有源等離子防雷技術(shù)的在設(shè)備防護(hù)中的應(yīng)用

尤貴斌

遼寧陸發(fā)機(jī)械裝備制造有限公司 遼寧鐵嶺 112609

1 概述

傳統(tǒng)的以避雷針為代表的被動防雷方式已被廣泛應(yīng)用，但是雷擊事故仍然頻發(fā)，突顯出主動防雷的重要性和緊迫性。因此一種主動防雷技術(shù)“有源等離子防雷技術(shù)”越來越引起重視。

2 有源等離子防雷的基本機(jī)理

有源等離子防雷的基本機(jī)理是提出一套完整的雷電偵測、預(yù)警、防護(hù)和記錄的防雷技術(shù)和手段。以建立局域安全的無雷保護(hù)區(qū)為目的，依據(jù)大氣靜電場的物理測量分析理論和宏觀控制理論為基礎(chǔ)，通過實(shí)時準(zhǔn)確地監(jiān)測保護(hù)區(qū)周圍區(qū)域范圍內(nèi)雷電活動的發(fā)展和變化趨勢，分析所測量的大氣電場數(shù)據(jù)，智能化判斷即將過頂雷云的發(fā)展動向，在雷擊將要形成前，適時地啟動系統(tǒng)進(jìn)入防（驅(qū)）雷狀態(tài)。

3 系統(tǒng)組成和工作原理

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

防雷系統(tǒng)主要由有源等離子防雷系統(tǒng)、集中控制系統(tǒng)、高聲壓廣播系統(tǒng)、環(huán)境感知系統(tǒng)、供電伺服控制系統(tǒng)及執(zhí)行系統(tǒng)等組成。

3.2 系統(tǒng)工作原理

本防雷系統(tǒng)將所有設(shè)備高度集成安裝于工作平臺上，實(shí)現(xiàn)了防雷綜合設(shè)備的正常工作和快速機(jī)動轉(zhuǎn)移。

除了基本的防雷功能外，本系統(tǒng)還配備了多種傳感器，可對整個防護(hù)環(huán)境進(jìn)行多維度的監(jiān)測。特別是系統(tǒng)可根據(jù)風(fēng)速情況自動對防雷系統(tǒng)升降桿進(jìn)行升高和降低操作；雷電預(yù)警器記錄了大氣電場值，控制器根據(jù)電場變化情況自動啟動和停止有源等離子體的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)智能防雷。

系統(tǒng)提供多種供電方式，主（長期）供電為外接市電，短期供電為油機(jī)發(fā)電，應(yīng)急供電為內(nèi)置的UPS，確保設(shè)備能完成在各種供電條件下完成其擔(dān)負(fù)的任務(wù)。

電氣系統(tǒng)功能框圖見圖1。

4 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

4.1 整機(jī)性能

（1）有源等離子防雷系統(tǒng)。防雷保護(hù)半徑：≥120m（在平坦的地面架設(shè)時（一般等離子發(fā)生器安裝高度12-15m））

R：=8*H（H為等離子發(fā)生器安裝高度）

輸出等離子體濃度≥1015N/m3；

大氣電場測量范圍：0kV/m-50kV/m；

大氣場強(qiáng)檢測精度：

±1kV/m（大氣電場≤5kV/m時）

±10%（大氣電場＞50kV/m時）；

持續(xù)防雷系統(tǒng)工作時間：2小時（僅蓄電池組供電時）。

（2）集中控制系統(tǒng)。顯示器尺寸≥17寸。

（3）環(huán)境感知系統(tǒng)：

溫度傳感器檢測范圍：-40℃至+100℃；

濕度傳感器檢測范圍：0-100%RH；

風(fēng)速檢測范圍：0.3m/s-70m/s；

視頻分辨率：最高1920×1080P；

聚光燈功率：≥50W；

泛光燈功率：≥50W；

（4）高聲壓廣播系統(tǒng)。高聲壓廣播系統(tǒng)能應(yīng)對強(qiáng)噪音背景環(huán)境，實(shí)現(xiàn)連續(xù)可靠工作的語音廣播與報警，保證1km范圍內(nèi)的廣播傳送。

（5）供配電系統(tǒng)。系統(tǒng)總功耗≤6kW；

長期工作電源：外接市電，單相交流電220V（1±10%），50Hz；

短期工作電源：油機(jī)發(fā)電，單相交流電220V，額定功率6kW（海拔3000m以下）；

應(yīng)急工作電源：UPS及電池組，容量：6kVA；

UPS續(xù)航時間：≥2h（電池組預(yù)先充滿電，放電防雷工作時）；

（6）伺服控制系統(tǒng)。

升降桿：最高長度≥12m；閉合高度≤2.65m；

調(diào)平時間：≤3min；

調(diào)平精度：≤±0.5°；

4.2 環(huán)境適應(yīng)性

溫度：

圖1 電氣系統(tǒng)功能框圖

工作溫度：-35℃至+50℃；

貯存溫度：-40℃至+60℃。

抗風(fēng)能力：

生存風(fēng)速：≤32.6（m/s）（12級風(fēng)）不破壞；（此時升降桿高度隨風(fēng)力自動調(diào)節(jié)）

工作風(fēng)速：≤20.7m/s（8級風(fēng)）正常工作（建議拉定長防風(fēng)繩）

≥13.8m/s（6級風(fēng)）升降桿必須拉抗風(fēng)鋼絲繩。

降額工作風(fēng)速：≤32.6（m/s）≤當(dāng)風(fēng)速≤20.7m/s

工作高度：

海拔高度≤3000m

4.3 使用壽命

整機(jī)20年；（大修期10年）；

等離子防雷系統(tǒng)放電器壽命：200h；（備注：放電器實(shí)際使用時，為間歇工作模式）；

環(huán)境感知系統(tǒng)燈泡壽命：2000h；

4.4 工作過程簡介

主要工作步驟：

按要求將防雷系統(tǒng)展開擺放；

展開抗風(fēng)腿，取下墊木放在相應(yīng)位置調(diào)平腿下；

油機(jī)啟動或用市電供電，操作相應(yīng)的控制系統(tǒng)，使車體達(dá)水平狀態(tài)；

將針管安裝固定在等離子發(fā)生器上。（并解鎖相應(yīng)的機(jī)構(gòu)）

4.5 各個主要分系統(tǒng)簡介

（1）有源等離子防雷系統(tǒng)：本分系統(tǒng)組成由等離子發(fā)生器、防雷控制器、預(yù)警器三個部分和連接電纜組成。

防雷控制器的主要功能有：

供電功能：為雷電預(yù)警器提供24V直流電源；為等離子發(fā)生器提供220V交流和高頻的150V交流；

通信功能：對外通過以太網(wǎng)接收參數(shù)調(diào)整等指令并將防雷系統(tǒng)的工作狀態(tài)向集中控制器報告；對內(nèi)則通過422串口與雷電預(yù)警器通信，接收預(yù)警器檢測的大氣電場值；

數(shù)據(jù)分析處理及預(yù)警功能：通過把接收到的采樣數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行分析對比，確定系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并根據(jù)相關(guān)條件啟動等離子發(fā)生器放電工作及相應(yīng)的設(shè)備工作；

故障檢測：對內(nèi)部工作情況進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)故障進(jìn)行告警并記錄；

雷電預(yù)警器：

主要功能：檢測大氣場強(qiáng)，同時還具備溫度檢測和通信功能，并將大氣電場值和環(huán)境溫度值傳給防雷控制器。

等離子發(fā)生器：由高頻高壓變壓器、放電器、風(fēng)機(jī)及結(jié)構(gòu)組件組成。其外形結(jié)構(gòu)如圖2所示，內(nèi)部組成如圖3所示。

圖2 等離子發(fā)生器外觀圖

圖3 等離子發(fā)生器內(nèi)部組成圖

（2）集中控制系統(tǒng)：集中控制系統(tǒng)是本機(jī)動防雷系統(tǒng)的核心控制部分，主要包含：控制主機(jī)、顯示器、操作臺面、交換機(jī)、電話等。

（3）環(huán)境感知系統(tǒng)：環(huán)境感知系統(tǒng)由視頻監(jiān)控/云臺：由云臺攝像機(jī)、聚光燈、泛光燈、溫濕度計、風(fēng)速儀、終端軟件系統(tǒng)和連接電纜以及結(jié)構(gòu)件組成。

（4）高聲壓廣播系統(tǒng)：高聲壓廣播系統(tǒng)應(yīng)用強(qiáng)噪音背景環(huán)境，實(shí)現(xiàn)大功率、高聲壓、連續(xù)可靠工作的語音廣播與報警信號音頻系統(tǒng)，保證1km范圍內(nèi)的廣播傳送距離。

（5）供配電系統(tǒng)：供電系統(tǒng)輸出總?cè)萘浚?kVA；

輸出總功率：4200W；

供配電系統(tǒng)主要由柴油發(fā)電機(jī)、UPS主機(jī)、電池組、配電單元、電壓轉(zhuǎn)換單元組成。

車用電方式主要有：長期工作、短期工作、應(yīng)急工作。

長期工作時，必須外接市電；

短期供電可由柴油機(jī)發(fā)電；

應(yīng)急工作時，由UPS從電池組汲取能量，逆變?yōu)榻涣麟姽┒虝菏褂谩?/p>

（6）伺服控制系統(tǒng)：伺服控制系統(tǒng)各部分的功能如下：

伺服驅(qū)動機(jī)箱：內(nèi)部由升降桿翻轉(zhuǎn)驅(qū)動器、等離子發(fā)生器翻轉(zhuǎn)隨動驅(qū)動器、自動調(diào)平驅(qū)動器組成；

傾覆腿：完成整機(jī)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換；

升降桿翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：升降桿的姿態(tài)轉(zhuǎn)換與等離子發(fā)生器翻轉(zhuǎn)隨動機(jī)構(gòu)分步控制工作。確保等離子發(fā)生器工作時與地面垂直。驅(qū)動裝置俯仰范圍：0°-90°，全程保護(hù)；俯仰精度：±0.1°；俯仰時間：≤4min。

等離子發(fā)生器翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：當(dāng)升降桿升降翻轉(zhuǎn)隨動機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)1 0°或者1 5°時，該機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)到位并鎖定。其中俯仰范圍：0°-90°，全程保護(hù)；俯仰精度：±0.1°；翻轉(zhuǎn)時間：≤2min。

自動調(diào)平系統(tǒng)：將來自自動調(diào)平儀傳來的X、Y數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，從而控制4個調(diào)平腿的升、降高度。達(dá)到整機(jī)調(diào)平的指標(biāo)。調(diào)平系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源采取220VAC，1000W電源供電與液壓（或者機(jī)電）機(jī)構(gòu)配合完成。

5 關(guān)鍵技術(shù)

5.1 放電器的優(yōu)化設(shè)計

放電器要優(yōu)化解決安裝和元器件抗震性能。在燒結(jié)本體時考慮增加抗震的材料，放電器的安裝必須有彈性減振設(shè)置，滿足機(jī)動工況所需保證整機(jī)的機(jī)動時間，提高放電器的壽命。

5.2 針桿的安裝

為滿足機(jī)動時間的要求，針桿與發(fā)生器的聯(lián)結(jié)采取快鎖機(jī)構(gòu)。解決了安裝時耗時和安裝困難的問題。

5.3 針管長度的選取

針管的長度直接影響產(chǎn)品的性能指標(biāo)和產(chǎn)品的使用環(huán)境及工作壽命。針管越長則H越高，從而防雷半徑越大。因此，對針管長度的選擇要平衡考慮高度和體積、強(qiáng)度等因素。

6 結(jié)語

基于有源等離子防雷技術(shù)建立綜合防雷系統(tǒng)，能在隨機(jī)指定的地點(diǎn)快速建立防雷保護(hù)區(qū)，可有效地防止直擊雷產(chǎn)生，并可以隨時對于整個防護(hù)環(huán)境實(shí)施視頻監(jiān)控、風(fēng)速測量、音頻警告、照明。能隨被保護(hù)裝備快速轉(zhuǎn)移，機(jī)動性強(qiáng)，操作簡單、架設(shè)/撤收快捷，方便，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通訊、導(dǎo)航等領(lǐng)域。必將在更多領(lǐng)域發(fā)揮作用。