■江居炜

（福建省高速公路集团有限公司南平管理分公司， 南平 353000）

南平高速公路辖区门架多位于郊外，周围地势空旷，大量的监控、通信、传输等弱电设备，控制线路和电力线缆需穿越复杂的地质层，易受雷击。 高速公路的路基、路面施工造成了公路沿线的土壤电阻率变化，极易遭受雷电侵害；路基、路面、房建、机电等系统往往由多家单位设计、施工，防雷薄弱环节较多[1]，也容易造成雷电侵害。 因此，解决山区高速公路机电设备的防雷技术问题是非常必要的。

1 高速公路机电设施防雷现状分析

南平高速公路辖区隧道331 座， 隧道长度412 km，所站56 个，ETC 门架系统共168 套，机电设备数量多，分布广，且较多门架地处山区，雷电天气频繁， 辖区内已发生多起机电设备遭受雷击后，出现故障，导致设备无法正常运行的情况。

南平高速公路传统防雷技术主要为：在信号线和电源线上安装相应的防雷装置，将防雷器附着在机电设备外壳或者直接接地；对收费车道设备运用综合接地方法， 对各个车道都设置相应的接地排，并把每个接地排连接到综合接地网处，以实现综合接地；在安装三相电源变压器时，所在位置同时安装避雷装置， 在每台变压器接地处设置避雷器；在建筑物内部通过安装电涌保护器实现雷电泄流，从而在发生雷电时保护机电设备的电缆线路[2]。 高速公路传统防雷模式存在巡检工作量大、防雷设施故障无法及时发现，防雷设施选择不合理、产品质量与施工工艺较差等诸多缺陷，导致实际防雷效果并不理想[1]，在雷雨季节仍有诸多隧道及所站重要机电设备遭受强大雷击后损坏或供电中断，尤其是车道收费设备，遭受雷击损坏后，影响了高速公路的正常运营。 ETC 门架机电设备遭受强雷击后损坏或供电中断，将影响相关数据的传输和采集。

鉴于此，我司组织开展了智能防雷监测平台在机电设施上的创新应用，引入智能防雷监测系统技术，以实现对入侵门架区域的雷电数据的捕捉监测和监测数据分析，诊断高速公路机电设备遭受雷击故障的真正原因，从而有针对性地改良区域防雷部署，全面提升机电设备的防雷能力，以达到防雷减灾，减少维护成本的目的。

2 智能防雷监测平台系统构建

“IOT 智能防雷监测平台” 的核心设备组成包含：IOT 防雷和接地电阻、雷电流监测设备，可对入侵门架区域的雷电数据进行捕捉并智能分析其对设备的伤害数据，并实时对防雷设备及接地信息进行在线监测。 相关雷击监测数据可帮助分析高速公路机电设备遭受雷击故障的真正原因，解决了目前无法第一时间发现防雷设备故障及接地阻值不达标的问题， 并有针对性地改良了区域防雷部署，保障了重要机电设备的稳定、可靠运行。 智能防雷监测平台的系统架构及系统功能，主要包括以下几个方面的内容：

2.1 系统架构

本系统主要包括：ETC 龙门架配电系统防雷监测、ETC 龙门架通讯系统防雷监测、ETC 龙门架接地系统监测、ETC 龙门架联动应急控制配电开关。

2.1.1 ETC 龙门架配电系统防雷监测及联动控制配电开关

在龙门架集中配电箱内部署一套防雷预警联动智能应急控制器，平台通过监测数据AI 诊断预警时可联动控制龙门架配电断开感应雷电流入侵线路，以确保设备不被雷击损坏，系统架构如图1 所示。

图1 智能防雷监测平台系统架构

在龙门架用电设备前端布设一套微讯通电源防雷预警设备，对设备供电线路感应雷电入侵限流并对高出的雷电流对接泄放，以起到防雷防护（配电线路防雷最大放电电流40 KA）， 同时对感应雷击次数、 时间记录以及防雷器寿命进行实时监测，且逐步建立数据AI 分析模型， 为平台提供精确的诊断依据。

2.1.2 ETC 龙门架通讯系统防雷监测

在龙门架通讯设备的电源接口和网络接口前端串接一套微讯通二合一防雷预警设备，对通讯设备供电线路和网络传输线路感应雷击侵害电流进行限流和对地泄流，以起到防雷保护，同时对雷击次数、防雷器寿命进行实时监测，且逐步建立数据AI 分析模型，为平台提供精确的诊断依据。 系统架构如图2 所示。

图2 ETC 龙门架通讯系统防雷监测架构

2.1.3 ETC 龙门架接地系统监测

在龙门架用电设备前端部署一套微讯通防雷装置预警设备，实时监测接地电阻值和接地电阻是否正常，并设置预警、告警接地电阻值，减少人员维护成本，雷电泄流值，同时诊断防雷保护等级是否合理，为后期防雷防护等级选型、设计提供参考依据。 系统架构如图3 所示。

图3 ETC 龙门架接地系统监测架构

2.2 系统功能

系统功能主要包括可视化综合管理功能、系统监测功能、系统诊断功能、系统预警功能、系统告警功能和系统防护功能。

2.2.1 可视化综合管理功能

可视化综合管理功能包括GIS 地理信息展现设备可视化综合管理功能、 故障实时定位功能、在线故障报修运维记录功能、PC/手机实时在线查询功能，可实现数据高效直观的管理。

2.2.2 系统监测功能

可对工作中的防雷装置设备的运行状态进行实时监测，实现了远程巡检、精确故障定位等功能。有效地解决了传统防雷模式中SPD 运行状况未监测造成的防雷器损坏或接地故障引起的地电位反击等问题，同时消除了问题不能及时被发现处理的弊端（图4）。

图4 智能防雷监测系统平台可视化综合管理功能

2.2.3 系统诊断功能

以入侵雷电流监测数据为依据，科学分析雷电流的途径， 通过量身定制科学化区域防雷改造方案，切实做到雷电强，防雷措施更强，有效保障了机电设备运行，解决了传统防雷模式依据规范设计存在的设计问题。

2.2.4 系统预警功能

可实现ETC 门架接地电阻数据的组网式集中远程传输监测与无线传输测试，及时发现机电设备接地电阻异常和防雷防护寿命期限，提前预判故障和定位故障点，有效解决了传统防雷模式中不能及时发现防雷装置设备异常情况以及定期人工检测接地电阻费时费力、成本高的问题。

2.2.5 系统告警功能

监测到防雷装置设备损坏或接地电阻超标时，可启动应急管理联动控制电源断开，以减少雷击伤害， 同时启动系统自带运维在线报修管理服务，实时告警提示维护人员及时到现场运维，解决了维护管理难的问题。

2.2.6 系统防护功能

雷击主要分为3 种：直击雷、感应雷和球型雷[3]，ETC 龙门架及相关电子设备主要以防直击雷和感应雷为主，同时采用平台预警和应急联动控制保护措施：（1）直击雷采用避雷针保护设计并做好等电位和接地；（2）感应雷防护是通过设备的供电线路和网络线路进行过电压浪涌防雷保护，把感应的雷电流限流并对地泄流，以达到对线路后端的电子设备保护；（3）平台通过对防雷装置预警监测：避雷针接闪后雷电流值、 感应线防雷设备的防护次数、寿命和接地电阻是否通畅，能否有效泄放雷电流等情况进行保护能力分析，并实行设备供电电源应急断电保护控制，做到被动保护转主动保护，以实现设备不被雷击。

3 智能防雷监测系统的应用管理

我司于2020 年8 月下旬，将徐墩、兴田枢纽、浦城等6 个ETC 门架作为前期试点，安装了智能防雷监测平台系统，目前系统运行正常（图5）。建设安装了智能防雷监测平台系统后，我司组织相关人员对运维人员进行了专业培训，让运维人员能够熟练掌握本监测平台系统的操作并熟练运用[4]。 同时我司依托本系统，加强了机电信息内部管理，要求相应机电维护站技术人员对防雷监测系统进行每日巡检，并形成每日内业记录资料；每月汇总防雷数据上报机电信息部， 技术人员对数据进行分析，如发现异常，及时通知相关维护人员对问题进行整改落实，确保防雷及门架系统正常运行。

图5 智能防雷监测系统实施后现场

4 智能防雷监测系统技术的优势

结合山区高速公路ETC 门架智能防雷监测系统在南平高速公路应用时的日常运维经验，分析对比智能防雷监测系统与传统防雷技术可知，智能防雷监测系统在管理方式、异常告警、雷击情况远程管理预警监测方式等方面都有明显优势（表1）[5]，具体如下：（1）管理方式。 利用系统的GIS 地理信息展现设备可视化综合管理可做到故障实时定位；在线故障报修运维；PC/手机实时在线查询，从而实现高效直观管理。（2）异常告警。通过数据的组网式集中远程传输监测， 能及时发现机电设备接地电阻异常，提前预判故障和定位故障点，提高防雷防护寿命期限。（3）雷击情况远程管理预警监测方式。通过科学分析防雷数据，量身定制科学化区域防雷改造方案，切实做到雷强，防雷措施更强，有效保障机电设备；在远程巡检监测到防雷装置设备损坏或接地电阻超标时， 可启动应急管理联动控制电源断开，以减少雷击伤害，同时实时告警提示维护人员及时到现场运维， 通过系统自带运维在线报修管理服务，可有效解决维护管理难的问题。 （4）系统扩展性强，支持二次开发，能有效保护前期投资，降低后期升级成本。

表1 智能防雷监测系统与传统防雷技术的对比

5 结语

高速公路机电设备逐渐趋于集成化、 系统化、智能化和复杂化，高速公路的运营管养要求越来越高。 为了减少随机性强、危害性大的高速公路雷电事故发生， 提升高速公路机电设备的防雷系统，确保机电设备的正常运行，引入智能防雷监测平台系统技术就显得非常有必要。 安装智能防雷监测系统， 利用系统平台的可视化综合管理系统功能、监测功能、诊断功能、预警功能、告警功能和防护功能，能够大大地减小ETC 门架机电设备受雷击的影响，提高了机电设备运维效率，降低了运维成本，与传统防雷技术相比，具有明显优势。 利用智能防雷监测系统技术，逐步完善防雷措施，从而尽可能减少高速公路机电设备雷击事故的发生，在今后ETC门架机电设备正常运营方面会起到很大的作用。