高速公路ETC門架設(shè)備智能防雷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析

孫艷雨

摘要：高速公路機(jī)電設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，遭受雷電攻擊的可能性也較大，為此提升防雷系統(tǒng)效能，保證機(jī)電設(shè)備良好運(yùn)行，引入智能防雷監(jiān)測(cè)技術(shù)顯得十分必要。從郊外某高速公路實(shí)際出發(fā)，在概述ETC門架防雷影響因素和雷電入侵路徑的基礎(chǔ)上，展開高速公路ETC門架設(shè)備智能防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)及功能進(jìn)行闡述，并從與傳統(tǒng)防雷技術(shù)比較的角度，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行效果進(jìn)行了總結(jié)。研究結(jié)果表明，應(yīng)用智能防雷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可使ETC門架機(jī)電設(shè)備遭受雷擊的事后處治模式轉(zhuǎn)變?yōu)槭虑胺揽?，能大大提升設(shè)備防雷效果及運(yùn)維效率。

關(guān)鍵詞：高速公路；ETC門架；設(shè)備；智能防雷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

0? ?引言

ETC門架收費(fèi)系統(tǒng)的建設(shè)十分復(fù)雜，是對(duì)傳統(tǒng)收費(fèi)技術(shù)和收費(fèi)模式的重構(gòu)，其對(duì)配套性的ETC門架、收費(fèi)車道、收費(fèi)站等軟硬件標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全等也有較高要求。其中門架、收費(fèi)車道、收費(fèi)站等基礎(chǔ)建設(shè)中均涉及防雷問(wèn)題，只有防雷接地網(wǎng)正常穩(wěn)定運(yùn)行，才能保證公路機(jī)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

基于此背景，本文依托具體公路工程，對(duì)ETC門架防雷問(wèn)題展開分析，并對(duì)ETC門架設(shè)備智能防雷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)在公路K43+071～K50+500段進(jìn)行了試點(diǎn)，應(yīng)用效果良好，進(jìn)而在公路全線進(jìn)行了推廣應(yīng)用。

1? ?工程概況

某高速公路大部分路段位于郊外，地勢(shì)空曠，包括監(jiān)控、通信、收費(fèi)、傳輸?shù)仍趦?nèi)的弱電設(shè)備以及電力線纜、控制線路等，均需穿越復(fù)雜地質(zhì)層，遭受雷擊的可能性很大。

公路路基、路面、機(jī)電等系統(tǒng)由多家單位設(shè)計(jì)施工，存在諸多防雷薄弱環(huán)節(jié)，很容易引致雷電侵害。在逐步取消高速公路省界收費(fèi)站改革措施推進(jìn)過(guò)程中，擬在該公路段建設(shè)數(shù)量較多的ETC門架系統(tǒng)，該系統(tǒng)自然成為防雷監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。

2? ?ETC門架防雷問(wèn)題概述

2.1? ?ETC門架防雷影響因素

高速公路ETC門架通常設(shè)置在站點(diǎn)之間、高接互通及高接高路段臨近通信站點(diǎn)，或相對(duì)平直的路況區(qū)域，故受外界環(huán)境、氣候?yàn)?zāi)害等的影響較大。在ETC門架架設(shè)時(shí)，必須充分考慮此類因素，盡可能選擇環(huán)境較穩(wěn)定地段。

ETC門架系統(tǒng)涉及設(shè)備多，且均為ETC聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的關(guān)鍵設(shè)備，受直擊雷損害和感應(yīng)雷危害較大，必須加強(qiáng)防雷保護(hù)和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。加強(qiáng)防雷保護(hù)和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，要以雷電產(chǎn)生的高壓電引入為重點(diǎn)，并應(yīng)考慮線路浪涌高壓電引起的電網(wǎng)波動(dòng)損害[1]。

高壓電引入主要指通過(guò)金屬線，將雷電高壓電引導(dǎo)至機(jī)箱內(nèi)。ETC門架高壓電引入包括兩種形式：一是來(lái)自感應(yīng)雷的高電壓脈沖，即感應(yīng)過(guò)電壓；二是雷電波侵入，即ETC門架金屬導(dǎo)線被直擊雷擊中，將高壓雷電以波的形式順著金屬導(dǎo)線兩側(cè)，引入門架的電源機(jī)柜和設(shè)備機(jī)柜。

2.2? ?ETC門架雷電高壓入侵路徑

ETC門架雷電高壓入侵通常包括兩種路徑：一是輻射耦合入侵，二是傳導(dǎo)耦合入侵。

2.2.1? ?輻射耦合入侵

輻射耦合入侵是ETC門架設(shè)備雷電波侵入的主要路徑，雷電產(chǎn)生電磁波后必將同時(shí)作用于周圍媒介，向外傳播。在此過(guò)程中，高壓雷電以波的形式，順著導(dǎo)線側(cè)傳播至引入機(jī)箱，進(jìn)而影響門架內(nèi)部設(shè)備過(guò)電壓保護(hù)。其中電線、機(jī)殼、電纜等均屬于電磁波輻射的耦合路徑。

2.2.2? ?傳導(dǎo)耦合入侵

ETC門架設(shè)備過(guò)電壓入侵主要借助電子設(shè)備及其間的傳到耦合達(dá)到入侵目的。雷電流和ETC門架設(shè)備間的電路連接后也可以實(shí)現(xiàn)傳到耦合。當(dāng)雷電出現(xiàn)時(shí)，雷電流沿著門架設(shè)備中信號(hào)線、電源線、連導(dǎo)線等連接電路傳遞，對(duì)設(shè)備正常運(yùn)行造成擾動(dòng)。

2.3? ?過(guò)電壓傳導(dǎo)入侵控制策略

2.3.1? ?實(shí)施過(guò)電壓保護(hù)

基于耦合方式的差異，可以將系統(tǒng)過(guò)電壓傳導(dǎo)入侵分成電感性耦合、組抗性耦合、電容性耦合等[2]。從控制方面考慮，可在系統(tǒng)控制回路中安裝浪涌保護(hù)器，以降低線路阻抗和電源內(nèi)阻。

然而，由于電感性耦合所造成的感應(yīng)過(guò)電壓入侵，與雷電流工作頻率成正比，故必須通過(guò)控制互感的處理，對(duì)ETC門架設(shè)備實(shí)施過(guò)電壓保護(hù)。傳導(dǎo)耦合電源干擾類型及引起原因詳見表1。

2.3.2? ?加裝防雷器并采用隔離技術(shù)

考慮到ETC門架外場(chǎng)數(shù)據(jù)和圖像通過(guò)光纜傳輸，能有效避免雷電災(zāi)害，在遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)線兩端加裝防雷器。此外，為削弱和降低浪涌電壓對(duì)電路的破壞，防止直擊雷的影響，還應(yīng)在重要設(shè)備接口板、電路板等處采用隔離技術(shù)，并加裝避雷針。

2.3.3? ?加裝電源防雷器

根據(jù)實(shí)際需要，選用不同型號(hào)的單相或三相電源防雷器。此類防雷器具備兼容性，不會(huì)對(duì)ETC門架設(shè)備或線路造成干擾和中斷，能承受高電流，信號(hào)線和電源線所允許的峰值電流分別在2.5kVA和5.0kVA以上。其能將瞬時(shí)尖峰電壓降至設(shè)備可承受電壓的2倍以內(nèi)[3]，并提供對(duì)地保護(hù)。

3? ?智能防雷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文依托高速公路運(yùn)行實(shí)際狀況，所計(jì)出的ETC門架智能防雷監(jiān)測(cè)平臺(tái)核心部件包括防雷及接地電阻、雷電流監(jiān)測(cè)設(shè)備等。其能夠全面捕捉入侵門架的雷電數(shù)據(jù)，并展開智能分析，鎖定傷害設(shè)備的關(guān)鍵性數(shù)據(jù)，加強(qiáng)在線監(jiān)測(cè)。

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析高速公路ETC門架設(shè)備所遭受雷擊的真實(shí)原因，第一時(shí)間監(jiān)測(cè)到防雷設(shè)備故障，有利于優(yōu)化防雷部署，為ETC門架設(shè)備可靠、穩(wěn)定運(yùn)行提供保證。

3.1? ?系統(tǒng)架構(gòu)

本文所提出的ETC門架智能防雷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由配電系統(tǒng)防雷監(jiān)測(cè)、通訊系統(tǒng)防雷監(jiān)測(cè)、接地系統(tǒng)防雷監(jiān)測(cè)、聯(lián)動(dòng)應(yīng)急控制配電開關(guān)等部分組成。

3.1.1? ?配電系統(tǒng)防雷監(jiān)測(cè)

將1套防雷預(yù)警聯(lián)動(dòng)智能應(yīng)急控制器，設(shè)置在門架集中配電箱內(nèi)，通過(guò)該控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)門架配電斷開感應(yīng)雷電流入侵線路的聯(lián)動(dòng)控制，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展開AI診斷預(yù)警，避免ETC門架設(shè)備遭受雷電損壞。

此外，還應(yīng)將1套微訊通電源防雷預(yù)警裝置，設(shè)置于門架設(shè)備前端，以限制供電線路感應(yīng)雷電流入侵，并對(duì)接泄放超出限定范圍的雷電流。該高速公路ETC門架配電線路最大放電電流設(shè)計(jì)值為40kA。在防雷防護(hù)的基礎(chǔ)上，還實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)感應(yīng)雷時(shí)間、次數(shù)、防雷器壽命等，為AI分析模型提供診斷依據(jù)。

3.1.2? ?通訊系統(tǒng)防雷監(jiān)測(cè)

將1套微訊通二合一防雷預(yù)警設(shè)備，串接于ETC門架設(shè)備的電源接口和網(wǎng)絡(luò)接口，以限定供電線路和傳輸線路感應(yīng)雷擊電流，并對(duì)地泄流，同時(shí)展開雷擊時(shí)間、次數(shù)及防雷器性能的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.1.3? ?接地系統(tǒng)防雷監(jiān)測(cè)

將1套微訊通防雷裝置預(yù)警設(shè)備，設(shè)置于ETC門架設(shè)備前端，展開接地電阻運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并在設(shè)備系統(tǒng)中設(shè)置好接地電阻的預(yù)警值、告警值。系統(tǒng)還可以對(duì)防雷保護(hù)等級(jí)實(shí)施診斷，為防雷防護(hù)等級(jí)的優(yōu)化改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2? ?系統(tǒng)功能

3.2.1? ?可視化綜合管理

該ETC門架設(shè)備智能防雷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具備設(shè)備運(yùn)維、故障實(shí)時(shí)定位及在線報(bào)修、手機(jī)實(shí)時(shí)查詢等“可視化”功能，能確保系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的各環(huán)節(jié)、各階段、全過(guò)程均能得到實(shí)時(shí)掌控和追蹤。

3.2.2? ?系統(tǒng)監(jiān)測(cè)及診斷

在對(duì)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)故障精準(zhǔn)定位、遠(yuǎn)程巡檢，有效解決傳統(tǒng)防雷技術(shù)下SPD（智能配電系統(tǒng)）運(yùn)行狀態(tài)零監(jiān)測(cè)而引發(fā)的防雷器損壞、接地故障、地電位反擊等問(wèn)題，徹底杜絕了故障無(wú)法及時(shí)被發(fā)現(xiàn)、處理的問(wèn)題。

系統(tǒng)依托入侵雷電流監(jiān)測(cè)結(jié)果，展開雷電流攻擊途徑和特征分析，量身定制防雷方案，提升防雷效果，確保ETC門架設(shè)備安全運(yùn)行。

3.2.3? ?系統(tǒng)預(yù)警及告警

該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)設(shè)備接地電阻數(shù)據(jù)組網(wǎng)式遠(yuǎn)程傳輸測(cè)試和無(wú)線傳輸監(jiān)測(cè)，便于設(shè)備接地電阻異常的及時(shí)識(shí)別，預(yù)判故障，有效解決了傳統(tǒng)防雷技術(shù)下接地電阻人工檢測(cè)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、低效率問(wèn)題，可保證防雷設(shè)備異常100%的檢出率。

系統(tǒng)可自動(dòng)識(shí)別到防雷裝置損壞或接地電阻超標(biāo)等情形，將開啟應(yīng)急管理聯(lián)動(dòng)裝置，將雷電攻擊損害程度降至最低。同時(shí)啟動(dòng)在線保修及運(yùn)維服務(wù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)告警，保證系統(tǒng)維護(hù)效率。

3.2.4? ?防護(hù)功能

高速公路機(jī)電系統(tǒng)雷擊形式有3種：感應(yīng)雷、直擊雷、球形雷，ETC門架設(shè)備主要受感應(yīng)雷和直擊雷影響較大。ETC門架設(shè)備與避雷針保護(hù)設(shè)計(jì)相結(jié)合，能有效應(yīng)對(duì)直擊雷攻擊。

對(duì)供電及網(wǎng)絡(luò)線路實(shí)施過(guò)電壓浪涌防雷保護(hù)，能限制雷電流并對(duì)地泄流，將線路及電子設(shè)備被動(dòng)保護(hù)轉(zhuǎn)為主動(dòng)保護(hù)，有效預(yù)防雷擊損壞。

4? ?系統(tǒng)運(yùn)行狀況

公路管理部門于2020年底，對(duì)樁號(hào)K43+071～K50+

500段的8個(gè)ETC門架展開試點(diǎn)，在門架設(shè)備內(nèi)均安裝智能防雷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為保證系統(tǒng)良好運(yùn)行，還需對(duì)運(yùn)行維護(hù)人員展開專業(yè)培訓(xùn)，使其熟練掌握該智能防雷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的操作流程。同時(shí)要求機(jī)電維護(hù)站技術(shù)人員對(duì)系統(tǒng)展開每日巡檢，按月上報(bào)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

結(jié)合該高速公路試點(diǎn)ETC門架智能防雷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況，與傳統(tǒng)防雷技術(shù)相比，將該智能系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)方式、異常告警、管理方式等方面均優(yōu)勢(shì)明顯，具體見表2。從管理方式來(lái)看，系統(tǒng)主要利用GIS地理信息實(shí)現(xiàn)設(shè)備可視化管理和故障實(shí)時(shí)定位，設(shè)備故障在線運(yùn)維報(bào)修，處理過(guò)程及結(jié)果可通過(guò)微信小程序或電腦端實(shí)時(shí)查詢。

從預(yù)警監(jiān)測(cè)方式及異常告警來(lái)看，數(shù)據(jù)組網(wǎng)式集中遠(yuǎn)程傳輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可通過(guò)對(duì)防雷數(shù)據(jù)的分析，預(yù)判、精準(zhǔn)定位故障，并在接地電阻超標(biāo)或防雷設(shè)備損壞的同時(shí)，啟動(dòng)應(yīng)急管理聯(lián)動(dòng)機(jī)制，通知維護(hù)人員到場(chǎng)，提升事故管理及應(yīng)急處治效率。

公路段8個(gè)試點(diǎn)ETC門架設(shè)備智能防雷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行至今，共遭遇24場(chǎng)次雷電攻擊，系統(tǒng)設(shè)備雷電入侵次數(shù)為0次，由此證明防雷效果良好。之后該智能防雷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在當(dāng)?shù)馗咚俟分械玫搅送茝V應(yīng)用。

5? ?結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在當(dāng)前高速公路機(jī)電設(shè)備智能化、集成化、系統(tǒng)化發(fā)展過(guò)程中，運(yùn)維管養(yǎng)的重要性越來(lái)越突出。高速公路機(jī)電設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，遭受雷電攻擊的可能性也較大，為此提升防雷系統(tǒng)效能，保證機(jī)電設(shè)備良好運(yùn)行，引入智能防雷監(jiān)測(cè)技術(shù)顯得十分必要。

本文所提出的ETC門架設(shè)備智能防雷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)兼具可視化管理、監(jiān)測(cè)預(yù)警、告警、防護(hù)等多項(xiàng)功能，可有效降低ETC門架設(shè)備遭受雷電攻擊的可能性，發(fā)揮出傳統(tǒng)防雷技術(shù)所不可比擬的優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用智能防雷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可使ETC門架機(jī)電設(shè)備遭受雷擊的事后處治模式轉(zhuǎn)變?yōu)槭虑胺揽?，大大提升設(shè)備防雷效果及運(yùn)維效率，可在高速公路ETC門架等機(jī)電設(shè)備運(yùn)行中推廣應(yīng)用。

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