高速公路收费站防雷系统维护及防雷安全监测系统应用

摘要：本文结合高速公路收费站建筑物和机电设备分布的特点，总结收费站机电设备防雷系统维护中存在的问题和解决措施，并以某高速公路公司实施的防雷安全监测系统为例，讨论了防雷安全监测系统的设计方案和应用意义。

高速公路收费站建筑物主要由收费棚、办公管理大楼和收费广场等组成，其中收费棚区域主要由ETC、MTC出入口车道组成，收费车道机电设备集中安装在收费岛上；办公管理大楼内有通信机房，收费电源进线室等，安装通信系统设备、服务器、交换机、UPS等设备；收费广场上有摄像机立柱、高杆灯、可变信息板等机电设施。收费棚区域、办公楼机房和进线室、广场设备分别属于独立的不同的防雷分区，其中的机电设备电源和信号部分防雷都需要独立考虑。并且，在采取适当的防雷措施后，也必须制定科学的巡检制度，结合采取一定的技术手段，才能维护防雷措施的持续有效。
       

一、雷电对高速公路收费站机电系统的危害
       

雷电主要从两个方式对收费站机电设备产生影响：

（1）直击雷：指雷电直接击在建筑物、设备设施等构筑物上，由于电效应、热效应和机械效应等混合力作用，直接摧毁建筑物、构筑物以及引起人员伤亡等；并且，雷电从引下线等外部避雷设施泄放到大地，使地电位暂态升高，高电压可能通过接地系统或建筑物间的线路入侵到建筑物内部设备形成地电位反击，造成不同设备间或同设备端口间绝缘击穿，破坏设备。

（2）感应雷：雷电产生时，雷电流会产生强大的电磁波，可使电源线、信号线感应脉冲电压，脉冲电压通过传导体传送至设备，在设备不同构件上产生电位差，破坏绝缘，造成设备或者端口击穿损坏。

高速公路收费站由于设置了收费内外广场，大多数周围场地空旷，其建筑物往往为附近制高点，雷雨天气时，*引发雷电，从而对收费站内的机电系统造成损坏，甚至导致整个系统瘫痪，造成设备损坏的直接经济损失，同时也导致收费广场车辆拥堵，影响高速公路畅通。尽管高速公路收费站内建筑、机电工程在建设阶段一般都按照相关技术规范要求设计和安装防雷系统，但在后期运营过程中，仍然时常发生被雷击受损现象，这说明防雷工程的建设必须从全局综合考虑，并在后期运营中加强维护，保持防雷系统有效。随着智能交通的不断发展，电子设备的集成化程度和广泛应用不断提高，雷电对高速公路电子设备的危害程度还将不断增加，为**高速公路收费站通信、监控、收费、供配电系统正常运行，降低雷电灾害到较低限度，应对高速公路收费站防雷系统进行全局规划、综合治理，制定完善的综合防雷设计方案。

二、高速公路收费站防雷存在的问题和解决措施

 高速公路收费站建筑和机电系统一般分别单独招标，由不同的设计单位和施工单位进行设计和施工，对外部建筑物及内部系统防雷缺少统一规划和综合设计，加上部分参建单位对防雷要求重视不够，存在较多防雷措施错漏，导致雷击损毁的事故时有发生。

系统防雷主要包括外部防雷和内部防雷两个方面：

1.外部防雷包括：接闪器（包括避雷针、避雷带）、引下线（包括建筑物钢筋、**引下线）、接地装置（接地体、地网）等等，其主要的功能是为了确保建筑物本体免受直击雷的侵袭，将可能击中建筑物的雷电通过避雷针、避雷带、引下线等泄放入大地。

2.内部防雷：内部防雷系统是指对电源、信号线缆以及辅助设施的感应雷防护和各种接地处理，通过在设备的前端安装避雷器，将雷电流阻拦在外，将感应电流安全泄放入地，并使设备、线路与大地形成一个有条件的等电位体，从而保护建筑物内部的设备以及人员的安全。

内部防雷和外部防雷是综合运行，共同发挥作用的，只做好外部防雷并不能起到有效保护作用甚至会加大雷电危害，如只安装避雷针时没有做好完备的内部防护高压脉冲的措施，将会大大增加雷击损坏事故的机会，此时的避雷针就成为了引雷针。而当所在的建筑物附近出现雷雨云时，雷电不通过建筑物**部的避雷针或避雷带等及时泄放雷电流时，也会在建筑物内部的设备及导体线缆中产生感应雷电流，加速电子元器件老化，甚至导致设备的损坏。

在高速公路收费站系统防雷中常见的问题有：

雷击电磁脉冲的防护的主要方法是采用隔离、等位、屏蔽、过压过流保护、接地等方法将雷电过电压、过电流及雷击电磁脉冲在入侵设备的通道上充分的泄放入地，从而有效地保护各类设备。解决问题1、问题2的措施是按照原建筑施工图防雷设计要求或者GB50057-2010 《建筑物防雷设计规范》在建筑物屋顶设置避雷带或者按滚球法（滚球法半径45m）设计避雷针后接入结构柱内主筋做引下线再接入良好的接地系统；问题3、4、5是建立在原机电工程防雷设计和施工均符合相关防雷设计和技术规范的基础上，在后期的运营中逐渐积累出现的问题，整改和预防此类问题的出现要求机电系统养护管理者要制定科学的巡检计划，组织专业人员定期检查，及时发现问题才能落实整改。这涉及到维护人员专业技术水平、管理制度、整改资源投入等多方面因素，需要有效的组织才能达到更好的防雷效果。为加强防雷系统维护，借助技术手段提高防雷系统运行情况巡检维护效率，可结合物联网技术建立防雷安全监测系统，以实现对数量巨大的浪涌保护器工作状态的远程监测。

三、防雷安全监测系统构成及功能

高速公路收费站及机电设备分布点多线长、数量多，相应的电源和信号浪涌保护器（以下称SPD）数量巨大，仅靠人工巡检很难及时发现SPD失效。通过建立防雷安全监测系统，使用软件对SPD、SCB（浪涌后备保护器）、接地电阻进行全面远程管理，及时发现故障，一方面可减少运维人员的工作量，节省运维成本；另一方面，比人工巡检更加及时有效，可降低因SPD故障而带来的机电设备损坏风险。

（一）系统构成

 防雷安全监测系统主要由带遥信遥测接口的SPD（带遥信接口的SCB）、RTU和监管系统软件及服务器三部分组成。

（二）系统主要功能

除了以上功能，系统可扩展检测：系统电压监测、负荷回流电流、有功、无功功率、频率、用量统计等功能。

四、结束语

高速公路收费站机电系统防雷保护一方面要在防雷设计时对方案进行全局考虑、综合设计，另一方面要重视防雷系统建成后的维护工作，结合物联网技术建立防雷安全监测系统可实现对分布范围广，数量庞大的浪涌保护器的远程监测，维护人员可根据系统监测情况及时更换失效的浪涌保护器，**高速公路机电系统防雷保护有效运行。针对不同的应用场景和需求，可将防雷安全监测系统进一步扩展应用。