智能防雷體系關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用

劉世宇

摘要：本文分析了由雷暴探測預(yù)警預(yù)報(bào)、接閃器自啟動引雷、供電線路雙回路智能切換、防雷裝置智能在線監(jiān)測技術(shù)組成的智能防雷體系，將云計(jì)算、移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到雷電綜合防護(hù)措施中，實(shí)現(xiàn)智能防雷。

關(guān)鍵詞：雷暴探測；防雷裝置在線監(jiān)測；智能防雷

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）11-0067-02

1 研究背景

雷電是自然大氣中的超長距離強(qiáng)放電過程，因其強(qiáng)大的電流、炙熱的高溫、猛烈的沖擊波以及強(qiáng)烈的電磁輻射等效應(yīng)而能在瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大的破壞作用。其是“聯(lián)合國減災(zāi)十年”公布的影響人類活動的嚴(yán)重災(zāi)害之一，也被稱為“電子時(shí)代的一大公害”。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和“互聯(lián)網(wǎng)+”、物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，雷電災(zāi)害的監(jiān)測、預(yù)警和防御越來越受到重視。

2 研究內(nèi)容

智能防雷體系關(guān)鍵技術(shù)的研究，主要是將云計(jì)算、移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到雷電綜合防護(hù)措施中，并通過軟件系統(tǒng)及硬件系統(tǒng)的集成，開展特定區(qū)域雷電預(yù)警預(yù)報(bào)、智能化“主動化”防雷以及防雷措施在線智能化監(jiān)測，將防雷減災(zāi)上升到“主動預(yù)防”范疇，實(shí)現(xiàn)智能防雷[1]。

2.1 雷暴探測預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)

我們知道，雷電是由雷雨云中的電荷達(dá)到一定的數(shù)量時(shí)，在云內(nèi)不同部位之間或云與地面之間就形成了很強(qiáng)的電場，當(dāng)電荷積聚到一定程度時(shí)，就會在云與云之間或云與地之間發(fā)生放電現(xiàn)象，即雷電的發(fā)生來源于雷云內(nèi)部的電荷累積。由于雷擊現(xiàn)象源于雷云內(nèi)部的大量電荷累積，因此大氣電場場強(qiáng)變化代表了雷云電荷累積程度。雷暴云帶電并聚集，對地產(chǎn)生強(qiáng)電場，金屬在電場力的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷，根據(jù)靜電屏蔽原理，電機(jī)帶動金屬轉(zhuǎn)子周而復(fù)始以固定轉(zhuǎn)速（頻率）屏蔽/非屏蔽金屬定子，金屬定子被金屬轉(zhuǎn)子屏蔽瞬間產(chǎn)生微電流I，測量微電流I，推算電場強(qiáng)度E。大氣電場強(qiáng)度監(jiān)測原理圖如圖1所示。

在雷雨云來臨時(shí)，大氣電場強(qiáng)度會發(fā)生變化，通過監(jiān)測雷雨云中強(qiáng)電荷的極性、強(qiáng)度、分布及其發(fā)展演變，對雷電災(zāi)害發(fā)生時(shí)間、方位、強(qiáng)度、移向等進(jìn)行提前預(yù)測是可行的。在氣象領(lǐng)域，對于雷暴的監(jiān)測手段，分為間接監(jiān)測和直接監(jiān)測兩種，間接監(jiān)測的方法包括了多普勒雷達(dá)、氣象衛(wèi)星云圖等；而直接監(jiān)測手段則主要是大氣電場儀、雷電定位系統(tǒng)等。在上述系統(tǒng)中，大氣電場儀是唯一針對雷電發(fā)生的最根本因素-雷云電荷量（或稱為大氣電場場強(qiáng)）進(jìn)行監(jiān)測的系統(tǒng)；能夠通過對電場強(qiáng)度、電荷極性變化的探測和分析，實(shí)時(shí)地監(jiān)測本地雷云變化，并對可能造成雷擊危險(xiǎn)的大氣電場變化加以識別和預(yù)警。

本文研究的雷暴探測預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)由雷電預(yù)警預(yù)報(bào)產(chǎn)品生成、人機(jī)交互決策以及雷電預(yù)警預(yù)報(bào)產(chǎn)品發(fā)布三大部分組成。（1）雷電預(yù)警預(yù)報(bào)產(chǎn)品生成。根據(jù)雷電預(yù)警預(yù)報(bào)方法，使用計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫、圖形處理等技術(shù)編制應(yīng)用軟件，自動滾動生成多種雷電預(yù)警預(yù)報(bào)產(chǎn)品。（2）人機(jī)交互決策。上述產(chǎn)品運(yùn)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自動上網(wǎng)，供系統(tǒng)使用。預(yù)報(bào)員根據(jù)本地地形等特征，對預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行訂正，作出雷電預(yù)報(bào)結(jié)果，并根據(jù)雷電預(yù)報(bào)等級，發(fā)布雷電警報(bào)。（3）雷電預(yù)警預(yù)報(bào)產(chǎn)品發(fā)布。雷電預(yù)警預(yù)報(bào)產(chǎn)品除了通過WEB服務(wù)發(fā)布外，還可以通過短信專用平臺發(fā)布。WEB服務(wù)主要服務(wù)于技術(shù)管理人員，向?qū)I(yè)用戶提供服務(wù)。短信專用平臺主要面向廣大的企事業(yè)領(lǐng)導(dǎo)層、管理層，特別是及時(shí)向廣大群眾發(fā)布雷電預(yù)警信號。

2.2 接閃器自啟動引雷技術(shù)

接閃器自啟動引雷技術(shù)的核心是升降式接閃器（避雷針）設(shè)計(jì)。自動升降接閃器主要由接閃器、自動升降裝置、接地裝置等組成。主要工作原理是：當(dāng)雷電預(yù)警系統(tǒng)報(bào)警，在該區(qū)域有可能發(fā)生雷電活動時(shí)，自動升降避雷針裝置開始工作，避雷針自動升高到原來的設(shè)計(jì)高度，對保護(hù)范圍內(nèi)的被保護(hù)對象起到保護(hù)作用，當(dāng)雷雨云消失或電場減弱到一定范圍，雷電預(yù)警系統(tǒng)取消報(bào)警，升高的避雷針降到原位。自動升降接閃器時(shí)無須專人配合，全部由機(jī)電一體化控制接閃器的升降、限位、鎖緊、密封。

2.3 供電線路雙回路智能切換技術(shù)

供電線路雙回路智能切換技術(shù)采用的是電氣搭建的電源切換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)提前切換電源，斷開市電，防止遭受雷擊，保護(hù)數(shù)據(jù)，保證設(shè)備安全；雷擊前關(guān)閉可以暫時(shí)關(guān)閉的設(shè)備，避免經(jīng)濟(jì)損失；自動切換電源、遠(yuǎn)程手動切換電源、就地切換電源。當(dāng)雷云逐漸形成的時(shí)候，本系統(tǒng)將自動切斷市電，這時(shí)候UPS將供電，當(dāng)雷云逐漸消散的時(shí)候，本系統(tǒng)又自動將開關(guān)合閘，恢復(fù)市電，這樣就成功的完成了一次雷暴的躲避。本系統(tǒng)還支持遠(yuǎn)程的分合閘操作，工作人員可以根據(jù)實(shí)際情況的需要來選擇開關(guān)狀態(tài)，從軟件上操作分合閘時(shí)，大氣電場儀的自動切換報(bào)警功能將自動屏蔽。

2.4 防雷裝置智能在線監(jiān)測技術(shù)

防雷裝置智能在線監(jiān)測技術(shù)通過物聯(lián)網(wǎng)與云存儲技術(shù)的結(jié)合，提供防雷與其他環(huán)境在線監(jiān)測。防雷裝置智能在線監(jiān)測技術(shù)主要監(jiān)測接地電阻、雷電流、SPD等。該技術(shù)能夠采集到接地電阻阻值、雷擊能量、強(qiáng)度、雷擊次數(shù)、雷擊的極性、雷擊時(shí)間、SPD漏流、空氣開關(guān)狀態(tài)等數(shù)據(jù)[2]。

2.4.1 接地電阻在線監(jiān)測

接地電阻在線監(jiān)測的基本原理是測量回路電阻。接地電阻在線監(jiān)測原理圖如圖2所示。

傳感器由電壓線圈與電流線圈組成，電壓線圈先給被測接地回路一個(gè)激勵脈沖信號，在被測回路上感應(yīng)一個(gè)脈沖電勢E，在電勢E的作用下將在被測回路產(chǎn)生電流I。傳感器分別對E及I進(jìn)行測量，并通過公式：R=E/I 即可得到被測回路電阻。其可以在線監(jiān)測接地引下線的連接狀況、回路接地電阻、金屬回路連接電阻，可實(shí)現(xiàn)在線測試、非接觸測量、實(shí)時(shí)監(jiān)測的功能。配有LCD液晶顯示屏的型號產(chǎn)品可在現(xiàn)場直接查看接地電阻監(jiān)測值，并通過按鍵設(shè)置接地電阻監(jiān)測報(bào)警的上限值，監(jiān)測值超標(biāo)時(shí)采用聲光兩種方式報(bào)警。

2.4.2 SPD在線監(jiān)測

SPD在線監(jiān)測的主要是浪涌保護(hù)器（SPD）劣化程度、浪涌保護(hù)器（SPD）遙信、浪涌保護(hù)器（SPD）動作次數(shù)、空氣開關(guān)狀態(tài)、三相電壓、環(huán)境溫濕度。SPD在線監(jiān)測現(xiàn)場安裝圖如圖3所示。endprint

（1）SPD漏流監(jiān)測：采用μA級漏流傳感器。這是一種利用零磁通電磁感應(yīng)原理將被測交流漏電流（小電流）轉(zhuǎn)換成按比例輸出的電壓或電流信號的測量模塊，具有高精確度、高線性度、高集成度、體積小結(jié)構(gòu)簡單、長期工作穩(wěn)定且適應(yīng)各種工作環(huán)境的特點(diǎn)。（2）SPD遙信監(jiān)測：SPD脫扣裝置脫扣時(shí)會帶動遙信告警開關(guān)動作，SPD智能分析儀內(nèi)的單片機(jī)檢測到遙信告警開關(guān)量狀態(tài)變化后會報(bào)警提示SPD失效。（3）浪涌保護(hù)器（SPD）動作次數(shù)監(jiān)測：配有雷擊次數(shù)傳感器（電流互感器），當(dāng)SPD動作時(shí)，分析儀內(nèi)的單片機(jī)檢測到雷擊次數(shù)傳感器感應(yīng)到的電流值，經(jīng)過判斷后確定是否計(jì)數(shù)一次。（4）空氣開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測：通過單片機(jī)檢測空開端的輸出電壓值（模擬量）來判斷空開是否跳閘。（5）三相電壓監(jiān)測：這部分功能的實(shí)現(xiàn)主要是通過電流型電壓互感器、三相電能專用計(jì)量芯片ATT7022及單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。

2.4.3 雷電流在線監(jiān)測

雷電流在線監(jiān)測是基于羅氏線圈傳感器技術(shù)精確還原雷擊峰值、極性、能量，可以在線監(jiān)測1路雷電流的峰值、極性、能量及雷擊發(fā)生時(shí)間、次數(shù)數(shù)據(jù)，并在雷擊發(fā)生后及時(shí)報(bào)警。雷電流監(jiān)測是采用柔性羅氏線圈檢測雷電流數(shù)據(jù)，通過測量電流的互感器，輸出信號是電流對時(shí)間的微分，這個(gè)微分信號通過一個(gè)積分器，就可以真實(shí)再現(xiàn)被測電流。

2.4.4 防雷裝置智能在線監(jiān)測系統(tǒng)集成

防雷裝置智能在線監(jiān)測技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多通道的、遠(yuǎn)程的、高精度的雷電防護(hù)在線監(jiān)測，獲得接地電阻、雷電流波形的真實(shí)情況，同時(shí)反饋生產(chǎn)場所的電壓、電流、濕度等情況，超過正常值立即報(bào)警，提升安全管理水平。

3 結(jié)語

由雷暴探測預(yù)警預(yù)報(bào)、接閃器自啟動引雷、供電線路雙回路智能切換、防雷裝置智能在線監(jiān)測技術(shù)組成的智能防雷體系關(guān)鍵技術(shù)，代表著當(dāng)今防雷行業(yè)最領(lǐng)先的防雷理念與技術(shù)水平，可以廣泛用于通信、電力、石油、化工等行業(yè)的雷電防護(hù)項(xiàng)目中，市場前景廣闊。

參考文獻(xiàn)

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[2]石敏，張高記，呂建東.基于信息化的通信機(jī)房雷電防護(hù)管理模式[J].西安郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，（4）：18-20.

Abstract：This paper analyzes the detection by the thunderstorm warning， lightning arrester lightning since the start of the power supply line， double loop intelligent switch， lightning protection device of intelligent on-line monitoring technology of intelligent lightning protection system， cloud computing， mobile Internet and networking technology into integrated lightning protection measures， implementation of intelligent lightning protection.

Key Words：thunderstorm detection； lightning protection device on-line monitoring； intelligent lightning protectionendprint