探讨取消省界收费站ETC门架防雷技术

吴李彬

（广东路路通有限公司，广东广州510000）

随着我国经济的快速发展，全面建成“交通强国”梦想，广东省交通运输厅近期印发了“关于印发广东省高速公路网规划（2020-2035年）”的通知，以粤港澳大湾区发展和“一核一带一区”区域发展新格局等为契机，加快构建智慧交通[1]。目前我国已完成取消全国高速公路省界收费站基础建设，实现了全国不停车快捷收费，是深化收费公路制度改革的重要举措。今后可能乃至很长一段时间，ETC门架收费模式是高速公路主流收费模式。根据广东省交通厅公路网规划，未来15 年将建设约3 260 km 的路网，仍然可能采用与取消省界收费站一样的基础建设方式，同时预留5G或6G基站位置。ETC门架系统建设是一项复杂的系统工程，是收费模式和收费技术的重构，需要进行大规模的基础设施的建设，如ETC门架、收费站、收费车道系统硬件及软件标准化建设、改造，系统网络安全加固等工作。在ETC门架、收费站和收费车道的基础建设中都涉及防雷接地施工，防雷接地网的正常稳定运行能够有效确保高速公路机电系统设备处于一个良好的运行状态。本文重点探讨了ETC门架防雷接地技术，这也是深化收费公路制度改革的重要基础。

1 ETC门架防雷建设需考虑的影响因素

ETC门架一般在站与站之间、高接互通、高接高路段设置，且是靠近通信站点和相对平直的路况位置进行设置，易受自然环境、气候灾害、地质土壤环境变化等因素影响。在建设或改造门架时要重点留意这些因素，尽可能选取周边气候、环境好的地段建设。雷电是门架建设时需要重点考虑的对象，雷电对于高速公路机电设备的危害非常大，主要体现在直击雷损害感应雷危害[2]。

ETC门架系统涉及的设备种类多，每一种设备都是ETC联网收费的关键设备，所以每一种设备都要做好防雷保护并通过系统对其进行监测，同时要重点考虑来自雷电所产生的高电压的引入，主要形式包括感应雷损害、感应雷危害，另外还要考虑因线路上浪涌高电压所造成电网波动在内的众多损害。

高电压引入是指雷电高电压通过金属线引导到机箱内或其他地方造成破坏的雷害现象。高电压引入电源在ETC门架主要有2种表现形式，一是雷电波侵入，直击雷直接击中门架上的金属导线，让高压雷电以波的形式沿着金属导线两边传播而引入门架上的电源机柜和设备机柜内；二是感应过电压，来自感应雷的高电压脉冲[3]。

2 ETC门架雷电高压入侵途径

2.1 辐射耦合的入侵

ETC门架机电系统的雷电波侵入主要利用辐射耦合的方式进行入侵，以雷电产生的电磁波，同时作用于周围媒介，并向外进行传播。也就是说，高压雷电以波的形式沿着导线两边传播而引入机箱内，对门架内部机电系统过电压保护产生影响。而电缆、机壳以及电线等都是电磁波的辐射耦合途径。

2.2 传导耦合的入侵

ETC门架机电系统的过电压入侵是利用系统电子设备、电子设备之间的传导耦合来实现入侵目的。而雷电流以及电子设备之间的电路连接之后，在这一过程中也可以实现传导耦合的作用。如果在出现雷电时，雷电流将会顺着门架系统设备中的连接电路传递，从而影响电子设备的运行。而系统连接线路则主要包括连导线、电源线以及信号线等。系统过电压的传导入侵是基于耦合方式的差异分类，可以分为电容性耦合、阻抗性耦合、电感性耦合等。如果将其控制的话，可以通过将浪涌保护器安装在系统控制回路中的方式，从而降低线路阻抗、电源内阻。但是，因为电感性耦合导致的感应过电压入侵以及雷电流的工作频率之间成正比，所以工作人员需要采用减小互感的方式来对机电系统进行过电压保护。如表1所示为传导耦合的电源干扰类型。

表1 电源干扰类型

3 ETC门架防雷系统设计要求

外场数据与图像传输均采用光缆，可有效的防止雷电灾害，远距离传输的信号线两端加装信号防雷器。所有重要设备的接口板和电路板、接口均采用隔离技术，以减弱浪涌电压对电路的损坏。设备加装避雷针，防止直击雷对设备的干扰。防雷器根据实际需要不同，应用不同型号的三相或单相电源防雷器、并应有以下特点。兼容性：即不对所保护的设备或线路造成任何干扰及中断。承受高电流：电源线和信号线上容许峰时电流分别不小于5 kVA 和2.5 kVA。低通过电压：将瞬间尖峰电压降至低于2 倍设备的可承受电压。全面保护：应提供每线对地的保护，并提供线间保护。

主线外场设备接地工作接地要求不大于4 Ω，防雷接地不大于10 Ω，联合接地电阻要求不大于1 Ω。

4 ETC门架系统防雷技术

4.1 地网接地技术

ETC门架系统主要包括“2+1”车道、“3+1”车道、“4+1”、“5+1”车道设备等，门架系统是否能够防雷电侵袭，直接关系着系统是否稳定运行。如图1所示，对于高速公路ETC门架系统的防雷问题，在地极施工过程中要满足以下条件：

图1 门架机柜防雷接地图

①可以考虑通过辅助地极的材料选择。依国标GB50169-2016电气装置安装工程接地装置施工及验收规范，辅助地极材料推荐使用接地铜包钢或热镀锌钢20 mm（直径）×0.5～l m（长度），棒体选优质钢材。②辅助地极位置选择2 个辅助地极与被测地网点在一条直线上，相距在5～10 m间距。③导线为3根不小于6 mm2多股导线。④导线与接地材料连接：接线端子采用镀锌或铜端子，端子与接地棒之间用镀锌螺栓紧轨导线用镀锌钢管或PVC管保护。⑤辅助地极的接地电阻不超过100 Ω，对地电压小于10 V。⑥接地体敷设完毕，基坑回填土内不应夹有石块和建筑垃圾等。⑦外取的土壤不得有较强的腐蚀性，在回填土时应分层夯实。⑧辅助地极一定要做好防腐处理。⑨接地监测仪具体的安装位置可根据基础和机柜的实际情况进行调整[4]。

4.2 门架机柜防雷监测技术

防雷设备在确保ETC系统设备正常稳定运行方面起着至关重要的作用，关系着车辆通行费收缴、全国路网中心营运等工作。在完善ETC门架地网的基础上有必要加强防雷监测工作机制作用，加强路网和系统的在线监测，对瞬态电流、接地状态、防雷器运行状态、微安级漏电流、智能空气开关、极速切断装置、微处理系统等监测或管理模块的组合使用，依托有线、无线网络进行数据传输，通过数据处理、多维度分析，实现安装环境内的多元素隐患早发现、早处理，及时对运行异常的硬件设备设施进行检修维护（如图2所示）。

图2 门架机柜防雷监测设备接线图

在ETC门架配电柜内的电源防雷保护器侧设置一套防雷智能监测终端（如图3所示），在门架ETC 的接地引下线上，设置一套接地电阻监测仪，同时在高速公路监控中心设置一套防雷监测服务器和防雷设施智能监测系统软件，通过辅助地极和非接触式检测方式，实现了全天候实时在线监测，可以及时掌握高速公路机电和信息系统（收费、供配电、监控和通信等）防雷设施的运行状态避免了人工检测存在的空档期[5]。通过防雷设施智能监测系统的监测，通过雷电数据信息采集终端，可以精确获取特定门架区域雷电发生的状态参数，为完善现有防雷系统设施提供可靠的数据参考，为门架防雷实现预防性养护目标[6]。

图3 防雷监测系统

京珠北高速共建设有20 套ETC 门架，其中4+1 车道4 套ETC 门架、2+1 车道ETC 门架16套，每套门架都安装有防雷设备运行情况检测系统，并将防雷检测系统接入到ETC 门架监控系统内，可以清楚看到每个防雷设备运行情况如接地状态是否正常、是否存在漏电现象、市电电压状态是否正常、防雷器运行情况、设备被雷击次数等情况（如图4 所示）。通过技术监测手段，了解ETC 门架防雷设备运行情况，也可根据防雷监测数据分析，在所雷击次数较多门架，通过加强防雷技术手段，优化ETC 门架防雷环境，确保ETC门架系统正常营运。

图4 防雷环境监测及动力监控

京珠北高速地处粤北山区，海拔位置较高，四季环境气候变化大，气候环境变化可能会影响到防雷接地网（接地电阻≤4 Ω）运行情况。防雷接地电阻的实时监测，可及时掌握雷电导入大地性能是否达到设计要求，不符合要求可及时整改。特别是春夏季雷雨天气较多的时候，在相对平直的高速公路上，ETC门架如同天然的雷电引导载体，易形成雷击重灾区。通过基于物联网技术的防雷技术及防雷监测系统，采取有效措施可有效避免ETC门架系统设备被雷击损坏，避免了过去使用人工进行防雷监测的繁琐，节省了大量的资源投入和人工成本，确保了防雷设施的有效运行，保障了营运高速公路的安全与畅通[7]。

5 结语

综上所述，防雷接地是ETC门架系统建设中的关键部分，在未来高速公路建设中，设计人员及主管单位人员需要根据高速公路的实际情况来开展防雷装置建设工作和防雷监测工作。在高速公路日常养护中，机电系统防雷接地工作需要采用科学的方法监测防雷接地运行情况，对于不符合标准的设备要及时进行改造，以此提升高速公路通行安全与服务水平，为广大人民群众打造一个安全、舒适、畅通的交通出行环境。