，加之其多來自信息電子設備，所以很容易受到雷電電磁脈沖的影響或破壞。比較常見的損壞有：監(jiān)控室監(jiān)控設備損壞，如線路板雷擊損壞、部分接口和PLC雷擊損壞、監(jiān)控臺失靈無圖像等；車道監(jiān)控攝像頭等終端設備損壞。

(4)收費系統(tǒng)：通常情況下，收費系統(tǒng)受到雷電侵入主要是通過各種直擊雷及暫態(tài)過電壓，從而造成收費主機損壞、工控機損壞、欄桿機失靈、電源損壞等。

(5)隧道系統(tǒng)：通風系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)及火災報警系統(tǒng)等不同程度損壞或失靈。

例如：2009年7月31日晚上9：25，柳南高速公路五合收費站發(fā)生雷擊事故，該站僅有的兩條出口車道不能使用，幾十輛車在雨中塞車；2013年8月7日17：40左右，安南高速內(nèi)黃縣收費站遭雷擊，直接經(jīng)濟損失8萬多元；2013年9月11日凌晨3：10左右，雷電交加造成G72泉南高速全黃段桂湘收費站7個出口車道中的5個收費系統(tǒng)設備癱瘓，通過桂湘收費站的車輛排起了將近5 km的長隊；2014年8月3日晚6：30，在金麗溫高速公路南山出口收費站，一道閃電突然擊中收費站的機電設備，導致收費站陷入“癱瘓”。經(jīng)過半個小時的搶修，收費站才恢復正常運行；2015年8月25日16：12，云南昆楚高速楚雄東(程家壩)收費站因遭受雷擊，所有收費系統(tǒng)被擊壞，進出楚雄的車輛無法收費領卡通行。

3高速公路機電設備雷擊事故發(fā)生的一般原因分析

盡管相關(guān)部門已經(jīng)注意到了高速公路避雷的重要性，并對高速公路從設計到施工、運營各個階段都做了防雷的研究，對公路上的建筑物、機電設備等安裝了避雷針或其他避雷裝置，然而高速公路機電設備雷擊事故仍時有發(fā)生。其原因歸結(jié)如下：

3.1環(huán)境方面存在的客觀因素

(1)高速公路都是建設在空曠的郊外，地勢相對比較平緩，在這種形勢下收費站建筑物往往就成為曠野區(qū)域的最高突出點，再加上收費站周圍安裝有高桿燈，所以就比較容易引雷。(2)高速公路點多、面廣、線長，甚至翻山越嶺，穿越很多復雜的地質(zhì)層面。這些客觀條件和事實造成了高速公路防雷工作的難點多、任務重。(3)隨著科技的發(fā)展，先進的電子設備在為高速公路工作帶來便利的同時，也為防雷工作增加了很多薄弱點和多發(fā)點。針對這種形勢，防雷工作要特別注意曠野區(qū)域突出的設備點和線路，先進電子設備絕緣強度低、抗電磁干擾能力弱等重點內(nèi)容。

3.2設計及施工過程中對強弱電設備安裝以及防雷工作重視不夠

現(xiàn)階段，對于高速公路機電系統(tǒng)的防雷設計我們國家還沒有形成一套相對固定的模式。高速公路設計與施工過程中，在對強弱電設備的設計與安裝時對防雷環(huán)節(jié)重視不足，許多設計單位對雷電防護還停留在基礎層面，只是加強了抵抗直擊雷的能力。事實證明，在高速公路強弱電設備的破壞中，雷擊電磁脈沖占很重的比例。另外，防雷工作需許多環(huán)節(jié)相互合作才能實現(xiàn)，防雷措施也需要注重整體。質(zhì)量監(jiān)管、現(xiàn)場監(jiān)理在工作中，往往只注重路基及路面的工程質(zhì)量，而忽視了對配套強弱電設備的質(zhì)量把控。鑒于此，設計單位要加強對高速公路防雷工作的重視，明確防雷技術(shù)指標要具體要求；質(zhì)量監(jiān)管和監(jiān)理部門要加強對高速公路電路設備質(zhì)量的監(jiān)管力度。只有這樣，每個細節(jié)相互合作，才能實現(xiàn)更好的整體防雷效果。

3.3雷電防護技術(shù)研究較少

高速公路雷電防護技術(shù)也是需要時間、經(jīng)驗累積的，過去我國在雷電防護技術(shù)研究上也取得了很多成績，但針對高速公路這一行業(yè)的雷電防護技術(shù)研究很少，這就造成了我國目前高速路防雷技術(shù)落后，細節(jié)設計和施工，以及質(zhì)量監(jiān)管都不到位。比如，屏蔽措施方面，部分監(jiān)控機房窗戶孔洞很大，不符合防雷的射擊標準和要求，沒有采取屏蔽防護格柵處理，不能有效防護空間雷電電磁脈沖的侵襲。

3.4定期檢查和維護不到位

只有定期檢查，才能及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，實現(xiàn)防雷系統(tǒng)的整體性能。只有定期檢查和維護防雷裝置，做到每年至少系統(tǒng)檢查一次防雷裝置，才能及時發(fā)現(xiàn)小問題并予以解決；發(fā)生雷擊后，一定要及時檢查重點裝置和系統(tǒng)，才能將隱患消除在萌芽狀態(tài)。而現(xiàn)實情況是，由于防雷系統(tǒng)細節(jié)多，點多、面廣、線長，因此，防雷系統(tǒng)在投入使用后，定期檢查和維護工作就十分繁重。更重要的是，很多高速公路系統(tǒng)甚至沒有形成對防雷裝置進行定期檢測的制度，相關(guān)部門也沒有對防雷系統(tǒng)進行必要的系統(tǒng)檢查。這種情況導致防雷隱患不能得到及時有效的解決，雷擊事故頻發(fā)。比如，盡管現(xiàn)在高速公路的機電系統(tǒng)都安裝了大量的數(shù)據(jù)及信號防雷器，較大限度地保護高速公路機電系統(tǒng)中電氣設備的使用安全，但雷擊損壞后，由于一些防雷器未能查找和替換，導致一些昂貴的電器設備缺乏保護，容易造成設備損壞、運轉(zhuǎn)停止等更為嚴重的問題。

4加強高速公路雷擊事故預防的措施及途徑

4.1設計及施工須嚴格按照國家相關(guān)規(guī)范及標準

(1)雷電防護必須按綜合防雷系統(tǒng)的要求進行設計，為確保防雷的科學性和先進性，防雷設計應堅持全面規(guī)劃、技術(shù)先進、多重保護、綜合管理、優(yōu)化設計、經(jīng)濟合理的原則進行一體化設計。同時，防雷設計應該結(jié)合當?shù)氐刭|(zhì)、地理、土壤、環(huán)境和氣候條件，因地制宜，做出最適當?shù)姆览自O計和方案。應在認真調(diào)查地理條件、地質(zhì)狀況、土壤狀況、氣象條件、環(huán)境條件、雷電活動規(guī)律以及被保護物的特點等基礎上分別采取相應的防護措施。(2)實際工程設計和施工過程中，土建設計與機電設計施工相協(xié)調(diào)。(3)注意細節(jié)問題。比如，室外管道和電纜金屬外皮必須就近與接地干線有效連接，否則就起不到防止或減輕雷擊損害的目的；控制室內(nèi)的電纜金屬外皮應焊接到聯(lián)合接地裝置，這樣可以很好地杜絕感應雷及雷電波的侵入路徑。

4.2加強對高速公路雷電防護技術(shù)的研究

面對頻發(fā)的雷擊事故，探討防雷技術(shù)并將其應用到實際的公路中，具有實際意義。(1)防雷是機電系統(tǒng)管理維護的重要部分，應該從多方面進行全面整體的防雷研究，比如接地網(wǎng)、電源線、接地、電源系統(tǒng)、傳輸光纜、電纜、整體機房，以避免被雷電擊中損壞。(2)加強對雷電監(jiān)測技術(shù)的研究，建立雷電監(jiān)測預警系統(tǒng)。利用雷達、衛(wèi)星、雷電定位儀和大氣電場儀等設施，監(jiān)測和收集實時雷電信息，對于雷監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，然后與地理信息數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的組織存儲與管理。實現(xiàn)雷電發(fā)生落區(qū)、頻數(shù)以及幾率的臨近預測。(3)盡管對一般高速公路防雷設計，《高速公路防雷設計規(guī)范》(江蘇省防雷中心和湖北省防雷中心共同起草)具有普遍的指導意義，然而由于不同地區(qū)之間肯定存在著一些具體的差異，因此具體到不同地區(qū)的高速公路防雷設計不能一概而論，不能按照其他地區(qū)的成功經(jīng)驗照抄照搬，而是應根據(jù)當?shù)貙嶋H具體分析。

4.3改變常規(guī)的人工抽檢或不檢的工作方式，加強運行與維護

(1)堅持定期維護、預防為主的原則，高速公路機電系統(tǒng)管理和養(yǎng)護工作人員要加強對各種機電系統(tǒng)設備的日常維護，定期維護，加強日常巡檢，以便于發(fā)現(xiàn)問題、消除隱患。要定期檢測接地網(wǎng)線、避雷器，并就監(jiān)測記錄建檔，每年對接地網(wǎng)的接地電阻進行一次測量；雷雨季節(jié)前應對運行中的各電涌保護器及機房接地系統(tǒng)進行檢查和維護，包括對運行中的防雷器利用元件老化測試儀進行檢測，檢查接地引下線有無銹蝕、接地體附近地面有無異常，連接處是否緊固、接觸是否良好、防雷接地電阻是否達到要求等。為確保電涌保護器及信息系統(tǒng)設備的安全正常運行，在每年的雷雨季節(jié)時，相關(guān)部門必須要加強外觀巡視，發(fā)現(xiàn)電源避雷器出現(xiàn)問題及時處理。(2)建立一種實時監(jiān)測防雷器狀態(tài)信息的高速公路防雷遠程監(jiān)控系統(tǒng)，將雷擊隱患控制、消滅在萌芽狀態(tài)，減少雷擊損失。

5結(jié)語

一旦發(fā)生雷擊將會對整條高速公路的正常運轉(zhuǎn)造成極大的障礙。雷電的發(fā)生具有很大的隨機性，從根本上杜絕雷電的危害是不可能的，只能將防雷措施做到最好，使雷電產(chǎn)生的危害降低到最小。在防雷設施的配置上不能一概而論，一定要從實際出發(fā)，堅持經(jīng)濟性、合理性、靈活性與因地制宜。

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摘要：機電系統(tǒng)對高速公路的基礎運營有著重要作用，是高速公路順利運行的保障。文章闡述了雷電對高速公路機電設備的影響及危害，分析了雷擊事故頻發(fā)的一般原因，提出了加強高速公路機電設備防雷的措施及途徑。

Discussions on Lightning Protection of Expressway Electromechanical System

WANG Lu

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：The electromechanical system plays an important role for expressway infrastructure operators，and it is the guarantee to ensure the smooth operation of expressway.This article described the impact and hazards of lightning highway on expressway electromechanical equipment，analyzed the common causes of frequent lightning accidents，and proposed the measures and ways to strengthen the expressway electromechanical equipment lightning-protection.

Keywords：Expressway；Electromechanical system；Lightning protection；Hazards；Causes；Prevention

作者簡介

中圖分類號：U412.36+6.3

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.04.012

文章編號：1673-4874(2016)04-0039-04

收稿日期：2016-03-25

王露(1979—)，工程師，研究方向：機電工程。