近年來隨著智能交通的快速發展，收費站采用了大量智慧化、智能化的高新電氣電子設備，其遭受直擊雷以及雷擊電磁脈沖危害的概率明顯增加，僅依靠傳統的被動綜合防雷措施已經遠遠不能滿足電子、通信、微電子設備和高速公路通信、監控收費系統的實際需求，因此針對高速公路收費站應用雷電超前預警與過電壓實時監測技術的工作迫在眉睫。

 

概述
 

G60滬昆高速公路鄭家塢收費站，由于地理位置特殊，屬于雷擊高發地域，曾多次遭受雷擊，導致收費系統癱瘓或者無法正常運行，直接經濟損失與社會影響較大。上級領導非常重視，曾多次到現場調查和了解，2015年根據公司的統一部署，對鄭家塢收費站機電系統進行了綜合防雷改造，改造后整體效果明顯，但是綜合防雷改造措施的應用本身屬于被動防雷的范疇，并且由于雷擊事件具有典型的突發性與隨機性特征，因此收費站機電系統依然存在遭受內/外部過電壓侵害的風險。

 

01收費站區域雷電超前預警
 

1.1大氣電場實時跟蹤原理
 

通過采用MEMS電場傳感器即能采集到大氣中的實時電場值，其采集原理為帶孔屏蔽電極與感應電極間的距離變化引起感應電極表面電通量的變化，從而導致屏蔽電極與接地導線之間產生感應電流，感應電極周圍電場發生變化，引起其表面的感應電荷量發生周期性改變，產生交變感應電流，并經過差分放大轉化成電壓，通過測量電壓反演出被測大氣電場值。
 

安裝于鄭家塢收費站的雷電超前預警裝置即采用上文介紹的基于MEMS原理的電場感知芯片及外圍調理電路所組成的探測設備進行實時監測。通常將雷電超前預警裝置安裝于收費站的辦公大樓樓頂或附近建筑屋頂并且其安裝高度必須小于收費站區域的最低接閃針，該雷電預警裝置探測的最大半徑范圍達20km，超前預警時間達30分鐘，鄭家塢收費站實際占地區域遠小于20km，因此在實際實施過程中可將探測半徑調整到10km范圍內，以提高預警的準確率，并且大大降低誤報率，實際運行發現，其有效告警率超過95%。
 

1.2雷電三級預警
 

雷電超前預警裝置通過有線網絡或無線網絡將監測到的實時大氣電場值傳輸到后臺分析管理軟件中，同時由后臺軟件結合設定條件向收費站管理員輸出雷電預警三級告警信號，即黃色告警、橙色告警、紅色告警。同時后臺分析管理軟件會全程記錄每一秒鐘接收到的電場值數據，并繪制成大氣電場趨勢變化波形用于后期分析。鄭家塢收費站海拔51米，并且其本身處于低海拔地區，因此監測到大氣電場波形具有典型的低海拔地區的大氣電場特征，如下圖1所示：
 

圖1 30分鐘雷電預警數據標注圖

 

1.3雷暴云發展趨勢智能預判
 

后臺分析管理軟件通過對雷電黃色預警、雷電橙色預警信號的趨勢波形進行時頻分析以及與已確認雷擊事件的歷史趨勢波形進行相關性分析，借助神經網絡算法對未來30分鐘內雷擊發生概率進行綜合預判。后臺分析管理軟件主要采用黃色預警、橙色預警期間監測的實時大氣電場波形數據，并與歷史波形的突變特征做相似度計算，使得雷電預警的時間大為提前并可推斷當前雷暴云形成地閃的概率。
 

2021年9月10日18時22分08秒，后臺分析管理軟件發出雷電超前預警信息，提示未來30分鐘內，10km范圍內將會出現雷擊，雷擊概率大于90%，后臺分析管理軟件正是通過對黃色預警、橙色預警期間的大氣電場數據提前進行特征提取與相似度分析后發出的告警通知。預警期間的大氣電場脈沖群波形如下圖2所示：
 

圖 2 超前大氣電場波形

 

02收費站機電系統過電壓實時監測
 

2.1浪涌保護器狀態監測

 

收費站機電系統的過電壓包含雷擊過電壓與內部操作過電壓。浪涌保護器一旦失效或脫扣，后端被保護的工作設備直接暴露在過電壓的風險之下。通過在鄭家塢收費站機電系統內的浪涌保護器旁邊加裝浪涌保護器感知設備，系統能夠實時監測不同位置處的浪涌保護器狀態，并將狀態傳輸到后臺分析管理軟件，并通過多種告警形式通知收費站管理員，確保浪涌保護器失效后能得到及時的更換與處理。鄭家塢收費站浪涌保護器的維保流程圖見下圖3：

圖3 浪涌保護器維護流程圖

 

2.2 浪涌電流監測
 

鄭家塢收費站機電系統內的浪涌保護器感知設備除具備狀態監測功能以外，還同時具備浪涌電流監測功能。通過在各浪涌保護器的接地引下線處加裝浪涌電流傳感器組件，即能準確監測到每次浪涌保護器泄放的浪涌電流參數。其安裝監測示意如下圖4示：

圖4 浪涌電流監測

 

通過監測每次浪涌保護器泄放的浪涌電流幅值、極性以及時間等參數，后臺分析管理軟件能夠及時掌握整個收費站機電系統內的過電壓發展情況，并生成對應評估報表。對于頻繁產生浪涌電流的位置，后臺分析管理軟件會重點進行監測并在其分析到構成一定風險隱患后及時向收費站管理員告知，提示管理員對該處的浪涌保護器進行檢查或更換，以及進一步排查引起頻繁過電壓事件的原因。

 

03聯動監測與融合分析
 

鄭家塢收費站在同時實施了雷暴超前預警與機電系統過電壓實時監測兩項工作外，還通過后臺分析管理軟件將兩項監測內容數據進行了科學融合與分析。后臺分析管理軟件通過大氣電場值波形數據