公路收费站收费系统防雷解决方案

发布于：2015-07-22 06:38:22 来自：电气工程/防雷减灾 [复制转发]

一、概述

雷电是一种非常壮观的自然现象，它具有极大的破坏力，对人类的生命、财产安全造成巨大的危害。1987年联合国确定的“国际减灾十年”中，雷电为对人类危害最大的十种灾害之一。自从人类进入到电气化时代以后，雷电的破坏由主要以直击雷击毁人和物为主，发展到以通过金属线传输雷电波破坏电气设备为主。随着近年来电子技术的飞速发展, 计算机系统的网络化程度越来越高,人类对电气设备尤其是计算机设备的依赖越来越严重。而电子元器件的微型化、集成化程度越来越高，各类电子设备的耐过电压能力下降，遭雷电和过电压破坏的比例呈不断上升的趋势，对设备与网络的的安全运行造成严重威胁。据统计，全世界每年因雷害造成的损失高达十亿美元以上。

国家有关部门对计算机系统的防雷工作非常重视,制订了相关的法律、法规及相应的标准和规范。广西为雷击高发区，被列为我国四大雷区之一。自治区有关部门对防雷工作给予高度重视，下发了（桂公通[1999]55号）《自治区公安厅、气象局关于加强计算机信息系统防雷保护的通知》等有关文件，要求各单位、各部门切实加强计算机系统抵御雷电危害的能力。

雷电对电气设备的影响，主要由以下四个方面造成：

1、 直击雷

直击雷蕴含极大的能量，电压峰值可达5000KV，具有极大的破坏力。如建筑物直接被雷电击中，巨大的雷电流沿引下线入地，会造成以下三种影响：

a ：巨大的雷电流在数微秒时间内流下地，使地电位迅速抬高，造成反击事故，危害人身和设备安全。

b ：雷电流产生强大的电磁波，在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压。

C ：雷电流流经电气设备产生极高的热量，造成火灾或爆炸事故。

2、 传导雷

远处的雷电击中线路或因电磁感应产生的极高电压，由室外电源线路和通信线路传至建筑物内，损坏电气设备。

3、 感应雷

云层之间的频繁放电产生强大的电磁波，在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压，峰值可达50KV。

4、 开关过电压

供电系统中的电感性和电容性负载开启或断开、地极短路、电源线路短路等，都能在电源线路上产生高压脉冲，其脉冲电压可达到线电压的3.5倍，从而损坏设备。破坏效果与雷击类似。

由此产生的雷电过电压对电子设备的破坏主要有以下几个方面：

1、损坏元器件

a ：过高的过电压击穿半导体结，造成永久性损坏；

b 、较低而更为频繁的过电压虽在元器件的耐压范围之内，亦使器件的工作寿命大大缩短；

c 、电能转化为热能，毁坏触点、导线及印刷电路板，甚至造成火灾；

2、设备误动作及破坏数据文件

因此，应该根据实际情况具体分析，采取相应的防雷保护措施，确保计算机系统的安全工作。

本公司依据国内外有关规范和贵方的实际情况，设计如下方案，以供参考。

二、 雷电防护措施

（一） 防雷方案依据

建筑物防雷规范（GB50057-94）

计算机房防雷设计规范 (GB50174-93)

电子设备雷击保护导则 (GB7450-87)

计算站场安全要求 (GB9361-88)

工业与民用电力装置的过电压保护设计规范 (GB64-83)

电信专用房屋设计规范 (YD5003-94)

移动通信基站防雷与接地设计规范（YD5068-98）

计算机信息系统防雷保安器（GA173-1998）

雷电电磁脉冲的防护（IEC1312）

过电压保护器（VDE0675）

（二）、防雷保护措施

概括的说，当今电子设备的防雷手段，主要采用分流、接地、屏蔽、等电位和过电压保护五种方法。

（ A ）、分流

利用避雷针、避雷带和避雷网等将雷电流沿引下线安全地流入大地，防止雷电直接击在建筑物和设备上。

（B）、屏蔽

计算机系统所有的金属导线,包括电力电缆、通信电缆和信号线均采用屏蔽线或穿金属管屏蔽，在机房建设中，利用建筑物钢筋网和其他金属材料，使机房形成一个屏蔽笼。用以防止外来电磁波（含雷电的电磁波和静电感应）干扰机房内设备。

（C）、等电位连接

将机房内所有金属物体，包括电缆屏蔽层、金属管道、金属门窗、设备外壳等金属构件进行电气连接，以均衡电位。

（D）、接地

在计算机网络系统中，为保证其稳定可靠的工作、保护计算机网络设备和人身安全，解决环境电磁干扰及静电危害，需要一个良好的接地系统。

（E）、过电压保护

在电子设备的信号线、电源线上安装相应的过电压保护器，利用其非线性效应，将线路上过高的脉冲电压滤除，保护设备不被过电压破坏。主要的保护器件为氧化锌压敏电阻、二极或三极放电管、快速箝位二极管等，根据需要进行组合，形成完整的防雷保护器。

( 三)、防雷器的选型

目前，上述前四项防雷保护措施均已普遍实施，一般的计算机系统缺乏的是足够的防雷器保护。当前，防雷器的品牌和品种非常多，在本方案中，采用的是世界一流产品、国内连续三年销量第一的防雷器——德国OBO 防雷器（有关防雷器的介绍可参看附录）。下面就防雷器的选型作简单的介绍。

1 、防雷区的划分

根据IEC1312-1雷电电磁脉冲的防护标准，计算机系统的防雷保护区分为四个区域，各区交界处应作相应的防雷处理。各区划分如下：

LPZ0A 区：直击雷作用区，处于建筑物避雷针系统保护区以外的区域，由于本区内所有物体均有可能遭受直接雷击，并可能导走全部雷电流；另外本区能所有物体均处于雷电电磁场最强处，故对于雷电的感应最强。

LPZ0B 区：感应雷主作用区，处于建筑物避雷针系统保护区内，但未经空间电磁屏蔽，雷电作用电磁场并不衰减，处于此空间的所用可导电物体均可感应较强雷电流的区域。

LPZ1 区：建筑物屏蔽区，本区内各物体不可能遭受直击雷，流往各导体的雷电流比0B区进一步减小，本区内电磁场也可能会衰减，取决于建筑物的屏蔽措施。

LPZ2 区：房间屏蔽区，对于计算机主机房所处空间，应采用屏蔽措施，以进一步减小空间电磁场的干扰。

当金属导线（电源线、信号线等）穿越不同的保护分区时，因电磁感应的作用，会产生较高的过电压，影响室内设备的安全。因此，需安装相应的过电压保护器，对设备进行保护。在不同的保护分区，所采用的防雷器级别是不同的。同时，需要作相应的等电位处理。

防雷保护分区和防雷器的分级应用如下图所示：

2 、防雷器的选型和应用

根据上图所示，对于一个计算机系统而言，防雷器的典型配置如下：

（1）大楼的供电线如采用架空线路进线，即线路由 LPZ 0A 区进入 LPZ 0B 区，则在电源变压器的低压侧安装三套 OBO LA60 B 电源防雷器， LA60 B 的容通电流为 100KA, 可承受直击雷的冲击。电源电缆埋地进入大楼，埋地距离大于 50 米。

（2）在大楼总配电箱前安装 OBO V25-B/4 电源防雷器，接在进入大楼的电力电缆末端。该防雷器与前面的 LA60 B 相配合，可对整个大楼的用电设备进行有效的保护。另外可选配 PCS 雷击记录磁卡，可记录雷电流的峰值。如大楼顶有用电设备，则供电线路布线需采用屏蔽电缆，并于供电线路末端安装 OBO V25-B 电源防雷器，防止将雷电引入楼内供电系统。

（3）大楼内电气设备的保护，一般采用 C 级防雷器。针对一般办公楼内计算机设备分布较为分散的特点，在各楼层的配电箱处，安装 OBO V20-C/3+NPE 电源防雷器，对楼层内的各种用电设备进行保护。计算机房一般均采用专线电缆供电，同样在机房的总配电柜处安装一套 OBO V20-C/3+NPE 电源防雷器。如大楼的空调和动力供电采用独立的配电系统，则动力线路可不装 C 级防雷器。如大楼采用市电 - 发电机组供电模式，则在发电机组的全自动控制屏上安装 OBO V20-C/3+NPE 电源防雷器，保护控制屏的市电监测电路。

（4）

在对电压要求较高和较重要的设备前端、计算机房的 UPS 输出端，安装 D 级精密电源防雷器，作为最后一级保护，一般采用 OBO 的电源防雷插座或 VF230-AC 精密电源防雷器，，彻底滤除电源上的各种高频杂波。

(5) 当大楼处于雷电活动剧烈地区时， B 级电源防雷器可采用 OBO MC50-B 电源防雷器。该防雷器为 OBO 今年新推出的划时代产品，每个电源模块容通电流达到 50KA （ 10/350nS ），而残压仅为 2KV ，大大小于其他同类产品 4KV 的水平，同时放电时无电弧产生，可安装于配电柜中，替代 OBO LA 60-B 和 V25-B 两种产品，保护功能更强大，安装也更简便。

（ 6 ）信号线主要包括：电话、专线（包括 DDN 和 ISDN ）、计算机网络线（同轴电缆和双绞线）、视频线、天线和馈线等。信号线受感应雷的影响较多，一般采用 F 级（ FINE ）防雷器，当线路暴露于户外时，需另加装 B 级（ BASIC ）防雷器，形成二级保护。当被保护的线路所处空间较小时，可采用 C 级（ COMBINE ）防雷器，替代 B 、 F 两级的组合。常用防雷器（ F 级）如下：

a ：电话、传真线路，应安装 OBO RJ45-TELE/4-F 电话线防雷器；

b ：电话专线、 DDN 专线采用 OBO RJ45-V24T/4-F 信号线防雷器；

c ：以太网采用 OBO RJ45-E100/4-F 和 KoaxB-E2/MF-F 信号线防雷器；

d ：视频线路采用 KoaxB-E2/MF-F 信号线防雷器；

以上简述了 OBO 防雷器的应用。电源防雷器可根据需要选用声光报警、遥信报警及缺相报警功能。关于 OBO 防雷器的有关技术问题，可与 OBO 中国培训中心或我公司联系。

三、 公路收费系统防雷方案

高速公路、二级公路收费站的电子系统遭雷电侵袭的概率较高，主要有如下几个原因：

（1）、公路经过的地区一般地势平缓，收费站的建筑物常常为附近最高点，加上安装高杆灯后，更易引雷；

（2）、公路的路基、路面施工造成了沿路一线的土壤导电率变化，使公路沿线成为易落雷的区域；

（3）、收费站地处郊外，供电线路一般均采用架空电缆，雷电波会经由供电线路侵入用电系统；

以上几点，造成了公路收费站附近雷电活动频繁，对收费计算机系统、监控系统的影响极大。为确保人身、设备安全，我司根据实际情况，设计如下方案，以供参考。

（一）、电源线路的防雷

1、10KV 高压供电线路的末端采用有金属护套或绝缘护套电缆穿钢管埋地引入配电房，金属护套和钢管两端就近可靠接地。

2、10KV 高压线末端接入电源变压器处，每相线安装 1 只 OBO 480 电源避雷器。

3、电源变压器的机壳、电源低压侧零线、电缆的金属护套均应就近接地。

4、由电源变压器到配电房之间的低压输电线路应埋地布线，其长度不宜小于 50M 。

5、在配电房的低压配电屏上安装三套 OBO MC50-B 电源避雷器，其容通电流为 50KA ，将电源线上出现的巨大浪涌电流吸收。

6、由配电房到监控楼的供电电缆采用屏蔽电缆埋地引入。楼内配电箱的零线不作重复接地，电缆两端的屏蔽层就近接地。

7、在监控楼内的配电箱里，安装一套 OBO V20-C/3+NPE-AS 电源防雷器，该防雷器为 C 级防雷器，每相容通电流为 40KA 。防雷器附带有声光报警装置，能提醒用户及时更换损坏的模块。

8、收费车道的供电电缆采用屏蔽电缆并埋地布线，电缆两端均安装 OBO V20-C/2 电源防雷器，即监控机房 UPS 输出配电箱处和收费车道内配电箱处。

9、在每台户外摄像机（如广场摄像机、车道摄像机）的电源输入端，安装 OBO V20-C/2 电源防雷器。如有条件，广场摄像机可采用带遥信监测功能的 V20-C/2-FS ，便于用户了解防雷器的状态。

电源防雷器的安装可参看下图:

( 二)、监控系统的防雷

公路收费站的监控系统一般有6-8路摄像机，应采取如下防雷措施：

1、在每台摄像机的视频输出端口，安装 OBO KOAX B-E2/MF-C 馈线防雷器，防雷器就近接机壳或接地。该防雷器为C级防雷器，可防直击雷的影响。

2、如摄像机后端有字符叠加器，如两台广场的全景摄像机，则将馈线防雷器安装于字符叠加器的输出端，摄像机到字符叠加器间的电源线、馈线应尽可能短，并保证接地线是相连的，确保两台设备是处于等电位状态。

3、视频馈线的敷设应穿金属管埋地布线。摄像机的电源输入端安装电源防雷器（见前述）。

4、视频馈线进入监控机房后，在每个视频分配器的输入端口处，安装OBO KOAX B-E2/MF-F 馈线防雷器。防雷器就近接机壳或接地。

( 三)、计算机网络防雷

收费计算机网络系统的防雷措施如下图所示：

1、在连接监控机房和收费车道HUB间的同轴电缆两端，各安装一只OBO KOAX B-E2/MF-F 馈线防雷器；

2、由HUB 到收费计算机间的双绞线上，在计算机的网卡端口处各安装一只 OBO RJ45-E100/4-F 信号线防雷器；

3、各防雷器就近接机壳或接地。

（四）、接地与屏蔽措施

一个良好的接地系统是保护人身、设备安全、系统稳定工作的重要保证，也是防雷系统的重要基础。特别是在强雷区，一个合理的接地系统能更快地泄放雷电流，降低残压，防止地电位反击事故，有效地降低雷害威胁。

在《电子计算机房防雷设计规范》（GB 5O174-93）中，第6.4.3条明确提出：交流工作接地、安全保护接地、直流工作接地、防雷接地等四种接地宜共用一组接地装置，其接地电阻按其中最小值确定；若防雷接地单独设置接地装置时，其余三种接地宜共用一组接地装置，其接地电阻不应大于其中最小值，并应按现行国标准《建筑防雷设计规范》要求采取防止反击措施。

《雷电电磁脉冲的防护》（IEC 1312-1）第3-2条：如果在互相邻近的建筑物之间有电力线和通讯电缆通过，应将其接地系统互相连接，并且这样有利于采用多条并行路径以减少电缆中的电流，一个网状接地系统可满足这种要求。

在收费站系统中，主要有以下几个建筑物、配电房、监控楼、收费车道，建议其接地系统的建设采用如下措施：

1、在监控楼和配电房地基外围，沿散水点外用4×40mm扁钢带埋设环形地网，同时每隔3-5 M打一地桩，地桩采用5×5×50MM 角钢，长2.5M。避雷针的引下线沿对角方向布设，不少于2根。同时建筑物梁、柱内钢柱不少于2根与地网相连。

2、在监控楼和配电房之间的空地上建设地网，网格为5×5M，用料是4×40MM扁钢和5×5×50MM角钢，两端与监控楼、配电房的环形地网相连，连接点不少于两处。

3、如新建收费站，监控楼与收费车道宜利用建筑物梁柱内的钢筋网作为暗装避雷网。梁与柱、墙与楼板间的钢筋要真正做到绑扎或搭接，如有些地方无法绑扎或搭接，应每隔20M左右焊接一点。当建筑物只有很少几条作主引下线的柱子时，其内部钢筋应由上到下焊接两根主筋，并由基础引出不少于两根导线焊接到地网上。建筑物内部所有金属物体作电气连通，构成统一的导体并接地。

4、收费车道的基础钢筋应与公路路面的钢筋网相连接。

5、收费广场两端的高杆灯可视为独立避雷针,其接地系统宜做成辐射型，接地电阻小于10欧姆。

6、如有条件，配电房、监控楼、收费车道的地网应连为一体，相互间用4×40MM扁钢带不少于两处连接。如果相互距离太远，也可以不连接，只需将电缆的屏蔽层或金属套管两端分别接地即可。

7、收费车道的所有金属件均应接地。可利用地基的钢筋网，收费亭、自动栏杆、红绿灯等等均在安装时与钢筋网相连，形成等电位状态。

8、在监控机房的防静电地板下，用4×40MM的扁钢带沿墙四周设一环型接地汇流排，将机房内所有的工作地、安全地、防雷地、金属门窗和管道、电缆屏蔽层等等，均接在该汇流排上，形成联合接地。同时，用35MM2-90 MM2的铜缆作为引下线接至地网，联接点距避雷针的引下线联结点5M以上。

9、所有暴露于室外的供电电缆、信号电缆均应采取屏蔽措施，如采用屏蔽电缆、穿金属管屏蔽等，并采用埋地走线的形式。屏蔽层两端就近接地。

10、在监控机房接地引下线上，安装 OBO MK-B 雷电峰值纪录磁卡，可纪录雷击电流的大小、评估防雷器是否正常工作及事故分析的依据。

接地系统可参看下图：