■江居煒

（福建省高速公路集團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備，控制線路和電力線纜需穿越復雜的地質層，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、機電等系統(tǒng)往往由多家單位設計、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)高速公路機電設備的防雷技術問題是非常必要的。

1 高速公路機電設施防雷現(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，ETC 門架系統(tǒng)共168 套，機電設備數(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)內已發(fā)生多起機電設備遭受雷擊后，出現(xiàn)故障，導致設備無法正常運行的情況。

南平高速公路傳統(tǒng)防雷技術主要為：在信號線和電源線上安裝相應的防雷裝置，將防雷器附著在機電設備外殼或者直接接地；對收費車道設備運用綜合接地方法， 對各個車道都設置相應的接地排，并把每個接地排連接到綜合接地網處，以實現(xiàn)綜合接地；在安裝三相電源變壓器時，所在位置同時安裝避雷裝置， 在每臺變壓器接地處設置避雷器；在建筑物內部通過安裝電涌保護器實現(xiàn)雷電泄流，從而在發(fā)生雷電時保護機電設備的電纜線路[2]。 高速公路傳統(tǒng)防雷模式存在巡檢工作量大、防雷設施故障無法及時發(fā)現(xiàn)，防雷設施選擇不合理、產品質量與施工工藝較差等諸多缺陷，導致實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電設備遭受強大雷擊后損壞或供電中斷，尤其是車道收費設備，遭受雷擊損壞后，影響了高速公路的正常運營。 ETC 門架機電設備遭受強雷擊后損壞或供電中斷，將影響相關數(shù)據的傳輸和采集。

鑒于此，我司組織開展了智能防雷監(jiān)測平臺在機電設施上的創(chuàng)新應用，引入智能防雷監(jiān)測系統(tǒng)技術，以實現(xiàn)對入侵門架區(qū)域的雷電數(shù)據的捕捉監(jiān)測和監(jiān)測數(shù)據分析，診斷高速公路機電設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，全面提升機電設備的防雷能力，以達到防雷減災，減少維護成本的目的。

2 智能防雷監(jiān)測平臺系統(tǒng)構建

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

2.1 系統(tǒng)架構

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)動應急控制配電開關。

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

在龍門架集中配電箱內部署一套防雷預警聯(lián)動智能應急控制器，平臺通過監(jiān)測數(shù)據AI 診斷預警時可聯(lián)動控制龍門架配電斷開感應雷電流入侵線路，以確保設備不被雷擊損壞，系統(tǒng)架構如圖1 所示。

圖1 智能防雷監(jiān)測平臺系統(tǒng)架構

在龍門架用電設備前端布設一套微訊通電源防雷預警設備，對設備供電線路感應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（配電線路防雷最大放電電流40 KA）， 同時對感應雷擊次數(shù)、 時間記錄以及防雷器壽命進行實時監(jiān)測，且逐步建立數(shù)據AI 分析模型， 為平臺提供精確的診斷依據。

2.1.2 ETC 龍門架通訊系統(tǒng)防雷監(jiān)測

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

圖2 ETC 龍門架通訊系統(tǒng)防雷監(jiān)測架構

2.1.3 ETC 龍門架接地系統(tǒng)監(jiān)測

在龍門架用電設備前端部署一套微訊通防雷裝置預警設備，實時監(jiān)測接地電阻值和接地電阻是否正常，并設置預警、告警接地電阻值，減少人員維護成本，雷電泄流值，同時診斷防雷保護等級是否合理，為后期防雷防護等級選型、設計提供參考依據。 系統(tǒng)架構如圖3 所示。

圖3 ETC 龍門架接地系統(tǒng)監(jiān)測架構

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)預警功能、系統(tǒng)告警功能和系統(tǒng)防護功能。

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)設備可視化綜合管理功能、 故障實時定位功能、在線故障報修運維記錄功能、PC/手機實時在線查詢功能，可實現(xiàn)數(shù)據高效直觀的管理。

2.2.2 系統(tǒng)監(jiān)測功能

可對工作中的防雷裝置設備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)了遠程巡檢、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，同時消除了問題不能及時被發(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)據為依據，科學分析雷電流的途徑， 通過量身定制科學化區(qū)域防雷改造方案，切實做到雷電強，防雷措施更強，有效保障了機電設備運行，解決了傳統(tǒng)防雷模式依據規(guī)范設計存在的設計問題。

2.2.4 系統(tǒng)預警功能

可實現(xiàn)ETC 門架接地電阻數(shù)據的組網式集中遠程傳輸監(jiān)測與無線傳輸測試，及時發(fā)現(xiàn)機電設備接地電阻異常和防雷防護壽命期限，提前預判故障和定位故障點，有效解決了傳統(tǒng)防雷模式中不能及時發(fā)現(xiàn)防雷裝置設備異常情況以及定期人工檢測接地電阻費時費力、成本高的問題。

2.2.5 系統(tǒng)告警功能

監(jiān)測到防雷裝置設備損壞或接地電阻超標時，可啟動應急管理聯(lián)動控制電源斷開，以減少雷擊傷害， 同時啟動系統(tǒng)自帶運維在線報修管理服務，實時告警提示維護人員及時到現(xiàn)場運維，解決了維護管理難的問題。

2.2.6 系統(tǒng)防護功能

雷擊主要分為3 種：直擊雷、感應雷和球型雷[3]，ETC 龍門架及相關電子設備主要以防直擊雷和感應雷為主，同時采用平臺預警和應急聯(lián)動控制保護措施：（1）直擊雷采用避雷針保護設計并做好等電位和接地；（2）感應雷防護是通過設備的供電線路和網絡線路進行過電壓浪涌防雷保護，把感應的雷電流限流并對地泄流，以達到對線路后端的電子設備保護；（3）平臺通過對防雷裝置預警監(jiān)測：避雷針接閃后雷電流值、 感應線防雷設備的防護次數(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行保護能力分析，并實行設備供電電源應急斷電保護控制，做到被動保護轉主動保護，以實現(xiàn)設備不被雷擊。

3 智能防雷監(jiān)測系統(tǒng)的應用管理

我司于2020 年8 月下旬，將徐墩、興田樞紐、浦城等6 個ETC 門架作為前期試點，安裝了智能防雷監(jiān)測平臺系統(tǒng)，目前系統(tǒng)運行正常（圖5）。建設安裝了智能防雷監(jiān)測平臺系統(tǒng)后，我司組織相關人員對運維人員進行了專業(yè)培訓，讓運維人員能夠熟練掌握本監(jiān)測平臺系統(tǒng)的操作并熟練運用[4]。 同時我司依托本系統(tǒng)，加強了機電信息內部管理，要求相應機電維護站技術人員對防雷監(jiān)測系統(tǒng)進行每日巡檢，并形成每日內業(yè)記錄資料；每月匯總防雷數(shù)據上報機電信息部， 技術人員對數(shù)據進行分析，如發(fā)現(xiàn)異常，及時通知相關維護人員對問題進行整改落實，確保防雷及門架系統(tǒng)正常運行。

圖5 智能防雷監(jiān)測系統(tǒng)實施后現(xiàn)場

4 智能防雷監(jiān)測系統(tǒng)技術的優(yōu)勢

結合山區(qū)高速公路ETC 門架智能防雷監(jiān)測系統(tǒng)在南平高速公路應用時的日常運維經驗，分析對比智能防雷監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)防雷技術可知，智能防雷監(jiān)測系統(tǒng)在管理方式、異常告警、雷擊情況遠程管理預警監(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)設備可視化綜合管理可做到故障實時定位；在線故障報修運維；PC/手機實時在線查詢，從而實現(xiàn)高效直觀管理。（2）異常告警。通過數(shù)據的組網式集中遠程傳輸監(jiān)測， 能及時發(fā)現(xiàn)機電設備接地電阻異常，提前預判故障和定位故障點，提高防雷防護壽命期限。（3）雷擊情況遠程管理預警監(jiān)測方式。通過科學分析防雷數(shù)據，量身定制科學化區(qū)域防雷改造方案，切實做到雷強，防雷措施更強，有效保障機電設備；在遠程巡檢監(jiān)測到防雷裝置設備損壞或接地電阻超標時， 可啟動應急管理聯(lián)動控制電源斷開，以減少雷擊傷害，同時實時告警提示維護人員及時到現(xiàn)場運維， 通過系統(tǒng)自帶運維在線報修管理服務，可有效解決維護管理難的問題。 （4）系統(tǒng)擴展性強，支持二次開發(fā)，能有效保護前期投資，降低后期升級成本。

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

5 結語

高速公路機電設備逐漸趨于集成化、 系統(tǒng)化、智能化和復雜化，高速公路的運營管養(yǎng)要求越來越高。 為了減少隨機性強、危害性大的高速公路雷電事故發(fā)生， 提升高速公路機電設備的防雷系統(tǒng)，確保機電設備的正常運行，引入智能防雷監(jiān)測平臺系統(tǒng)技術就顯得非常有必要。 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、預警功能、告警功能和防護功能，能夠大大地減小ETC 門架機電設備受雷擊的影響，提高了機電設備運維效率，降低了運維成本，與傳統(tǒng)防雷技術相比，具有明顯優(yōu)勢。 利用智能防雷監(jiān)測系統(tǒng)技術，逐步完善防雷措施，從而盡可能減少高速公路機電設備雷擊事故的發(fā)生，在今后ETC門架機電設備正常運營方面會起到很大的作用。