高速公路ETC门架设备智能防雷监测系统分析

孙艳雨

摘要：高速公路机电设备在运行时，遭受雷电攻击的可能性也较大，为此提升防雷系统效能，保证机电设备良好运行，引入智能防雷监测技术显得十分必要。从郊外某高速公路实际出发，在概述ETC门架防雷影响因素和雷电入侵路径的基础上，展开高速公路ETC门架设备智能防雷系统设计。对系统架构及功能进行阐述，并从与传统防雷技术比较的角度，对系统运行效果进行了总结。研究结果表明，应用智能防雷监测系统，可使ETC门架机电设备遭受雷击的事后处治模式转变为事前防控，能大大提升设备防雷效果及运维效率。

关键词：高速公路；ETC门架；设备；智能防雷监测系统

0   引言

ETC门架收费系统的建设十分复杂，是对传统收费技术和收费模式的重构，其对配套性的ETC门架、收费车道、收费站等软硬件标准化建设、系统网络安全等也有较高要求。其中门架、收费车道、收费站等基础建设中均涉及防雷问题，只有防雷接地网正常稳定运行，才能保证公路机电系统稳定运行。

基于此背景，本文依托具体公路工程，对ETC门架防雷问题展开分析，并对ETC门架设备智能防雷监测系统进行设计。该系统在公路K43+071～K50+500段进行了试点，应用效果良好，进而在公路全线进行了推广应用。

1   工程概况

某高速公路大部分路段位于郊外，地势空旷，包括监控、通信、收费、传输等在内的弱电设备以及电力线缆、控制线路等，均需穿越复杂地质层，遭受雷击的可能性很大。

公路路基、路面、机电等系统由多家单位设计施工，存在诸多防雷薄弱环节，很容易引致雷电侵害。在逐步取消高速公路省界收费站改革措施推进过程中，拟在该公路段建设数量较多的ETC门架系统，该系统自然成为防雷监测的重点。

2   ETC门架防雷问题概述

2.1   ETC门架防雷影响因素

高速公路ETC门架通常设置在站点之间、高接互通及高接高路段临近通信站点，或相对平直的路况区域，故受外界环境、气候灾害等的影响较大。在ETC门架架设时，必须充分考虑此类因素，尽可能选择环境较稳定地段。

ETC门架系统涉及设备多，且均为ETC联网收费的关键设备，受直击雷损害和感应雷危害较大，必须加强防雷保护和系统监测。加强防雷保护和系统监测，要以雷电产生的高压电引入为重点，并应考虑线路浪涌高压电引起的电网波动损害[1]。

高压电引入主要指通过金属线，将雷电高压电引导至机箱内。ETC门架高压电引入包括两种形式：一是来自感应雷的高电压脉冲，即感应过电压；二是雷电波侵入，即ETC门架金属导线被直击雷击中，将高压雷电以波的形式顺着金属导线两侧，引入门架的电源机柜和设备机柜。

2.2   ETC门架雷电高压入侵路径

ETC门架雷电高压入侵通常包括两种路径：一是辐射耦合入侵，二是传导耦合入侵。

2.2.1   辐射耦合入侵

辐射耦合入侵是ETC门架设备雷电波侵入的主要路径，雷电产生电磁波后必将同时作用于周围媒介，向外传播。在此过程中，高压雷电以波的形式，顺着导线侧传播至引入机箱，进而影响门架内部设备过电压保护。其中电线、机壳、电缆等均属于电磁波辐射的耦合路径。

2.2.2   传导耦合入侵

ETC门架设备过电压入侵主要借助电子设备及其间的传到耦合达到入侵目的。雷电流和ETC门架设备间的电路连接后也可以实现传到耦合。当雷电出现时，雷电流沿着门架设备中信号线、电源线、连导线等连接电路传递，对设备正常运行造成扰动。

2.3   过电压传导入侵控制策略

2.3.1   实施过电压保护

基于耦合方式的差异，可以将系统过电压传导入侵分成电感性耦合、组抗性耦合、电容性耦合等[2]。从控制方面考虑，可在系统控制回路中安装浪涌保护器，以降低线路阻抗和电源内阻。

然而，由于电感性耦合所造成的感应过电压入侵，与雷电流工作频率成正比，故必须通过控制互感的处理，对ETC门架设备实施过电压保护。传导耦合电源干扰类型及引起原因详见表1。

2.3.2   加装防雷器并采用隔离技术

考虑到ETC门架外场数据和圖像通过光缆传输，能有效避免雷电灾害，在远距离传输信号线两端加装防雷器。此外，为削弱和降低浪涌电压对电路的破坏，防止直击雷的影响，还应在重要设备接口板、电路板等处采用隔离技术，并加装避雷针。

2.3.3   加装电源防雷器

根据实际需要，选用不同型号的单相或三相电源防雷器。此类防雷器具备兼容性，不会对ETC门架设备或线路造成干扰和中断，能承受高电流，信号线和电源线所允许的峰值电流分别在2.5kVA和5.0kVA以上。其能将瞬时尖峰电压降至设备可承受电压的2倍以内[3]，并提供对地保护。

3   智能防雷监测系统设计

本文依托高速公路运行实际状况，所计出的ETC门架智能防雷监测平台核心部件包括防雷及接地电阻、雷电流监测设备等。其能够全面捕捉入侵门架的雷电数据，并展开智能分析，锁定伤害设备的关键性数据，加强在线监测。

根据监测结果，分析高速公路ETC门架设备所遭受雷击的真实原因，第一时间监测到防雷设备故障，有利于优化防雷部署，为ETC门架设备可靠、稳定运行提供保证。

3.1   系统架构

本文所提出的ETC门架智能防雷监测系统，由配电系统防雷监测、通讯系统防雷监测、接地系统防雷监测、联动应急控制配电开关等部分组成。

3.1.1   配电系统防雷监测

将1套防雷预警联动智能应急控制器，设置在门架集中配电箱内，通过该控制器，实现对门架配电断开感应雷电流入侵线路的联动控制，并对监测数据展开AI诊断预警，避免ETC门架设备遭受雷电损坏。

此外，还应将1套微讯通电源防雷预警装置，设置于门架设备前端，以限制供电线路感应雷电流入侵，并对接泄放超出限定范围的雷电流。该高速公路ETC门架配电线路最大放电电流设计值为40kA。在防雷防护的基础上，还实时监测感应雷时间、次数、防雷器寿命等，为AI分析模型提供诊断依据。

3.1.2   通讯系统防雷监测

将1套微讯通二合一防雷预警设备，串接于ETC门架设备的电源接口和网络接口，以限定供电线路和传输线路感应雷击电流，并对地泄流，同时展开雷击时间、次数及防雷器性能的实时监测。

3.1.3   接地系统防雷监测

将1套微讯通防雷装置预警设备，设置于ETC门架设备前端，展开接地电阻运行情况的实时监测，并在设备系统中设置好接地电阻的预警值、告警值。系统还可以对防雷保护等级实施诊断，为防雷防护等级的优化改进提供数据支撑。

3.2   系统功能

3.2.1   可视化综合管理

该ETC门架设备智能防雷监测系统，具备设备运维、故障实时定位及在线报修、手机实时查询等“可视化”功能，能确保系统运行过程的各环节、各阶段、全过程均能得到实时掌控和追踪。

3.2.2   系统监测及诊断

在对设备及系统运行状态实时监测的基础上，可实现故障精准定位、远程巡检，有效解决传统防雷技术下SPD（智能配电系统）运行状态零监测而引发的防雷器损坏、接地故障、地电位反击等问题，彻底杜绝了故障无法及时被发现、处理的问题。

系统依托入侵雷电流监测结果，展开雷电流攻击途径和特征分析，量身定制防雷方案，提升防雷效果，确保ETC门架设备安全运行。

3.2.3   系统预警及告警

该系统能实现设备接地电阻数据组网式远程传输测试和无线传输监测，便于设备接地电阻异常的及时识别，预判故障，有效解决了传统防雷技术下接地电阻人工检测费时、费力、低效率问题，可保证防雷设备异常100%的检出率。

系统可自动识别到防雷装置损坏或接地电阻超标等情形，将开启应急管理联动装置，将雷电攻击损害程度降至最低。同时启动在线保修及运维服务，实现实时告警，保证系统维护效率。

3.2.4   防护功能

高速公路机电系统雷击形式有3种：感应雷、直击雷、球形雷，ETC门架设备主要受感应雷和直击雷影响较大。ETC门架设备与避雷针保护设计相结合，能有效应对直击雷攻击。

对供电及网络线路实施过电压浪涌防雷保护，能限制雷电流并对地泄流，将线路及电子设备被动保护转为主动保护，有效预防雷击损坏。

4   系统运行状况

公路管理部门于2020年底，对桩号K43+071～K50+

500段的8个ETC门架展开试点，在门架设备内均安装智能防雷监测系统。为保证系统良好运行，还需对运行维护人员展开专业培训，使其熟练掌握该智能防雷监测系统的操作流程。同时要求机电维护站技术人员对系统展开每日巡检，按月上报监测数据。

结合该高速公路试点ETC门架智能防雷监测系统实际运行状况，与传统防雷技术相比，将该智能系统在监测方式、异常告警、管理方式等方面均优势明显，具体见表2。从管理方式来看，系统主要利用GIS地理信息实现设备可视化管理和故障实时定位，设备故障在线运维报修，处理过程及结果可通过微信小程序或电脑端实时查询。

从预警监测方式及异常告警来看，数据组网式集中远程传输监测系统，可通过对防雷数据的分析，预判、精准定位故障，并在接地电阻超标或防雷设备损坏的同时，启动应急管理联动机制，通知维护人员到场，提升事故管理及应急处治效率。

公路段8个试点ETC门架设备智能防雷监测系统运行至今，共遭遇24场次雷电攻击，系统设备雷电入侵次数为0次，由此证明防雷效果良好。之后該智能防雷监测系统在当地高速公路中得到了推广应用。

5   结束语

综上所述，在当前高速公路机电设备智能化、集成化、系统化发展过程中，运维管养的重要性越来越突出。高速公路机电设备在运行时，遭受雷电攻击的可能性也较大，为此提升防雷系统效能，保证机电设备良好运行，引入智能防雷监测技术显得十分必要。

本文所提出的ETC门架设备智能防雷监测系统工程应用结果表明，该系统兼具可视化管理、监测预警、告警、防护等多项功能，可有效降低ETC门架设备遭受雷电攻击的可能性，发挥出传统防雷技术所不可比拟的优势。应用智能防雷监测系统，可使ETC门架机电设备遭受雷击的事后处治模式转变为事前防控，大大提升设备防雷效果及运维效率，可在高速公路ETC门架等机电设备运行中推广应用。

参考文献

[1] 吴李彬.探讨取消省界收费站ETC门架防雷技术[J].广东交通职业技术学院学报，2020，19（4）：24-27.

[2] 江居炜.山区高速公路ETC门架设备智能防雷监测技术的应用[J].福建交通科技，2021，185（8）：97-101.

[3] 李灿.高速公路机电系统过电压保护与防雷接地设计[J].电子世界，2020，595（13）：136-137.