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高速公路（收費站）雷電及過電壓防護(hù)設(shè)計方案
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南京寧翔防雷
◆背景描述
雷電的危害具有很強的破壞性，主要危害途徑有直擊雷、雷電感應(yīng)、雷電波侵入和地電壓反擊四種形式。從我國第一條高速公路投運至今，高速公路（收費站）的機電系統(tǒng)都不同程度地遭受雷電侵害。輕者部分設(shè)備被雷電擊壞，系統(tǒng)喪失部分功能，重者全系統(tǒng)癱瘓，經(jīng)濟(jì)損失慘重，更有甚者，因系統(tǒng)頻繁遭受雷電侵?jǐn)_，系統(tǒng)不能正常運行，全部系統(tǒng)功能盡失，給交通安全帶來極大隱患。
高速公路（收費站）的機電設(shè)備特點是點多、面廣、線長，既有強電設(shè)備，又有大量的監(jiān)控、通信、傳感等弱電設(shè)備，曠野區(qū)域往往有突出的設(shè)備點，電力線路往往要翻山越嶺，傳輸和控制線路往往經(jīng)常穿越復(fù)雜的地質(zhì)層面，這些都是易遭雷擊或雷電感應(yīng)的薄弱點。如何有效地預(yù)防雷害對高速公路機電系統(tǒng)設(shè)備的侵害和確保工作人員的安全，必須根據(jù)實際情況設(shè)計高速公路（收費站）機電系統(tǒng)設(shè)備的防雷系統(tǒng)，實施針對性的防雷措施。
◆挑戰(zhàn)與需求
1、高速公路機電系統(tǒng)雷電電磁脈沖干擾的入侵途徑主要為：
1）直擊雷侵害途徑：公路經(jīng)過的地區(qū)一般地勢平緩，收費站的建筑物常常為附近最高點，加上安裝高桿燈后，更易遭直擊雷雷擊的侵害。
2）雷電侵入波途徑：收費站地處郊外，供電線路一般均均采用架空電纜，雷電波會經(jīng)由供電線路侵入用電系統(tǒng)損壞終端電子設(shè)備。
3）地電位反擊：公路的路基、路面施工造成了沿路一線的封導(dǎo)電率的變化，使公路沿線、收費站建筑物附近區(qū)域成為易落雷的區(qū)域，當(dāng)雷電瞬間落在地面（或通過高聳的金屬導(dǎo)體引下）時閃絡(luò)的雷電流流入大地會在附近地面間產(chǎn)生非常高的瞬時電壓，形成雷電侵害態(tài)勢造成接觸電壓和跨步電壓傷及人身安全，地電位的瞬時升高會與工作接地間存在電位差形成地電位反擊態(tài)勢足以損壞收費站內(nèi)（沿線）的微電子設(shè)備。
2、通信（移動）基站雷電防護(hù)思想：
1）直擊雷防護(hù)措施：高速公路（收費站）外部防雷是利用沿線的監(jiān)控設(shè)施桿（高桿燈）提供直擊雷防護(hù)措施和直擊雷雷電流泄流通道體，使直擊雷不會直接擊在監(jiān)控設(shè)施和電源設(shè)備。外部防雷裝置包括三部分：接閃器、引下線、接地裝置。
2）雷電感應(yīng)防護(hù)措施：在高速公路（收費站）的電源系統(tǒng)、微電子線路和終端設(shè)備加裝相對應(yīng)的防雷器（SPD）有效地防護(hù)雷電波（電磁脈沖）對傳輸電纜和微電子設(shè)備的干擾和侵害。
3）地電位反擊措施：把直擊雷防護(hù)裝置的引下線以及防雷器的接地線都必須良好的接地以達(dá)到快速泄流的作用并且引下線裝置都需連接到公共接地網(wǎng)（等電位）。
◆方案與解決
1、高速公路（收費站）防雷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成：
1）電源系統(tǒng)（高、低壓）配電室。
2）機電設(shè)備配電室。
3）電子信息設(shè)備系統(tǒng)機房（交換機、服務(wù)器、打印機和收費計算機、車道計重設(shè)備和車道監(jiān)控系統(tǒng)）。
4）車道設(shè)備（收費計算機、車道計重設(shè)備、車道攝像機）。
2、高速公路（收費站）雷電防護(hù)內(nèi)容：
1）直擊雷裝置
2）雷電電磁脈沖防護(hù)裝置
3）均壓（等電位）裝置
4）泄流裝置
3、高速公路（收費站）雷電及過電壓防護(hù)措施技術(shù)依據(jù)：
1）直擊雷裝置：依據(jù)建筑物防雷標(biāo)準(zhǔn)GB50057-2010《附錄D：滾球法確定接閃器的保護(hù)范圍》第D.0.2條技術(shù)參數(shù)確定接閃器高度的計算公式，作為有效保護(hù)半徑技術(shù)措施。直擊雷防護(hù)裝置材料需符合GB11032-89防雷器材指標(biāo)要求。
2）雷電電磁脈沖防護(hù)裝置：根據(jù)GB50057-2010建筑物防雷設(shè)計規(guī)范和GB50343-2012建筑物電子信息系統(tǒng)的防雷設(shè)計規(guī)范（第5.4.條規(guī)定，參照5.4.1-1圖、5.4.1-1表和5.4.1-2表、5.4.2條、5.4.2-1表、5.4.2-2表、5.4.3條、5.4.4條、5.4.5條、5.4.6條、5.4.7條、5.4.8條、5.4.9條之技術(shù)參數(shù)）的要求，依據(jù)GA267-2000計算機信息系統(tǒng)雷電電磁脈沖安全防護(hù)規(guī)范的第8.3.1（表1參數(shù)）、第8.3.2.1（表2參數(shù)）、第8.4.1（表3參數(shù)）、第8.4.2.2（表4參數(shù)）、第8.5.1（表5參數(shù)）、第8.5.2.2（表6參數(shù)）的技術(shù)要求在高速公路（收費站）電源系統(tǒng)、微電子（信號）系統(tǒng)的線路和終端設(shè)備加裝相對應(yīng)的防雷器（SPD）防止傳輸線路中感應(yīng)雷的雷電波/流侵害機電（微電子）設(shè)備及人員的操作安全。
3）均壓（等電位）裝置：根據(jù)GB50343-2012 建筑物電子信息系統(tǒng)的防雷設(shè)計規(guī)范的要求，參照規(guī)范第5.1.2條、第5.2.1之規(guī)定和GA267-2000計算機信息系統(tǒng)雷電電磁脈沖安全防護(hù)規(guī)范的附錄A雷電防護(hù)區(qū)等電位連接圖、附錄B計算機機房導(dǎo)電物體等電位連接圖之要求設(shè)計等電位（均壓環(huán)）保護(hù)措施。
4）泄流裝置：依據(jù)防雷規(guī)范GB50057-2010/GB50343-2012/GA267-2000要求設(shè)計接地裝置的阻抗值，接地裝置安裝實施流程參照接地裝置示意圖D501-1～4建筑物防雷設(shè)施安裝規(guī)范。
4、高速公路（收費站）雷電及過電壓防護(hù)具體措施：
1）直擊雷防護(hù)：直擊雷防護(hù)裝置是高速公路（收費站）不可或缺的雷電防護(hù)重要基礎(chǔ)條件，是高速公路（收費站）的防雷系統(tǒng)保護(hù)不可忽視的重要組成部分之一。高速公路（收費站）的收費棚和電源（機電設(shè)備）配電房建筑物（體）直擊雷防護(hù)裝置可采用φ10的圓鋼（刷銀粉漆）在樓頂構(gòu)筑接閃帶，另外用φ10的圓鋼做接閃帶支撐，支撐高度15cm，每隔1m設(shè)一支撐，并用40×4mm的鍍鋅扁鋼作為引下線與地網(wǎng)（地網(wǎng)電阻應(yīng)小于規(guī)范技術(shù)參數(shù)要求）連接，引下線的間距應(yīng)不大于25米（或采用接閃器作為直擊雷防護(hù)措施，用40×4mm的鍍鋅扁鋼作為引下線與地網(wǎng)連接，接閃器的高度、安裝位置應(yīng)根據(jù)滾球法進(jìn)行計算）。
2）安防系統(tǒng)與照明系統(tǒng)直擊雷防護(hù)：高速公路（收費站）安防監(jiān)控系統(tǒng)（室外）攝像機、照明系統(tǒng)（室外）高桿燈應(yīng)置于接閃器（或其它接閃導(dǎo)體）有效保護(hù)范圍之內(nèi)。采用將接閃器架設(shè)在攝像機和高桿燈的支撐立桿上，引下線可直接利用攝像機和高桿燈本身的金屬立桿（也可采用Φ8的鍍鋅圓鋼或30×3鍍鋅扁鋼），但為了防止電磁感應(yīng)，沿桿引上攝像機和高桿燈的電源線和信號線應(yīng)穿金屬管敷設(shè)，金屬管應(yīng)可靠接地。
3）車道設(shè)備直擊雷防護(hù)：高速公路（收費站）機電設(shè)備分別布設(shè)在機電設(shè)備配電房和收費棚的車道之間，布設(shè)在機電配電房內(nèi)的設(shè)備一般不會遭受直擊雷，而布設(shè)在收費棚車道之間的機電設(shè)備，多數(shù)處于相對的開闊地帶，直擊雷風(fēng)險較大，則必須考慮直擊雷防護(hù)問題。
4）機電設(shè)備電源浪涌保護(hù)措施：按照電源系統(tǒng)浪涌分級泄放原理和依據(jù)GB50057/GB50343防雷規(guī)范要求在低壓配電房、機電設(shè)備配電房（UPS電源）、收費棚（車道設(shè)備）電源裝置的電源輸入與輸出端口安裝相對應(yīng)的電源浪涌保護(hù)器作為電源線路、機電設(shè)備的電涌保護(hù)裝置。
5）微電子設(shè)備信號浪涌保護(hù)措施：按照微電子（信號）系統(tǒng)浪涌分級泄放原理和依據(jù)GB50343-2012防雷規(guī)范第5.5.2條、第5.5.3條、第5.5.4條、第5.5.5條、第5.5.6條、第5.5.7條的技術(shù)參數(shù)要求在網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備（路由器、網(wǎng)絡(luò)交換機、服務(wù)器、PC機）、計量系統(tǒng)終端設(shè)備（傳感器、接線盒、稱重儀表、微機）、監(jiān)控系統(tǒng)終端設(shè)備（視頻矩陣、硬盤錄像機、攝像機、解碼器和電源線、控制線、視頻線）和火災(zāi)自動報警裝置、消防聯(lián)動控制系統(tǒng)、移動通信系統(tǒng)的終端設(shè)備輸入與輸出端口安裝相對應(yīng)的信號浪涌保護(hù)器作為微電子（信號）設(shè)備的電涌保護(hù)裝置。
6）高速公路（收費站）傳輸線路直擊雷防護(hù)：為了使傳輸線路免遭直擊雷侵害造成的雷電感應(yīng)，傳輸線路應(yīng)盡量避免架空敷設(shè)，最好是穿金屬管埋地敷設(shè)，金屬管的兩端應(yīng)可靠接地。
7）防雷接地系統(tǒng)：高速公路（收費站）防雷系統(tǒng)所有防雷裝置系統(tǒng)均應(yīng)有可靠、有效的接地，接地系統(tǒng)亦是收費站運行機電設(shè)備防雷保護(hù)的必要組成部分之一（機電設(shè)備系統(tǒng)前端、終端均應(yīng)有良好的防雷接地，相應(yīng)接地系統(tǒng)應(yīng)符合規(guī)范要求。無論前端還是終端設(shè)備的接地系統(tǒng)相互之間應(yīng)做等電位連接）。接地裝置的布置與實施應(yīng)根據(jù)防護(hù)對象和防護(hù)參數(shù)確定，接地阻抗值應(yīng)符合防雷規(guī)范（設(shè)計）要求和使用條件。
8）敷設(shè)布線注意事宜：在機電設(shè)備施工中許多布線人員因?qū)Ψ览字R了解有限或者圖簡單方便，習(xí)慣于將戶外走線線路與建筑物接閃帶、引下線（高桿燈立桿、攝像機立桿）相互捆綁。方便了工程施工與影響美觀的同時，也帶來了較大的防雷安全隱患。這一點是值得重視和注意的，為減小雷害風(fēng)險，任何導(dǎo)線/金屬線路均應(yīng)盡可能避免與直擊雷防護(hù)系統(tǒng)平行捆扎（布線應(yīng)實施屏蔽措施），而應(yīng)依有關(guān)規(guī)范要求合理布線。
◆方案實施（產(chǎn)品選型）
1、直擊雷防護(hù)裝置
1）GFL系列接閃塔
2）普通接閃器
3）優(yōu)化接閃器
4）提前放電接閃器
2、雷電電磁脈沖防護(hù)裝置（SPD）
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序號
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材料名稱
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規(guī)格型號
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安裝位置
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1
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電源防雷器
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電源第一級浪涌
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供電電源配電室低壓端總開關(guān)
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2
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電源防雷器
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電源第二級浪涌
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供電電源配電室低壓端支回路
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3
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電源防雷器
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電源第一級浪涌
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機電設(shè)備配電房電源總開關(guān)
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4
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電源防雷器
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電源第二級浪涌
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中心機房電源柜總開關(guān)
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5
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電源防雷器
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電源第二級浪涌
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UPS電源IN端、機電設(shè)備電源箱
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6
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電源防雷器
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電源第三級浪涌
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UPS電源OUT端、機電設(shè)備電源
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7
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電源防雷器
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電源第一級浪涌
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車道機電設(shè)備總電源柜總開關(guān)
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8
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電源防雷器
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電源第二級浪涌
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車道重要機電設(shè)備電源裝置
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9
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電源防雷器
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電源第三級浪涌
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車道重要電源設(shè)備（220V）
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10
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PDU電源裝置
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電源第四級浪涌
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機房、車道微電子末端電源防護(hù)
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11
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信號防雷器
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網(wǎng)絡(luò)單級浪涌防護(hù)
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機房網(wǎng)絡(luò)核心交換機IN端
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12
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信號防雷器
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網(wǎng)絡(luò)單級浪涌防護(hù)
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機房路由器、服務(wù)器線纜端口
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13
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信號防雷器
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視頻單級浪涌防護(hù)
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機房視頻矩陣IN端
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14
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信號防雷器
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視頻單級浪涌防護(hù)
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機房控制機線纜端口
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15
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信號防雷器
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視頻單級浪涌防護(hù)
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監(jiān)控攝像機（定位槍機）
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16
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信號防雷器
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視頻單級浪涌防護(hù)
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監(jiān)控攝像機（高速全球）
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17
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信號防雷器
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信號電源浪涌防護(hù)
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計重傳感器、接線盒端子口
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3、泄流（接地）裝置
1）銅包鋼接地極
2）離子接地極
3）石墨接地模塊
4）等電位連接器
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客服部