绕城高速公路外场设施防雷装置检测实践

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1、绕城高速外场设施防雷装置检测实践摘 要：杭州绕城高速公路全长 123km，总投资约 70 亿元，是目前国内最长的绕城公路。 绕城公路分西线、北线、东线、南线和杭金衢共用段五段建设，按全封闭、全立交的高速 公路标准修建，设计时速每小时 100 至 120km。全线设有 17 个互通立交和 2 个大型公共服 务区，建有钱江五桥、钱江六桥和运河大桥以及全省第一条双向六车道的黄鹤山隧道。本 文总结了实际的现场勘查情况及检测结果，结合高速防雷的相关资料和经验，对如何更好 的完善杭州绕城高速外场设施防雷装置进行一些讨论。关键词：绕城高速；外场设施；直击雷；感应雷；地电位反击引 言外场设施是指在高速路段除收

2、费站和服务区以外的其余露天设施，其中主要的检测项 目包括：情报板、监控摄像头及其辅助设备的接地、等电位连接和相应 SPD 的安装并检查 SPD 的失效情况。由于杭州绕城高速全线较长，地理环境复杂。本文将对杭州绕城高速的外场设施防雷装置 进行分路段进行讨论。路段类型主要有：普通路段、大桥路段和隧道路段。1 普通路段因为高速普通路段基本上涵盖了整个绕城高速的 90%以上的地区，因此其外场设施数 量最多，外场设施类型也完全包含了绕城高速的三种外场设施类型。1.1 情报板现场勘查情况在普通高速路段，情报板主要分为两种，有高度在 5m 以上的门架式的情报板和高度在 3m 以下的位于公路外侧的立柱式情报板

3、，其低压配电箱都位于其一侧 35m 的范围内。1.1.1 门架式情报板门架式的情报板有以下几下形式：埋地线路供电的门架式情报板，有监控摄像头的埋 地线路供电的门架式情报板，太阳能光电板供电的门架式情报板，有监控摄像头的太阳能 光电板供电的门架式情报板。埋地线路供电的门架式情报板整体为钢架结构。虽然其钢架规格达到了作为自然接闪器的 要求，但是由于其结构中最重要的显示屏位于整个情报板的最高点，如果没有防雷装置的 保护，显示屏是很容易遭受直击雷破坏的，对于此种类型的情报板，应该在做好直击雷防 护的基础上，做好情报板本身和低压配电箱之间的等电位连接，并在低压配电箱中装设户 外型的电源 SPD，因为此类

4、情报板采用埋地线路的交流电供电方式，所以其电源 SPD 均为 4 片。有监控摄像头的埋地线路供电的门架式情报板，监控摄像头位于情报板顶端正中央高出情 报板 12m 的位置上，基本采用的是分开保护的形式，在监控摄像头支架上树符合规范要 求的单针用于保护监控探头，再在两侧树等高双针来保护情报板的显示屏。规格均采用直 径为 16mm2 以上的圆钢，针高度为 4m 左右。此类型的情报板在低压配电箱中除了装设有 电源 SPD 和信号视频 SPD 外还装设有控制信号 SPD。太阳能光电板供电的门架式情报板，太阳能光电板的安装位置主要集中于情报板的中间位 置，由于其高度较监控探头而言要低很多，所以采用 3

5、针等高的保护形式可以完全保护到 太阳能光电板，在情报板顶端两侧和中间共树 3 根等高的避雷针就可以完全进行直击雷防 护。由于太阳能光电板的供电模式为直流电源供电，因此与以上采用埋地线路供电的情报 板不同的是，其低压配电箱中的电源 SPD 只有 2 片。在这种类型的情报板的低压配电箱中 有 2 片电源 SPD，2 片信号控制 SPD（太阳能光电板数量为 2 个） 。如图 1 所示。最右侧 2 片标牌蓝色的为直流电源 SPD，最左侧两片标牌浅蓝色的为控制信号 SPD。有监控摄像头的太阳能光电板供电的门架式情报板，是最为复杂的一种，与以上几种情报 板保护形式不同的是，这种混合度极高的情报板在直击雷的

6、防护上采用了树等高双预放电 避雷针的形式来保护。显然在此种类型的情报板的雷电防护时，高速建设方面将防雷安全 放在了首位，因为从经济角度上来讲，预放电避雷针在价格上要比普通避雷针高出很多。 此类情报板的低压配电箱中更是汇集了电源 SPD、控制信号 SPD 和视频信号 SPD。因此，低压配电箱、情报板主体、太阳能光电板和监控探头之间做好等电位连接就显得尤 其重要，如果等电位连接没有做好，在雷电流泄放过程中的地电位反击就会直接对上述设 施产生破坏，将直接影响高速路段的通行监控，带来不必要的经济损失。1.1.2 立柱式情报板立柱式情报板均没有防直击雷措施，但是考虑到其体积小，高度低的特点和情报板本身为

7、 金属结构，且材料规格符合作为自然接闪器的要求，在做好接地和与低压配电箱之间等电 位连接的前提下，可以考虑不另外增设防直击措施。此类情报板一般位于高速弯道处和服务区旁，对于弯道处的这类情报板，做好相应的接地 和等电位连接就可以了，但是对于高速服务区旁，有人员经过的地方，还应该做好防接触 电压和防跨步电压的措施。因为此类情报板是 LED 显示屏加单根钢柱的组合方式，在雷电 流泄放过程中由于集肤效应和地电位的抬升，极易对过往的人员造成人身威胁。就算因条 件限制无法完善做好防接触电压和防跨步电压措施，也应该在此类情报板旁设置醒目的警 示牌，提醒过往车辆和行人，在雷雨天气勿靠近。1.2 独立监控摄像头

8、1.2.1 现场勘查情况高速路段的独立监控摄像头主要有：埋地线路供电的监控摄像头、风力发电机供电的监控 摄像头、太阳能光电板供电的监控摄像头以及风力发电机和太阳能光电板混合供电方式的 监控摄像头。埋地线路供电的监控摄像头的防雷保护主要有直击雷的防护和感应雷的防护，由于信号线 路都位于监控杆内部，因此在其低压配电箱中都装设有电源 SPD 和视频信号 SPD，也有部 分采用 2 合 1 或者多功能防雷器。其次就是做好接地和等电位连接，在检测过程中发现， 均采用了 404mm 的扁钢进行接地。尽管接地电阻的测试符合要求，但是仅仅只有一个接地点仍显不足，且没有采取相应的保 护措施。风力发电机供电的监控

9、摄像头，此类监控摄像头的风力发电装置位于监控杆的顶端，监控 摄像头与监控杆呈 90 度角设计，考虑到不影响风力发电装置的转动，避雷针也相应做成了 直角的形式。此类监控摄像头的配电箱中装有 4 片电源 SPD，因为风电也是交流电，还装 有视频信号 SPD 和控制信号 SPD。太阳能光电板供电的监控摄像头，此类监控摄像头与以上两种不同的是，低压配电箱中只 有 2 片电源 SPD。1.2.2 结论与建议对于风力发电机和太阳能光电板混合供电方式的监控摄像头,个人认为单针不足以完全保护 风力发电装置、监控摄像头和太阳能光电板，因为有个侧击的问题，最容易被侧击的就是 太阳能光电板，并且相对于监控摄像头的经

10、济损失而言，风电装置一旦遭雷击受到的经济 损失更大，尤其是风电机中最为昂贵的叶片，而且风电机组的控制系统容易受到雷击电磁 脉冲的影响，因此要对风电机不仅做好直击雷防护，而也要做好雷击电磁脉冲的防护，因 此对于处于野外高雷击风险环境的雷电电磁脉冲防护应重点考虑采用等电位连接、屏蔽及 在控制线路上安装 SPD。对于高速路段风电机组的雷电防护可以采用以下几点方法【1】：（1）叶片的防直击雷措施作为风力发电机组中位置最高的部件，叶片是雷电袭击的首要目标，同时叶片又是风力发 电机组中最昂贵的部件，因此叶片的防雷击保护至关重要。研究结果表明叶片的完全绝缘 不能降低被雷击的风险而只能增加受损伤的程度，而在很

11、多情况下雷击的位置在叶尖的背 面。国内某风电企业为风力发电机组的叶片研制开发了专门的防雷系统，由雷电接闪器和 雷电传导部分组成。雷电接闪器是一个特殊设计的不锈钢螺杆，装置在叶片尖部，即叶片 最可能被袭击的部位，接闪器可以经受多次雷电的袭击，损坏后也可以方便地更换。在叶 片内部，雷电传导部分将雷电从接闪器导入叶片根部的金属法兰，通过轮毂传至机舱。在 轮毂的法兰处装有间隙放电组成的保护将雷电流迅速传至机舱底座，释放雷击过电压。 （2）机舱内的等电位系统设计风电控制机舱内主要有变浆控制柜、制动控制柜、机械箱(齿轮箱)、液压控制柜、发电机 及传动系统，由于各系统之间的链接主要是靠地板的链接，各金属外壳

12、间存在一定的接触 电阻，所以应重点做好设备之间的等电位链接，并用紫铜带或者铜编织带进行可靠的等电 位链接。（3）采用屏蔽措施屏蔽措施主要针对目前国内一些风机外壳采用高强度玻璃钢材料而言，由于雷电电磁脉冲 的冲击是在空间范围内存在的，所以为了减少机舱内电子设备受雷电电磁脉冲的冲击，应 采用金属的机舱罩，削弱雷电电磁脉冲对机舱内设备的影响，减小雷电电磁脉冲的强度，同时也可有效的减少雷电电磁脉冲在线路上产生的浪涌脉冲。（4） 安装适当的 SPD根据国外风场的统计数据表明，风电场因雷击而损坏的主要风电机部件是控制系统和通讯 系统。雷击事故中的 4050涉及到风电机控制系统的损坏，1525涉及到通讯系

13、统，1520涉及到风机叶片，5涉及到发电机。由此可见，雷电对风机系统遭成的影 响是不同的，进行具有针对性的防护是避免和减少事故的重要手段。按照 IEC61312- 3、61024 和 61400 及 GB50057-2010 中关于雷电流分配的推荐计算可计算出风机内部不同 系统存在的雷击电流强度，并以此来选择符合要求的 SPD。2 大桥路段杭州绕城高速经过的大桥有靠近西湖服务区的钱江五桥（袁浦大桥） 、靠近下沙服务区的钱 江六桥。2.1 现场勘查情况高速大桥路段的外场设施的防雷装置与普通高速路段的区别在于接地装置方面，在普通高 速路段，接地装置一般都埋于土壤当中，而在大桥高速路段就达不到这个条

14、件，只能将监 控摄像头的引下线与大桥本身的建筑主筋相连接，所以个别地方的接地阻值会偏大，总体 接地效果没有在普通高速路段的接地效果好。所以一旦遭受雷击，在相同条件下，大桥高 速路段的外场设施更容易遭到雷电流的破坏。2.2 结论与建议考虑到江面上更加空旷，更易遭受雷击，因此在大桥高速路段应当采用更加规范的要求来 进行防雷工程的设计和施工， 【2】利用桥梁上部金属构架或在桥墩顶端安装避雷针、带、 网及利用桩基钢筋网和桥墩内主钢筋，构成桥梁直击雷防护装置，桥梁的钢护栏等长距离 金属构件应与桥体的金属构件可靠电气连通，桥梁与桥梁之间，桥梁与桥墩之间之间应采 用“U 型”跨接，以保证电气贯通。2 隧道路

15、段杭州绕城高速的隧道路段主要是黄鹤山隧道路段，高速隧道路段的外场设施的防雷装 置主要位于隧道的出入口，环境条件是周围环山，土壤电阻率较高。因此需要采用适当的方法来降低土壤电阻率，以免因接地不好而导致控制设备遭到雷击损 坏，并且摄像头金属杆应该就近与隧道联合共用接地系统相连，与隧道内的照明系统和控制系统共用接地系统。4 存在问题汇总 （1）立柱式情报板无防直击雷装置；（2）大桥路段监控摄像头杆接地电阻超标；（3）部分低压配电箱未设置相应的 SPD；（4）部分低压配电箱和监控杆之间等电位连接带断裂，个别未做等电位连接措施；（5）建议服务区附近的金属构架做好防接触电压和防跨步电压措施来确保过往人员的人身 安全（具体措施可以采用竖警示牌等形式） 。5 结语高速公路防雷事关安全和民生，意义重大。因此在这一领域应该制定出更加严格的标准， 以确保高速公路的正常运转。参考文献1庄严.风力发电组的防雷设计J.2高速公路防雷设计规范S.3GB500572010 ，建筑物防雷设计规范S.