高速公路
一、概述
高速公路系統具有線長、面廣等特點，既有強電設備，又有大量的監控、通信、傳感等弱電設備。外場設備遍布全路段，曠野區域內往往架設有突出的設備點，電力線路往往要翻山越嶺高空架設，傳輸和控制線路經常需要穿越復雜的地質層面，這些都是易遭受雷擊或由于雷電感應過電壓造成設備損壞。同時，在高速公路機電設計和施工中強電和弱電系統的防雷問題一直不被重視，接地的要求也不統一，弱電系統的接地處理更為簡單，埋下設備遭受雷擊或雷電感應過電壓帶來損壞的隱患。
因此，采用完善的綜合防雷措施構成一套完整的防雷體系，這就是現代防雷的新理論：綜合防雷理論。目前高速公路建設發展迅速，為了使高速公路暢通無阻，保證高速公路通信、監控、收費系統正常運行，將雷電災害降低到最低限度，防雷工程技術人員應對系統進行全面勘測、綜合治理、制定完善的綜合防雷設計方案。
二、高速公路綜合防雷設計方案的依據
高速公路綜合防雷在設計時主要采用以下標準，供設計時參照。
1、GB50057-2010《建筑物防雷設計規范》
2、GB50343-2012《建筑物電子信息系統防雷技術規范》
3、IEC61312《雷電電磁脈沖的防護》
4、GB50174-2008《電子信息系統機房設計規范》
5、GA/T 670-2006《安全防范系統雷電浪涌防護技術要求》
6、GB/T50311-2000《建筑與建筑群綜合布線系統工程設計規范》
三、高速公路通信、監控、收費系統的基本組成
1、每一條高速公路在其管理的區間內均設有一個監控中心大樓。監控中心一般設在高速公路的出、入口處，也有設在管理區間的中心部位。中心一般設置有大型地圖板和監控電視系統，并配有多畫面切換控制設備、視頻監視器、低速錄像設備及自動轉換裝置。中心配備有計算機網絡系統、負責管理各收費站的收費信息、緊急電話的控制、公路出入口及中間各大型電子顯示屏的控制和公路沿線的小型電子提示牌的控制等。中心大樓內還有程控交換機系統、中心控制臺、光纜通信的兩個或四個8Mbit/s接口的光端機及上網設備、無線電話系統、UPS供電系統等多種電子設備。
2、在每個收費站配備有光纜通信設備，收費用的計算機局域小網，收費站信號燈控制系統，監視、攝像、記錄系統，控制操作臺，站內電話控制臺、無線對講電話等。
3、在每個收費亭內配備有收費計算機網絡系統工作站專用計算機，收費票據打印機，收費指示板，指示燈，車道控制機，自動欄桿，語音提示系統，車輛過境自動計數器，對講電話和空調及供電系統等設備。
4、在公路沿線及收費站廣場設置了多個監控攝像頭，將攝像頭的視頻信號通過光纜、同軸電纜、對稱電纜或通過微波傳輸系統，將視頻信號或語音信號傳到中心監控室，以利控制中心掌握公路沿線的車輛行駛運行情況，便于指揮調度。
5、道路LED指示牌。LED指示牌發布高速公路即時信息，位于空曠的環境中，其控制信號線一般由光纖組成，系統電源采用就地變壓（主要是使用開關電源）的措施，由電源引起的雷擊事故較為普遍。
四、高速公路的綜合防雷原則
高速公路的綜合防雷設計應考慮環境因素、雷電活動規律、系統設備的重要性、發生雷災后果的嚴重程度，分別采取相應的防護措施。
1、在進行綜合防雷設計時，應堅持全面規劃、綜合治理、優化設計、多重保護、技術先進、經濟合理、定期檢測、隨機維護的原則，進行綜合設計及維護。
2、高速公路綜合防雷系統的防雷設計應采用直擊雷防護、等電位連接、屏蔽、合理布線、其用接地系統和安裝電涌保護裝置等措施進行綜合防護。必須堅持預防為主，安全第一的指導方針。
3、高速公路綜合防雷系統應根據所在地區雷暴等級、設備放置在雷電防護區的位置不同，采用不同的防護標準。為確保防雷設計的科學性、先進性，高速公路建設工程在設計前宜做高速公路沿線現場雷電環境評估。
五、高速公路建筑物直擊雷防護措施
1、監控中心大樓一般設置在高速公路的出入端或控制管理區域的中心位置。由于周圍地形比較空曠，樓層一般都在六層以上，高度超過20m且樓頂還安裝有各類通信天線、有的還架設有鐵塔，這些都是直擊雷的重要目標。由于樓內有大量實時運行的電子、微電子設備，又是整個機場的指揮高度中心，根據GB50057-2010《建筑物防雷設計規范》的規定，可定為二類防雷建筑。按滾球法（滾球法半徑45m）設計避雷針。設計方法請參照《建筑物防雷設計規范》附錄四的要求，決定避雷針的數目、布局、高度，在設計時應考慮避雷針當地30年最大風的抗風強度，并留有一定余量。
2、為了減少避雷針的維護，防止酸雨對避雷針的腐蝕，應在監控中心大樓樓頂安裝不銹鋼避雷針，其高度和數量根據滾球法計算其保護范圍能覆蓋整幢中心大樓的天面和各類天線，使其能有效防止直接雷擊以保護大樓的樓頂和各類通信天線的安全。
3、在公路沿線安裝監控攝像頭的云臺桿頂、收費站廣場云臺桿頂以及LED指示牌頂各安裝一套不銹鋼避雷針，以保護云臺攝像頭等設備免遭直擊雷危害。
4、在高速公路收費站鋼架屋頂上和大型室外電子顯示屏頂端左右對稱各安裝一套不銹鋼避雷針，以保護收費站鋼架屋頂和電子顯示屏框架結構免遭直擊雷危害。
5、避雷針的引下線最好利用鋼結構柱做泄流線，條件不允許時，也可以單獨用25mm2以上的銅絞線穿鍍鋅鋼管屏蔽，并做絕緣處理，從避雷針尖直接以最短路徑入地，以減少泄流時的雷擊電磁脈沖輻射而損壞微電子設備和室外大型電子顯示屏編碼控制系統。可選TLS系列避雷針，根據針高和安裝方式不同來選擇。
六、雷擊電磁脈沖（LEMP）的防護措施
雷擊電磁脈沖（LEMP）所產生的感應電動勢通過侵入通道疊加在線路信號上產生瞬間高電壓，擊毀各類用電設備和微電子芯片，因此在實施防雷工程時必須將感應雷擊作為重點，進行有效的防御。在設計綜合防雷時，應從以上通道進行重點防護，同時做好等電位連接和共用接地系統。
1、電源系統的防雷措施
在監控中心大樓的總配電盤上安裝一套雷電通流容量Iimp≥25kA（波形10/350μs）；響應時間Ta≤50ns的三相電涌保護器SPD1，型號為：TPS B50-PRO 4P，作為一級保護。（TPS B100 4P可選）
在樓層分盤上安裝一套雷電通流量Imax≥40kA（波形8/20μs）；響應時間Ta≤25ns的三相電涌保護器SPD2，型號為：TPS C40 3P+N，作為二級保護。
在UPS電源前安裝一套雷電通流容量Imax≥20kA（波形8/20μs）；響應時間Ta≤50ns的單相電涌保護器SPD3，型號為：TPS D20 2P，作為三級保護。
在UPS電源后或設備前安裝一套雷電通流容量Imax≥10kA（波形8/20μs）；響應時間Ta≤50ns的單相電涌保護器SPD4，型號為：TPS D10 JF7，作為四級精細保護。
在強雷區應設SPD1－SPD4四級防護；在多雷區和高雷區可選擇SPD1、SPD2和SPD3三級作為電源系統防護選擇標準；在少雷區可選擇SPD1和SPD3二級作為電源系統防護選擇標準。
SPD連接導線應短而直，SPD連接導線不宜大于0.5m，當長度大于0.5m時應適當加粗線徑。當SPD1～SPD2的線距小于10m、SPD2～SPD3的線距小于5m、SPD3～SPD4的線距小于5m時，應在兩SPD間加裝退耦裝置。為防止SPD老化造成短路，要求SPD安裝線路上應有過流保護裝置，應選用有劣化顯示功能的SPD。
在收費亭內的供電線路上各安裝一套雷電通流量Imax≥20kA（波形8/20μs）；響應時間Ta≤25ns的單相電涌保護器SPD，型號為：TPS D20 2P，保護各亭收費計算機、票據打印機、收費指示板、指示燈、自動攔桿、車道控制器、語音提示系統、對講機等電源線路安全。
廣場攝像頭前端低壓直流供電線路兩端各安裝一只通流容量In≥1kA（波形8/20μs）；響應時間Ta≤25ns的低壓電涌保護器SPD，以保護低壓直流供電線路安全，型號為：TPS-D10-24V。
在公路沿線的云臺攝像頭供電線路配電盤輸出端各安裝一套雷電通流量Imax≤40kA（波形8/20μs）；響應時間Ta≤25ns的單相電涌保護器，型號為：TPS C40 1P+N，作為一級保護。在直流整流供電設備前安裝一套雷電通流量Imax≥20kA（波形8/20μs）；響應時間Ta≤25ns的單相電涌保護器，型號為：TPS D20 2P，作為二級保護。在攝像頭直流供電線路上安裝一只通流容量Imax≥2kA（波形8/20μs）；響應時間Ta≤25ns的低壓電涌保護器以保護攝像頭供電線路安全，型號為：TPS-D10-24V。
在進、出高速公路兩端和中間的大型電子顯示屏電源線路配電盤上各安裝一套雷電通流量Imax≤40kA（波形8/20μs）；響應時間Ta≤25ns的單相電涌保護器，型號為：TPS C40 1P+N，作為一級保護；在穩壓整流器設備前安裝一套雷電通流量Imax≥20kA（波形8/20μs）；響應時間Ta≤25ns的單相電涌保護器，型號為：TPS D20 2P，作為二級保護；在未級設備供電處安裝防雷插座，通流容量Imax≥7kA（波形8/20μs）；響應時間Ta≤25ns的單相電涌保護器，型號為：TPS D10 JF7，作為三級電源保護。
2、視頻信號傳輸線路的防護措施
（1）在廣場攝像頭到控制中心和收費亭車道的監控攝像頭到控制中心的視頻傳輸電纜兩端應安裝視頻信號SPD各一只，型號為：TTS-CoaxB-TV/S，以保護攝像頭。
（2）在公路沿線云臺的攝像頭上各安裝一只視頻信號電涌保護器，型號為：TTS-CoaxB-TV/S，以保護攝像頭。（可選三合一監控多功能電涌保護器）
（3）在收費電腦視頻卡視頻輸入、輸出BNC端口安裝視頻信號SPD各1個，型號為：TTS-CoaxB-TV/S，保護收費電腦。
3、收費系統信號線的防護措施
（1）在監控中心機房計算機網絡服務器至網絡交換機（HUB）間安裝一只計算機網絡信號SPD，型號為：TTS-RJ45-E100/4S，以保護服務器。
（2）在監控中心機房網絡交換機至收費亭的計算機間的數據線兩端各安裝一只計算機網絡信號SPD，型號為：TTS-RJ45-E100/4S，以保護網絡交換機和收費亭計算機網絡端口。
（3）在電子顯示屏的光、電端機編碼器之后至控制器兩端各安裝一只數據線SPD，型號為：TTS-VF-24/4S，以保護光、電端機、編碼器和控制器。
（4）收費亭與監控中心有線對講系統兩端各安裝音頻信號避雷器1個，通流容量5KA（波形8/20μs），型號為：TPS-D10-24V。
（5）宜在程控電話和緊急電話傳輸線兩端安裝程控電話電涌保護器，其標稱導通電壓為Un≤1.5Uc ；雷電通流量Ia≥5kA（波形8/20μs）；響應時間Ta≤50ns 的程控電話SPD，型號為：TTS-RJ45-TELE/4S。
七、屏蔽措施
1、屏蔽是減少電磁干擾的基本措施，宜采取以下措施：外部屏蔽措施、線路敷設于合適的路徑、線路屏蔽，這些措施宜聯合使用。
為改善電磁環境，所有與建筑物組合在一起的大尺寸金屬部件都應等電位連接在一起，并與接地裝置相連。屋頂為金屬表面、立面金屬表面、混凝土內鋼筋和金屬門窗框架，都必須進行等電位連接后接地。
在需要保護的空間內，當采用屏蔽電纜時其屏蔽層至少在兩端并宜在雷電防護區交界處做等電位連接。當微電子設備系統要求只在一端做等電位連接時，可將屏蔽電纜穿金屬管引入，金屬管在一端做等電位連接。
建筑物之間的連接電纜應敷設在金屬管道內，這些金屬管道從一端到另一端應全線電氣貫通，并連到各建筑物的等電位連接帶上。電纜屏蔽層也應連到這些帶上。
2、實踐中建筑物或房間的大空間屏蔽是由金屬支撐物、金屬框架或鋼筋混凝土的鋼筋這些自然構件組成的。這些構件構成一個格柵形大空間屏蔽。穿入這類屏蔽的導電金屬物應就近與其做等電位連接后接地。
3、監控系統設備機房位置應選擇在LPZ最高級區和避免設在建筑物的頂三層內；當建筑物天面部分的避雷網格尺寸不符合系統抗干擾的要求時，應在天面加裝屏蔽層。使用非屏蔽電纜，入戶前應穿金屬管并埋入地中水平距離10m以上。如受條件限制無法穿金屬管埋地入戶，則應加長入戶屏蔽管或棧橋長度，金屬管或棧橋的兩端以及在雷電防護區交界處要做等電位連接和接地。
4、監控系統設備為金屬外殼時，應用最短的導線將其與等電位連接帶連接。如是非金屬外殼，當設備所在建筑物屏蔽未達到設備的電磁兼容性要求時，應加裝金屬網或其它屏蔽體對設備屏蔽，金屬網應與等電位連接帶進行等電位連接。
5、計算機、通信、監控機房的設備應與建筑物外墻保護1m左右距離。以防止大樓遭到直擊雷時沿外墻泄流入地的引下線周圍產生較強的電磁場而損壞微電子設備。
八、等電位連接與共用接地
1、等電位連接是現代防雷技術重要的防護措施之一。將進入監控中心大樓的各類管線的屏蔽層、機架等在進入大樓前進行等電位連接后接地。在進入設備前再進行二次等電位連接后接地。將廣場攝像頭輸出的同軸電纜的外層和其它管線外層在進入大樓前進行等電位連接后接地。
2、將分開的外導電裝置用等電位連接導體連接后接地，以減少系統設備所在的建筑物金屬構件與設備之間或設備與設備之間因雷擊產生的電位差。利用鋼筋混凝土結構的建筑物內所有金屬構件的多重連接建立一個三維的連接網絡是實現等電位連接的最佳選擇。為方便等電位連接施工，應在一些合適的地方預埋等電位連接預留件。
進入系統所在建筑物的各類水管、采暖和空調管道等金屬管道的金屬外層在進入建筑物處應做等電位連接，燃氣管道入戶后應在法蘭盤連接處插入一塊絕緣兩端用開關型SPD連接后戶內金屬管道可參加等電位連接，并與建筑物組合在一起的大尺寸金屬件連接在一起，按GB50054的要求做總等電位連接之后，接向總等電位連接帶，并可靠連通接地。
3、在建筑物入口處，即LPZ0B與LPZ1區交界進行總等電位連接后接地，在后續的雷電防護區交界處按總等電位連接的方法進行局部等電位連接，連接主體應包含系統設備本身（含外露可導電部分）、PE線、機柜、機架、電氣和電子設備的外殼、直流工作地、防靜電接地、金屬屏蔽線纜外層、管道、屏蔽槽、電涌保護器SPD的接地等均應以最短的距離就近與這個等電位連接帶直接連接。連接基本方法應采用網型（M）結構或星型（S）結構。網型結構的環行等電位連接帶應每隔5m經建筑物墻內鋼筋、金屬立面與接地系統連接。當采用S型等電位連接網絡時，系統的所有金屬組件除在接地基準點，即ERP處連接外，均應與共用接地系統的各組件有足夠的絕緣（大于10KV, 1.2/50μs）。
4、宜利用建筑物的基礎鋼筋地網作為共用接地系統。如建筑物沒有基礎鋼筋地網，宜在建筑物四周埋設人工垂直接地體和水平環型接地體。接地體的接地電阻不宜大于4Ω。原則上應在各雷電防護區界面處做等電位連接，但由于工藝要求或其它原因，被保護設備的安裝位置不會正好設在界面可能發生的電涌電壓時，電涌保護器安裝在被保護設備處，而線路的金屬保護層或屏蔽層宜首先在界面處做一次等電位連接接地。
5、埋于土壤中的人工垂直接地體宜采用角鋼、鋼管或圓鋼；埋于土壤中的人工水平接地體宜采用扁鋼或圓鋼。圓鋼直徑不應小于10mm扁鋼截面不應小100mm2,其厚度不應小于4mm；角鋼不應小于40mmX40mmX4mm；鋼管壁厚不應小于3.5mm。人工垂直接地體的長度宜為2.5m。人工垂直接地體間的距離及人工水平接地體間的距離宜為5m，當受條件限制時可適當減小。人工接地體在土壤中的埋設深度不應小于0.5m，在凍土區人工接地體應埋設在凍土層以下。接地體應遠離由于磚窯、煙道等高溫影響土壤電阻率升高的地方。
6、在高土壤電阻率地區，降低接地裝置接地電阻宜采用下列方法：
A、采用多支線外引接地裝置，外引長度不應大于60m；
B、為了有效降低接地電阻，可適當使用降阻劑；
C、換土法。
7、在監控中心大樓周圍應做一環型閉合接地電阻小于4Ω的復式混合地網，澆灌長效降阻劑，以保證地阻常年穩定。此地網主要用于監控中心大樓和收費亭的安全保護接地。并與大樓并網作為共用接地系統。該地網引出極應用40 X4mm鍍鋅扁鋼制作，用截面積大于50 mm2的BR銅線從引出極引出至各收費亭供接地專用。一根以最短路徑引入主機房接地母排上供機房接地專用。
在公路沿線云臺桿下面各做一個小于4Ω的聯合地網，每個地網做兩個引出極，極間距宜大于5m，一根引出極作為防直擊雷接地，一根引出極作設備安全接地用。每根地線穿1.5英寸鍍鋅鋼管屏蔽后，引到云臺桿頂和設備間供兩種接地用。各分散的地網通過電源系統的安全保護地連通全線達到等電位連接的目的。
