高速公路收費站防雷系統維護及防雷安全監測系統

王秋棋

（福建省高速公路集團有限公司泉州管理分公司，福建泉州 362000）

0 引言

高速公路收費站建筑物主要由收費棚、辦公樓和收費廣場等組成，其中收費棚區域主要由ETC（Electronic Toll Collection，電子不停車收費系統）、MTC（Manual Toll Collection，人工半自動收費車道）車道組成，收費車道機電設備集中安裝在收費島上；辦公樓內有通信機房，電源進線室等，安裝通信設備、服務器、交換機、UPS（Uninterruptible Power Supply，不間斷電源）等；收費廣場有攝像機立柱、高桿燈、可變信息情報板等機電設施。收費棚區域、辦公樓機房和進線室、廣場分別屬于獨立的不同的防雷分區，其中的機電設備電源和信號防雷需要全局考慮和綜合設計，并制定科學的巡檢制度，結合采取技術手段，才能維護防雷措施的持續有效。

1 雷電對高速公路收費站機電系統的危害

雷電主要以直擊雷和感應雷兩種方式對收費站機電設備產生影響。

（1）直擊雷指雷電直接擊在建筑物、設備設施等構筑物上，由于電效應、熱效應和機械效應等混合力作用，直接摧毀建筑物、構筑物以及引起人員傷亡等。并且，雷電從引下線等外部避雷設施泄放到大地，使地電位暫態升高，高電壓可能通過接地系統或建筑物間的線路入侵到建筑物內部設備形成地電位反擊，造成不同設備間或同設備端口間絕緣擊穿，破壞設備。

（2）感應雷。雷電產生時，雷電流會產生強大的電磁波，可使電源線、信號線感應脈沖電壓，脈沖電壓通過傳導體傳送至設備，在設備不同構件上產生電位差，破壞絕緣，造成設備或者端口擊穿損壞。

高速公路收費站收費廣場周圍場地空曠，其建筑物往往為附近制高點，雷雨天氣時容易引發雷電，造成收費站機電系統損壞，同時也導致車輛擁堵，影響高速公路暢通。盡管高速公路收費站內建筑、機電系統在建設階段一般都按照相關技術規范要求設計和安裝防雷系統，但在后期運營中，仍然時常發生被雷擊受損現象，這說明防雷系統的建設和維護必須從全局綜合考慮，在運營中加強巡檢維護，以保持防雷系統有效。隨著機電設備安裝數量的不斷增加，雷電對高速公路機電系統的危害程度還將不斷增加，為保障高速公路收費站機電系統正常運行，應研究提升高速公路收費站綜合防雷維護水平。

2 高速公路收費站防雷存在的問題和解決措施

高速公路收費站建筑和機電系統一般由不同的設計單位和施工單位進行設計和施工，對外部建筑物及內部系統防雷缺少統一規劃和綜合設計，加上部分參建單位對防雷要求重視不夠，存在較多防雷措施錯漏，導致雷擊損毀的事故時有發生。

2.1 系統防雷措施

系統防雷主要包括外部防雷和內部防雷兩個方面。

（1）外部防雷包括接閃器（包括避雷針、避雷帶）、引下線（包括建筑物鋼筋、專用引下線）、接地裝置（接地體、地網）等，其主要功能是為了確保建筑物本體免受直擊雷的侵襲，將可能擊中建筑物的雷電通過避雷針、避雷帶、引下線等泄放入大地。

（2）內部防雷系統是指對電源、信號線纜的感應雷防護和各種接地處理，通過在設備的前端安裝避雷器，將感應電流安全泄放入地，并使設備、線路與大地形成一個有條件的等電位體，從而保護建筑物內部的設備和人員安全。

內部防雷和外部防雷是綜合運行共同發揮作用的，只做好外部防雷并不能起到有效保護作用甚至會加大雷電危害，如只安裝避雷針而沒有完備的內部防護高壓脈沖措施，將會增加雷擊損壞的概率，此時避雷針就成了引雷針。當建筑物附近出現雷雨云時，也會在建筑物內部的設備及導體線纜中產生感應雷電流，加速電子元器件老化，甚至導致設備的損壞。

2.2 防雷措施存在的不足

（1）配電房、收費棚、辦公樓（機房所在的辦公樓）等建筑物屋頂上避雷帶未按設計規范施工，如沒有避雷帶或避雷針，或者安裝有避雷帶但未焊接到建筑物結構柱主筋、也沒有安裝專用引下線等，雖然有接閃器但沒有引下線也會導致外部防雷措施失效。

（2）在收費島遠端的機電設備或者新增ETC 車道的天線立柱等超過了接閃器的保護區域，導致保護區范圍外的設備容易受雷電危害。

（3）后期新接入的電纜未做屏蔽、未埋地敷設進入機房，進入機房界面的電纜屏蔽層未接地、光纜加強芯未接地等，進入不同防雷分區界面沒有接地的情況。

（4）機房內的新增設備沒有與其他設備做等電位連接，或者收費島的所有金屬件如機電設備、崗亭等未做等電位連接后接地。

（5）防雷模塊失效未及時更換，或者防雷模塊被拆除或短接，接地線未連接等，導致線纜中的雷電流無法逐級泄放入地，存在電位差，危害人身安全和損壞設備。

雷擊電磁脈沖防護的主要方法是采用隔離、等位、屏蔽、過壓過流保護、接地等方法將雷電過電壓、過電流及雷擊電磁脈沖在入侵設備的通道上充分的泄放入地，從而有效地保護各類設備。解決問題（1）、問題（2）的措施是在建筑物屋頂設置避雷帶或者按滾球法（滾球法半徑45 m）設計避雷針后接入結構柱內主筋做引下線再接入良好的接地系統；問題（3）、問題（4）和問題（5）是建立在原機電工程防雷設計和施工均符合相關防雷設計和技術規范的基礎上，在后期運營中逐漸積累出現的問題，整改和預防此類問題的出現，要求機電系統養護管理者要組織專業人員定期檢查，及時發現問題才能落實整改。這涉及到維護人員專業技術水平、管理制度、整改資源投入等多方面因素，需要有效地組織才能達到更好的防雷效果。為加強防雷系統維護，借助技術手段提高防雷系統運行情況巡檢維護效率，可結合物聯網技術建立防雷安全監測系統，以實現對數量巨大的浪涌保護器工作狀態的遠程監測。

3 防雷安全監測系統構成及功能

高速公路收費站及機電設備分布點多線長、數量多，相應的電源和信號SPD（Surge Protection Device，浪涌保護器或防雷器）數量巨大，僅靠人工巡檢很難及時發現SPD 失效。通過建立防雷安全監測系統，使用軟件對SPD、SCB（Surge Protecter Device Circuit Breaker，前串聯的外置脫離器或浪涌后備保護器）、接地電阻進行全面遠程管理，及時發現故障，一方面可以減少運維人員的工作量，節省運維成本；另一方面比人工巡檢更加及時有效，可以降低因SPD 故障而帶來的機電設備損壞風險。

3.1 系統構成

防雷安全監測系統主要由帶遙信接口的SPD 和SCB、RTU（Remote Terminal Unit，遠程監測單元）和監管系統軟件及服務器3 個部分組成（圖1）。

SPD 防雷模塊和SCB 內置遠程告警接口以進行遠程監控。在建筑物低壓總配電箱安裝I 類試驗防雷模塊，保護安裝在建筑物LPZ0 與LPZ1 邊界處的配電系統中的各種電源進線端電源設備。在建筑物低壓分配電箱安裝II 類試驗防雷模塊，保護安裝在建筑物LPZ1 與LPZ2 邊界處的各種電源進線端的電源設備。SCB 后備保護器與SPD 配合使用，串聯發揮過電流保護作用，大雷電沖擊下，SCB 不分斷，在SPD 發生故障后小工頻電流流過迅速分斷，確保電網和用電安全。

RTU 完成對SPD、SCB、電壓電流、接地電阻、溫度等設備運行狀態數據的采集和通信。

監管系統軟件及服務器負責與各通信網關進行數據交互，完成數據存儲，提供人機界面，采用B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務器模式）架構設計軟件，供維護人員通過瀏覽器進行設備狀態巡查和歷史數據統計查詢。

圖1 防雷安全監測系統構成

3.2 主要功能

（1）SPD 故障告警。實時監測系統內所有SPD 運行狀態和故障具體位置，監測到SPD 失效時發出警報，管理人員可實時掌握安全監測數據并及時處理故障點，提高巡檢效率和質量，確保防雷設備持續有效。

（2）SCB 分合狀態監測。防雷后備保護器處于開閘狀態時，系統會自動發出告警，提示維護人員及時恢復，確保浪涌保護器正常運行。

（3）SPD 溫度監測。監測到電涌保護器溫度有變化或過高時發出溫度過高告警，以便及時查找并排除SPD 過熱原因，避免SPD 外殼變形，加快老化。

（4）監測SPD 泄放高壓脈沖電流次數。用于分析該區域雷電活動頻率，為將來優化防雷方案提供數據支撐。

（5）實時監測接地網接地電阻值變化。季節天氣的變化及金屬接地體腐蝕會導致接地電阻值發生變化，當監測到接地電阻變化波動很大或長時間超出要求的電阻值時，說明該接地網出現了問題，應進行檢查維護。

3.3 應用效果

系統第一期選擇一個收費站電源進線室輸入配電箱和通信機房配電箱作為監測試點，通過軟件可實時在線監測實時電壓、溫度在超過設置的報警閥值時發出報警，在雷電流通過時發出報警并記錄雷電過電壓次數，SCB 分閘時報警，圖標由綠色變成紅色，SPD 故障時報警，圖標變紅色，對應相線模塊圓點由綠色變紅色，并設置通信機房等電位排的接地電阻值實時檢測裝置。

由于監測點安裝數量少，雷電流的監測數據樣本有限，系統從建成投入使用運行12 個月，目前暫未監測到雷電流和雷擊過電壓，與運行期間的收費站受雷電影響的實際情況相符。通過擴大監測點安裝數量，安裝到不同的地點范圍，防雷安全監測系統才能更直觀、有效地發揮作用。通過試點應用，取得了以下效果。

（1）實時獲取所有監測點的設備運行狀態數據，實時監控防雷設備運行情況。在監測到浪涌保護器損壞、電壓電流過高、溫度過高、接地電阻值過高等情況時及時發出警報，精準檢測定位到每個設備。

（2）積累記錄檢測點的受雷擊次數信息，可以為將來優化防雷方案提供數據支撐。

（3）通過防雷安全監測系統，維護人員可以隨時查詢設備電源和電涌保護器的工作狀態，更高效地管理維護防雷設備。

4 結束語

高速公路收費站機電系統防雷保護一方面要在防雷設計時對方案進行全局考慮、綜合設計，另一方面要重視防雷系統建成后的維護工作，結合物聯網技術建立防雷安全監測系統可實現對分布范圍廣，數量龐大的浪涌保護器的遠程監測，維護人員可根據系統監測情況及時更換失效的浪涌保護器，保障高速公路機電系統防雷保護有效運行。針對不同的應用場景和需求，可以進一步擴展防雷安全監測系統的應用。