中国公路网_福泉高速公路（福州段）紧急电话系统防雷性能的改进

福泉高速公路（福州段）紧急电话系统防雷性能的改进
2003-02-25　中国交通信息产业　林雪华
本文就福泉高速公路路侧紧急电话系统原设计缺陷、几次雷击损坏以及改进措施作较详尽的介绍，供同行参考。 ——作者
雷击是通信设备主要危险源之一，特别是高速公路多建于空旷地带，其路侧紧急电话相对就处于比较高的地理位置，显得突出，受雷击危险性更大。随着电子技术的高速发展，紧急电话设备中大量采用了低功耗、低电压供电的大规模集成电路，同时随着设备集成度增高，印刷电路板的线间距离越来越小，印刷线路也越来越细，使得设备（尤其外场设备）防御雷击的能力越来越弱。
福建省地处东南沿海，受海洋气候及地理环境影响，雷雨季节从每年的3月至10月底，期间雷雨频繁更是雷害重灾区。2000年6月至9月，福泉高速公路福州段紧急电话系统先后六次遭受比较大的雷电袭击，主要发生在雷打石隧道与宏路收费站附近及之间路段，共造成数十部电话机芯板损坏。远供电源保险丝烧坏是常有的事，雷电还多次烧坏远供电源,造成紧急电话分机不工作。据福建省防雷中心技术人员介绍，自古以来，福州近郊就是闻名的雷区，雷打石因此而取名。话虽这么说，但上述紧急电话系统频繁遭受雷电的破坏，除了与气候及地理环境因素有关外，更主要的还是与其系统本身防雷设计不到位有直接的关系。福建省高速公路建设主管部门非常重视交通机电工程外场设备的防雷，先后两次要求承包单位，对福泉高速公路紧急电话系统的防雷进行重新设计，采取必要防范措施,改进防雷效果。现将福泉高速公路福州段紧急电话系统防雷性能整改情况及实际使用效果与同行交流。
原系统缺陷与第一次整改情况
由于设计单位没有充分认识福建地区的雷害破坏程度，从降低成本和简化施工安装工艺等角度考虑，对系统设备尤其是外场紧急电话机的防雷措施，没有按多级防范措施设计，主要表现在：
1.远供电源防雷措施不完善，一遇到感应雷或某部电话被雷击时，就会出现工作不稳定、经常烧保险丝甚至烧毁电源模块；
2.紧急电话机芯的防雷措施较为简单，仅在通信电缆接入紧急电话主机机芯处加装单级放电管，所以稍有感应雷电就损坏紧急电话机芯板上的电子器件。
2000年10月初，承包人应业主的要求，第一次对系统进行了防雷措施的改进，设计单位亦从四个方面对系统防雷进行重新设计：
1.远供电源。针对直击雷，在电源的交流配电柜前级加装交流配电系统的第一级防雷，力求旁路75KA/1.5KV以上的直击雷；在交流电源柜内部安装第二级防雷，进一步旁路75KA/1.5KV以下的雷电压、电流；还在远供电源内部设置第三级防雷保护器件，用于吸收残压。
2.防雷板。重新设计设置于传输电缆与电话机芯接口处的防雷板。防雷板电路中，第一级为放电管，放电管的瞬间放电电流可达上千安培的量级，但它的放电残压仍较高，还有几百伏，残压经纯电阻隔离后进入第二级。第二级为压敏电阻，利用压敏电阻的限压作用进一步释放雷电的能量，使雷电的干扰电压降至几十伏，甚至更小。
3.电话主机机芯板。在电话主机机芯内部设置隔离变压器和瞬态抑制器的第三级防雷。采用变压器隔离，对雷电中的高频分量起到较好的隔离，以抑制共模干扰；瞬态抑制器实质是瞬间击穿限压器，其特点是防干扰电压精度高，速度快，通过电流大，确保紧急电话机芯电子器件及线路免遭雷电破坏。
4.主副机连接电缆。在电话副机与主机连接处，设置瞬态抑制器，防止连接电缆上感应的雷电对紧急电话主、副机机芯的破坏。
但是，承包人存在侥幸的心理，没有完全按设计单位的整改方案进行实施，只在防雷板远供电压上加一级压敏电阻，吸收雷电残压，和在原电话主、副机与通信电缆接口处，以及电源、喇叭等端口加装瞬态抑制器。由于当时已过了雷雨季节，系统暂时没有出现异常现象。第二年，随着雷雨季节的到来，紧急电话系统又多次遭受雷电的袭击，系统设备损坏依然惨重，说明第一次防雷性能整改工作基本失败，这也是在情理之中和必然的结局，因为整个整改过程没有根据实际情况并按照设计要求采取措施。
第二次整改情况与完善
在业主的强烈要求下，面对客观事实，承包人意识到了，处事不按科学、讲究实事求是以及抱侥幸心理都是行不通的。同时设计单位也根据使用单位技术人员收集的有关雷害情况，如设备损坏程度、器件损坏情况和部位等，再作详细分析，在第一次整改设计方案的基础上继续加以完善。业主在整改期间增加了监督力度，促使整个整改方案按设计单位的要求进行。
承包人一方面更换了原系统的远供电源。在新的远供电源内部，除上述采用的三级防雷措施外，还采用了国内先进的电源指标检测模块，增加了过压过流保护，使一般的感应雷电不会损坏远供电源。当遇到较大的雷电时，远供电源会自动断开，延时三、五秒钟后，又会自动恢复正常工作，这样保证了远供电源在遇到较大雷电后仍能正常工作，避免了因远供电源损坏，而造成由其供电的紧急电话分机瘫痪。
另一方面重新加工防雷板。新的防雷板电原理图如下：
 
 
 
 
 
 

图1：紧急电话主机防雷电路板
图中 Z1、Z2：无感电阻；A：气体放电管；B：压敏电阻；C：瞬态抑制器；
图中通流量A>B>C，残压值A>B>C，响应时间A>B>C，这样既可以以最短的时间将雷电压通过A泄放入地，又可以通过主要起箝位作用的B和C将冲击电压限制在设备允许的范围内。
第一级：气体放电管，放电能力强。8/20us脉冲波形时能疏导10KA的脉冲电流，经过该级后，线路残压最高在600V左右。
第二级：压敏电阻，8/20us脉冲波形时能疏导40KA的脉冲电流，经过该级后，线路残压在40V左右。
第三级：瞬态抑制器，8/20us脉冲波形时能疏导几十安培的脉冲电流，经过该级后，线路残压被嵌位低于6V，可以确保系统器件不受损坏。
在重点整改好远供电源与防雷板的同时，设计单位协同承包人应业主的强烈要求，对运行一年多近两年的紧急电话系统，进行了全方位的整改，内容包括：
第一，紧急电话平台接地电阻重新检测的整改。众所周知，防雷的要求主要是减少冲击和均衡电位，减少雷电流泄放的阻抗，使其在受雷击时能以最短的引线距离和泄放电阻均匀入地，并通过大地网尽快散流。因此，在实施时除主机的接地电阻要满足小于10欧姆的要求外，副机也要独立接地，且接地电阻也要满足要求，不能因为主、副机之间的连带关系，而互相引用对方的接地体。
第二，线缆及分歧电缆包封头的整改。传输电缆的绝缘性能和接地，都是施工工艺要求的必测指标。电话线缆绝缘度低，影响系统的通话效果；电缆接地不良，将降低抵御雷电波等侵袭的能力，使系统不能稳定工作。在措施上，承包人对原线缆分歧处即电话分机接头重新进行严密包封并接地，包封好的分支包封头都按工艺要求，固定在人井电缆托架的上端，防止人井进水，缆线接头长期浸泡水中，保证线间以及线地间的绝缘电阻大于100兆欧姆。
第三，电缆进机房的整改。电缆进机房处，增设10至50米铜管，铜管至少有一处接地，并在监控中心机房配线箱内加装防雷电路板。
第四，电话机芯电路与排版工艺的整改。将电话机芯板上的主要防雷器件安装在电缆接线盒内的防雷电路板内，与机芯电路隔离。另除了设置电缆进线处的三级防雷措施外，还在电话机芯电路中增加了自恢复保险丝、隔离变压器和瞬态抑制器等防雷器件，进一步增强电话机芯对防御雷电破坏的能力。
上述整改工作于2001年7月中旬结束，7月25日一场雷阵雨，雷电又造成紧急电话主机防雷电路中串臂电阻（图1中Z1、Z2）烧毁，感应雷电还是串入电话机芯后续电路，烧毁了直流/直流变换器，并使13部电话副机的音频放大集成块烧坏。由分析和实验证实，是由于防雷电路中串臂电阻功率选择不当，且采用电阻器件无法抵御强高频雷电流侵害。设计单位根据实际情况，再将防雷电路中的电阻更换为电感，改善了防雷板抑制高频雷电流的能力。
这样一来，在这以后系统虽也多次遭雷击，有时闪电还很强烈，雷声也很响，但系统并没有发生大面积损坏的局面，表明经过多次的反复整改，防雷效果是有效和得当的，也经受住了实践的检验。通过几次反复的整改，我们认识到防雷也是系统工程，单一项或几项措施很难达到目的，关键要综合考虑各种因素，更要尊重科学，按客观规律办事，采取恰当的措施，雷击也是可以得到防范的。