雷电三级预警系统与智能防雷技术在高速公路收费站的应用！

近年来随着智能交通的快速发展，收费站采用了大量智慧化、智能化的高新电气电子设备，其遭受直击雷以及雷击电磁脉冲危害的概率明显增加，仅依靠传统的被动综合防雷措施已经远远不能满足电子、通信、微电子设备和高速公路通信、监控收费系统的实际需求，因此针对高速公路收费站应用雷电超前预警与过电压实时监测技术的工作迫在眉睫。

 

概述
 

G60沪昆高速公路郑家坞收费站，由于地理位置特殊，属于雷击高发地域，曾多次遭受雷击，导致收费系统瘫痪或者无法正常运行，直接经济损失与社会影响较大。上级领导非常重视，曾多次到现场调查和了解，2015年根据公司的统一部署，对郑家坞收费站机电系统进行了综合防雷改造，改造后整体效果明显，但是综合防雷改造措施的应用本身属于被动防雷的范畴，并且由于雷击事件具有典型的突发性与随机性特征，因此收费站机电系统依然存在遭受内/外部过电压侵害的风险。

 

01收费站区域雷电超前预警
 

1.1大气电场实时跟踪原理
 

通过采用MEMS电场传感器即能采集到大气中的实时电场值，其采集原理为带孔屏蔽电极与感应电极间的距离变化引起感应电极表面电通量的变化，从而导致屏蔽电极与接地导线之间产生感应电流，感应电极周围电场发生变化，引起其表面的感应电荷量发生周期性改变，产生交变感应电流，并经过差分放大转化成电压，通过测量电压反演出被测大气电场值。
 

安装于郑家坞收费站的雷电超前预警装置即采用上文介绍的基于MEMS原理的电场感知芯片及外围调理电路所组成的探测设备进行实时监测。通常将雷电超前预警装置安装于收费站的办公大楼楼顶或附近建筑屋顶并且其安装高度必须小于收费站区域的最低接闪针，该雷电预警装置探测的最大半径范围达20km，超前预警时间达30分钟，郑家坞收费站实际占地区域远小于20km，因此在实际实施过程中可将探测半径调整到10km范围内，以提高预警的准确率，并且大大降低误报率，实际运行发现，其有效告警率超过95%。
 

1.2雷电三级预警
 

雷电超前预警装置通过有线网络或无线网络将监测到的实时大气电场值传输到后台分析管理软件中，同时由后台软件结合设定条件向收费站管理员输出雷电预警三级告警信号，即黄色告警、橙色告警、红色告警。同时后台分析管理软件会全程记录每一秒钟接收到的电场值数据，并绘制成大气电场趋势变化波形用于后期分析。郑家坞收费站海拔51米，并且其本身处于低海拔地区，因此监测到大气电场波形具有典型的低海拔地区的大气电场特征，如下图1所示：
 

图1 30分钟雷电预警数据标注图

 

1.3雷暴云发展趋势智能预判
 

后台分析管理软件通过对雷电黄色预警、雷电橙色预警信号的趋势波形进行时频分析以及与已确认雷击事件的历史趋势波形进行相关性分析，借助神经网络算法对未来30分钟内雷击发生概率进行综合预判。后台分析管理软件主要采用黄色预警、橙色预警期间监测的实时大气电场波形数据，并与历史波形的突变特征做相似度计算，使得雷电预警的时间大为提前并可推断当前雷暴云形成地闪的概率。
 

2021年9月10日18时22分08秒，后台分析管理软件发出雷电超前预警信息，提示未来30分钟内，10km范围内将会出现雷击，雷击概率大于90%，后台分析管理软件正是通过对黄色预警、橙色预警期间的大气电场数据提前进行特征提取与相似度分析后发出的告警通知。预警期间的大气电场脉冲群波形如下图2所示：
 

图 2 超前大气电场波形

 

02收费站机电系统过电压实时监测
 

2.1浪涌保护器状态监测

 

收费站机电系统的过电压包含雷击过电压与内部操作过电压。浪涌保护器一旦失效或脱扣，后端被保护的工作设备直接暴露在过电压的风险之下。通过在郑家坞收费站机电系统内的浪涌保护器旁边加装浪涌保护器感知设备，系统能够实时监测不同位置处的浪涌保护器状态，并将状态传输到后台分析管理软件，并通过多种告警形式通知收费站管理员，确保浪涌保护器失效后能得到及时的更换与处理。郑家坞收费站浪涌保护器的维保流程图见下图3：

图3 浪涌保护器维护流程图

 

2.2 浪涌电流监测
 

郑家坞收费站机电系统内的浪涌保护器感知设备除具备状态监测功能以外，还同时具备浪涌电流监测功能。通过在各浪涌保护器的接地引下线处加装浪涌电流传感器组件，即能准确监测到每次浪涌保护器泄放的浪涌电流参数。其安装监测示意如下图4示：

图4 浪涌电流监测

 

通过监测每次浪涌保护器泄放的浪涌电流幅值、极性以及时间等参数，后台分析管理软件能够及时掌握整个收费站机电系统内的过电压发展情况，并生成对应评估报表。对于频繁产生浪涌电流的位置，后台分析管理软件会重点进行监测并在其分析到构成一定风险隐患后及时向收费站管理员告知，提示管理员对该处的浪涌保护器进行检查或更换，以及进一步排查引起频繁过电压事件的原因。

 

03联动监测与融合分析
 

郑家坞收费站在同时实施了雷暴超前预警与机电系统过电压实时监测两项工作外，还通过后台分析管理软件将两项监测内容数据进行了科学融合与分析。后台分析管理软件通过大气电场值波形数据