山區(qū)高速公路ETC 門架設(shè)備智能防雷監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

■江居煒

（福建省高速公路集團(tuán)有限公司南平管理分公司， 南平 353000）

南平高速公路轄區(qū)門架多位于郊外，周圍地勢空曠，大量的監(jiān)控、通信、傳輸?shù)热蹼娫O(shè)備，控制線路和電力線纜需穿越復(fù)雜的地質(zhì)層，易受雷擊。 高速公路的路基、路面施工造成了公路沿線的土壤電阻率變化，極易遭受雷電侵害；路基、路面、房建、機(jī)電等系統(tǒng)往往由多家單位設(shè)計(jì)、施工，防雷薄弱環(huán)節(jié)較多[1]，也容易造成雷電侵害。 因此，解決山區(qū)高速公路機(jī)電設(shè)備的防雷技術(shù)問題是非常必要的。

1 高速公路機(jī)電設(shè)施防雷現(xiàn)狀分析

南平高速公路轄區(qū)隧道331 座， 隧道長度412 km，所站56 個(gè)，ETC 門架系統(tǒng)共168 套，機(jī)電設(shè)備數(shù)量多，分布廣，且較多門架地處山區(qū)，雷電天氣頻繁， 轄區(qū)內(nèi)已發(fā)生多起機(jī)電設(shè)備遭受雷擊后，出現(xiàn)故障，導(dǎo)致設(shè)備無法正常運(yùn)行的情況。

南平高速公路傳統(tǒng)防雷技術(shù)主要為：在信號線和電源線上安裝相應(yīng)的防雷裝置，將防雷器附著在機(jī)電設(shè)備外殼或者直接接地；對收費(fèi)車道設(shè)備運(yùn)用綜合接地方法， 對各個(gè)車道都設(shè)置相應(yīng)的接地排，并把每個(gè)接地排連接到綜合接地網(wǎng)處，以實(shí)現(xiàn)綜合接地；在安裝三相電源變壓器時(shí)，所在位置同時(shí)安裝避雷裝置， 在每臺變壓器接地處設(shè)置避雷器；在建筑物內(nèi)部通過安裝電涌保護(hù)器實(shí)現(xiàn)雷電泄流，從而在發(fā)生雷電時(shí)保護(hù)機(jī)電設(shè)備的電纜線路[2]。 高速公路傳統(tǒng)防雷模式存在巡檢工作量大、防雷設(shè)施故障無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，防雷設(shè)施選擇不合理、產(chǎn)品質(zhì)量與施工工藝較差等諸多缺陷，導(dǎo)致實(shí)際防雷效果并不理想[1]，在雷雨季節(jié)仍有諸多隧道及所站重要機(jī)電設(shè)備遭受強(qiáng)大雷擊后損壞或供電中斷，尤其是車道收費(fèi)設(shè)備，遭受雷擊損壞后，影響了高速公路的正常運(yùn)營。 ETC 門架機(jī)電設(shè)備遭受強(qiáng)雷擊后損壞或供電中斷，將影響相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸和采集。

鑒于此，我司組織開展了智能防雷監(jiān)測平臺在機(jī)電設(shè)施上的創(chuàng)新應(yīng)用，引入智能防雷監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對入侵門架區(qū)域的雷電數(shù)據(jù)的捕捉監(jiān)測和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，診斷高速公路機(jī)電設(shè)備遭受雷擊故障的真正原因，從而有針對性地改良區(qū)域防雷部署，全面提升機(jī)電設(shè)備的防雷能力，以達(dá)到防雷減災(zāi)，減少維護(hù)成本的目的。

2 智能防雷監(jiān)測平臺系統(tǒng)構(gòu)建

“IOT 智能防雷監(jiān)測平臺” 的核心設(shè)備組成包含：IOT 防雷和接地電阻、雷電流監(jiān)測設(shè)備，可對入侵門架區(qū)域的雷電數(shù)據(jù)進(jìn)行捕捉并智能分析其對設(shè)備的傷害數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)對防雷設(shè)備及接地信息進(jìn)行在線監(jiān)測。 相關(guān)雷擊監(jiān)測數(shù)據(jù)可幫助分析高速公路機(jī)電設(shè)備遭受雷擊故障的真正原因，解決了目前無法第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)防雷設(shè)備故障及接地阻值不達(dá)標(biāo)的問題， 并有針對性地改良了區(qū)域防雷部署，保障了重要機(jī)電設(shè)備的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。 智能防雷監(jiān)測平臺的系統(tǒng)架構(gòu)及系統(tǒng)功能，主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)主要包括：ETC 龍門架配電系統(tǒng)防雷監(jiān)測、ETC 龍門架通訊系統(tǒng)防雷監(jiān)測、ETC 龍門架接地系統(tǒng)監(jiān)測、ETC 龍門架聯(lián)動(dòng)應(yīng)急控制配電開關(guān)。

2.1.1 ETC 龍門架配電系統(tǒng)防雷監(jiān)測及聯(lián)動(dòng)控制配電開關(guān)

在龍門架集中配電箱內(nèi)部署一套防雷預(yù)警聯(lián)動(dòng)智能應(yīng)急控制器，平臺通過監(jiān)測數(shù)據(jù)AI 診斷預(yù)警時(shí)可聯(lián)動(dòng)控制龍門架配電斷開感應(yīng)雷電流入侵線路，以確保設(shè)備不被雷擊損壞，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能防雷監(jiān)測平臺系統(tǒng)架構(gòu)

在龍門架用電設(shè)備前端布設(shè)一套微訊通電源防雷預(yù)警設(shè)備，對設(shè)備供電線路感應(yīng)雷電入侵限流并對高出的雷電流對接泄放，以起到防雷防護(hù)（配電線路防雷最大放電電流40 KA）， 同時(shí)對感應(yīng)雷擊次數(shù)、 時(shí)間記錄以及防雷器壽命進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，且逐步建立數(shù)據(jù)AI 分析模型， 為平臺提供精確的診斷依據(jù)。

2.1.2 ETC 龍門架通訊系統(tǒng)防雷監(jiān)測

在龍門架通訊設(shè)備的電源接口和網(wǎng)絡(luò)接口前端串接一套微訊通二合一防雷預(yù)警設(shè)備，對通訊設(shè)備供電線路和網(wǎng)絡(luò)傳輸線路感應(yīng)雷擊侵害電流進(jìn)行限流和對地泄流，以起到防雷保護(hù)，同時(shí)對雷擊次數(shù)、防雷器壽命進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，且逐步建立數(shù)據(jù)AI 分析模型，為平臺提供精確的診斷依據(jù)。 系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 ETC 龍門架通訊系統(tǒng)防雷監(jiān)測架構(gòu)

2.1.3 ETC 龍門架接地系統(tǒng)監(jiān)測

在龍門架用電設(shè)備前端部署一套微訊通防雷裝置預(yù)警設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測接地電阻值和接地電阻是否正常，并設(shè)置預(yù)警、告警接地電阻值，減少人員維護(hù)成本，雷電泄流值，同時(shí)診斷防雷保護(hù)等級是否合理，為后期防雷防護(hù)等級選型、設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。 系統(tǒng)架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 ETC 龍門架接地系統(tǒng)監(jiān)測架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能主要包括可視化綜合管理功能、系統(tǒng)監(jiān)測功能、系統(tǒng)診斷功能、系統(tǒng)預(yù)警功能、系統(tǒng)告警功能和系統(tǒng)防護(hù)功能。

2.2.1 可視化綜合管理功能

可視化綜合管理功能包括GIS 地理信息展現(xiàn)設(shè)備可視化綜合管理功能、 故障實(shí)時(shí)定位功能、在線故障報(bào)修運(yùn)維記錄功能、PC/手機(jī)實(shí)時(shí)在線查詢功能，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效直觀的管理。

2.2.2 系統(tǒng)監(jiān)測功能

可對工作中的防雷裝置設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程巡檢、精確故障定位等功能。有效地解決了傳統(tǒng)防雷模式中SPD 運(yùn)行狀況未監(jiān)測造成的防雷器損壞或接地故障引起的地電位反擊等問題，同時(shí)消除了問題不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)處理的弊端（圖4）。

圖4 智能防雷監(jiān)測系統(tǒng)平臺可視化綜合管理功能

2.2.3 系統(tǒng)診斷功能

以入侵雷電流監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，科學(xué)分析雷電流的途徑， 通過量身定制科學(xué)化區(qū)域防雷改造方案，切實(shí)做到雷電強(qiáng)，防雷措施更強(qiáng)，有效保障了機(jī)電設(shè)備運(yùn)行，解決了傳統(tǒng)防雷模式依據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)存在的設(shè)計(jì)問題。

2.2.4 系統(tǒng)預(yù)警功能

可實(shí)現(xiàn)ETC 門架接地電阻數(shù)據(jù)的組網(wǎng)式集中遠(yuǎn)程傳輸監(jiān)測與無線傳輸測試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備接地電阻異常和防雷防護(hù)壽命期限，提前預(yù)判故障和定位故障點(diǎn)，有效解決了傳統(tǒng)防雷模式中不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)防雷裝置設(shè)備異常情況以及定期人工檢測接地電阻費(fèi)時(shí)費(fèi)力、成本高的問題。

2.2.5 系統(tǒng)告警功能

監(jiān)測到防雷裝置設(shè)備損壞或接地電阻超標(biāo)時(shí)，可啟動(dòng)應(yīng)急管理聯(lián)動(dòng)控制電源斷開，以減少雷擊傷害， 同時(shí)啟動(dòng)系統(tǒng)自帶運(yùn)維在線報(bào)修管理服務(wù)，實(shí)時(shí)告警提示維護(hù)人員及時(shí)到現(xiàn)場運(yùn)維，解決了維護(hù)管理難的問題。

2.2.6 系統(tǒng)防護(hù)功能

雷擊主要分為3 種：直擊雷、感應(yīng)雷和球型雷[3]，ETC 龍門架及相關(guān)電子設(shè)備主要以防直擊雷和感應(yīng)雷為主，同時(shí)采用平臺預(yù)警和應(yīng)急聯(lián)動(dòng)控制保護(hù)措施：（1）直擊雷采用避雷針保護(hù)設(shè)計(jì)并做好等電位和接地；（2）感應(yīng)雷防護(hù)是通過設(shè)備的供電線路和網(wǎng)絡(luò)線路進(jìn)行過電壓浪涌防雷保護(hù)，把感應(yīng)的雷電流限流并對地泄流，以達(dá)到對線路后端的電子設(shè)備保護(hù)；（3）平臺通過對防雷裝置預(yù)警監(jiān)測：避雷針接閃后雷電流值、 感應(yīng)線防雷設(shè)備的防護(hù)次數(shù)、壽命和接地電阻是否通暢，能否有效泄放雷電流等情況進(jìn)行保護(hù)能力分析，并實(shí)行設(shè)備供電電源應(yīng)急斷電保護(hù)控制，做到被動(dòng)保護(hù)轉(zhuǎn)主動(dòng)保護(hù)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備不被雷擊。

3 智能防雷監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用管理

我司于2020 年8 月下旬，將徐墩、興田樞紐、浦城等6 個(gè)ETC 門架作為前期試點(diǎn)，安裝了智能防雷監(jiān)測平臺系統(tǒng)，目前系統(tǒng)運(yùn)行正常（圖5）。建設(shè)安裝了智能防雷監(jiān)測平臺系統(tǒng)后，我司組織相關(guān)人員對運(yùn)維人員進(jìn)行了專業(yè)培訓(xùn)，讓運(yùn)維人員能夠熟練掌握本監(jiān)測平臺系統(tǒng)的操作并熟練運(yùn)用[4]。 同時(shí)我司依托本系統(tǒng)，加強(qiáng)了機(jī)電信息內(nèi)部管理，要求相應(yīng)機(jī)電維護(hù)站技術(shù)人員對防雷監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行每日巡檢，并形成每日內(nèi)業(yè)記錄資料；每月匯總防雷數(shù)據(jù)上報(bào)機(jī)電信息部， 技術(shù)人員對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)通知相關(guān)維護(hù)人員對問題進(jìn)行整改落實(shí)，確保防雷及門架系統(tǒng)正常運(yùn)行。

圖5 智能防雷監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)施后現(xiàn)場

4 智能防雷監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢

結(jié)合山區(qū)高速公路ETC 門架智能防雷監(jiān)測系統(tǒng)在南平高速公路應(yīng)用時(shí)的日常運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，分析對比智能防雷監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)防雷技術(shù)可知，智能防雷監(jiān)測系統(tǒng)在管理方式、異常告警、雷擊情況遠(yuǎn)程管理預(yù)警監(jiān)測方式等方面都有明顯優(yōu)勢（表1）[5]，具體如下：（1）管理方式。 利用系統(tǒng)的GIS 地理信息展現(xiàn)設(shè)備可視化綜合管理可做到故障實(shí)時(shí)定位；在線故障報(bào)修運(yùn)維；PC/手機(jī)實(shí)時(shí)在線查詢，從而實(shí)現(xiàn)高效直觀管理。（2）異常告警。通過數(shù)據(jù)的組網(wǎng)式集中遠(yuǎn)程傳輸監(jiān)測， 能及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備接地電阻異常，提前預(yù)判故障和定位故障點(diǎn)，提高防雷防護(hù)壽命期限。（3）雷擊情況遠(yuǎn)程管理預(yù)警監(jiān)測方式。通過科學(xué)分析防雷數(shù)據(jù)，量身定制科學(xué)化區(qū)域防雷改造方案，切實(shí)做到雷強(qiáng)，防雷措施更強(qiáng)，有效保障機(jī)電設(shè)備；在遠(yuǎn)程巡檢監(jiān)測到防雷裝置設(shè)備損壞或接地電阻超標(biāo)時(shí)， 可啟動(dòng)應(yīng)急管理聯(lián)動(dòng)控制電源斷開，以減少雷擊傷害，同時(shí)實(shí)時(shí)告警提示維護(hù)人員及時(shí)到現(xiàn)場運(yùn)維， 通過系統(tǒng)自帶運(yùn)維在線報(bào)修管理服務(wù)，可有效解決維護(hù)管理難的問題。 （4）系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)，支持二次開發(fā)，能有效保護(hù)前期投資，降低后期升級成本。

表1 智能防雷監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)防雷技術(shù)的對比

5 結(jié)語

高速公路機(jī)電設(shè)備逐漸趨于集成化、 系統(tǒng)化、智能化和復(fù)雜化，高速公路的運(yùn)營管養(yǎng)要求越來越高。 為了減少隨機(jī)性強(qiáng)、危害性大的高速公路雷電事故發(fā)生， 提升高速公路機(jī)電設(shè)備的防雷系統(tǒng)，確保機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)行，引入智能防雷監(jiān)測平臺系統(tǒng)技術(shù)就顯得非常有必要。 安裝智能防雷監(jiān)測系統(tǒng)， 利用系統(tǒng)平臺的可視化綜合管理系統(tǒng)功能、監(jiān)測功能、診斷功能、預(yù)警功能、告警功能和防護(hù)功能，能夠大大地減小ETC 門架機(jī)電設(shè)備受雷擊的影響，提高了機(jī)電設(shè)備運(yùn)維效率，降低了運(yùn)維成本，與傳統(tǒng)防雷技術(shù)相比，具有明顯優(yōu)勢。 利用智能防雷監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)，逐步完善防雷措施，從而盡可能減少高速公路機(jī)電設(shè)備雷擊事故的發(fā)生，在今后ETC門架機(jī)電設(shè)備正常運(yùn)營方面會(huì)起到很大的作用。