高速公路收费站雷击危害分析及智能浪涌监控系统的应用

2022-11-14 10:20:16  
高速收费站

高速公路收费站的建筑主要由收费棚、办公管理楼和收费广场等组成,收费棚区主要由收费棚区组成ETC,MTC出入口车道,收费车道机电设备集中安装在收费岛上;办公室管理大楼有通信室、收费电源室等,通信系统设备、服务器、交换机、UPS等待设备;收费广场有摄像头柱、高杆灯、可变信息板等机电设施。收费棚区、办公楼机房、进线室、广场设备属于独立的不同防雷区,需要独立考虑机电设备的电源和信号部分防雷应独立考虑。此外,在采取适当的防雷措施后,结合科学巡检制度,以保持防雷措施的持续有效性。

一、雷电对高速公路收费站机电系统的危害
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、热、机械效应等混合力的作用,直接摧毁周建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:雷击产生时,雷电流会产生强大的电磁波,可使信号线与电源线感应脉冲电压,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。
大多数高速公路收费站都设置了内外收费广场,周边场地空旷,往往成为附近制高点。在雷雨季节,容易引起雷电,损坏收费站内的机电系统,甚至导致整个系统瘫痪,造成设备损坏的直接经济损失,还会导致收费广场车辆拥堵,影响高速公路畅通。虽然高速公路收费站建设、机电工程一般按照相关技术规范设计安装防雷系统,但在后期运行过程中,仍经常发生雷电损坏,说明防雷工程建设必须综合考虑,加强后期运行维护,保持防雷系统有效。随着智慧交通的发展,电子设备的集成和广泛应用不断提高,但雷电对高速公路电子设备的危害并没有减少。为保证高速公路收费站的通信、监控、收费、供配电系统的正常运行,将雷电灾害降至最低,并对高速公路收费站的综合防雷设计方案进行全面规划。

收费站

二、高速公路收费站防雷问题与解决措施
高速公路收费站建筑和机电系统一般是单独招标,由不同设计单位和施工单位设计施工,外部建筑和内部系统缺乏统一规划和综合设计,加上部分施工单位对防雷要求重视不够,出现较多防雷措施错漏,导致雷击损坏事故时有发生。
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、专用引下线)、接地装置(接地体、地网)等等,其主要功能是避免建筑物本体免受直击雷的侵袭,让雷电通过避雷针、避雷带、引线等方式放入大地。
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,只有外部防雷不能发挥有效的保护作用,甚至增加雷电危害,如只安装避雷针没有完整的内部保护高压脉冲措施,将大大增加雷电损坏事故的机会,避雷针成为避雷针。当建筑物附近出现雷云时,雷电不会通过建筑物顶部的避雷针或避雷带及时释放雷电流,也会在建筑物内的设备和导体电缆中产生感应雷电流,加速电子元件的老化,甚至对设备造成损坏。

防雷器

三、浪涌保护器安全监测及功能
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数量巨大,仅靠人工巡检很难及时发现浪涌保护器失效。通过建立防雷安全监测系统,使用软件对浪涌保护器、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,可降低因浪涌保护器故障而带来的机电设备损坏风险。
防雷设备
(一)系统构成
 防雷安全监测系统主要由带遥信遥测接口的浪涌保护器(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
1.浪涌保护器故障告警
实时监测系统内所有浪涌保护器运行状态和故障具体位置,监测到浪涌保护器失效时发出警报,管理人员可实时掌握安全监测数据并及时处理故障点,提高巡检效率和质量,确保防雷设备持续有效;
2.SCB分合状态监测
防雷后备保护器处于开闸状态时,系统会自动发出告警,提示维护人员及时恢复,确保浪涌抑制器正常运行;
3.浪涌保护器温度监测
监测到电涌保护器温度有变化或过高时发出温度过高告警,以便及时查找并排除浪涌保护器过热原因,避免浪涌保护器外壳变形,加快老化;
4.监测雷击电流峰值,过电压次数,浪涌保护器泄放高压脉冲电流次数,用于分析该区域雷电活动频率,为将来优化防雷方案提供数据支撑。
5.实时监测接地网接地电阻值变化
季节天气的变化及金属接地体腐蚀会导致接地电阻值发生变化,当监测到接地电阻变化波动很大,或长时间超出要求的电阻值,说明该接地网出问题了,应进行检查维护。
浪涌保护器
 
一方面,高速公路收费站机电系统的防雷保护应考虑防雷设计中的方案和综合设计。另一方面,应注意防雷系统建成后的维护。结合物联网技术,建立防雷安全监控系统,可实现广泛分布、大量浪涌保护器的远程监控,维护人员可根据系统监测及时更换失效浪涌保护器,确保高速公路机电系统防雷保护的有效运行。防雷安全监控系统可根据不同的应用场景和需求进一步扩展应用。

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