新型雷電防護(hù)在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

劉世宇，高攀亮

（1.寧夏中科天際防雷股份有限公司 寧夏企業(yè)技術(shù)中心，銀川 750002；2.寧夏中科天際防雷研究院有限公司，銀川 750002）

0 引言

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、制熱的高溫、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)大破壞作用。因此，雷電災(zāi)害是“聯(lián)合國減災(zāi)十年”公布的影響人類活動(dòng)的嚴(yán)重災(zāi)害之一，也被稱為“電子時(shí)代的一大公害”[1]。隨著微電子設(shè)備和大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用，用傳統(tǒng)的雷電防護(hù)方法并不能減少微電子系統(tǒng)設(shè)備的雷擊損害，現(xiàn)有技術(shù)中并沒有一套較完善的防護(hù)系統(tǒng)來減少雷擊造成的損害，主要表現(xiàn)在以下方面：

1）雷電防護(hù)中實(shí)施綜合一體化的水平還不高。傳統(tǒng)避雷針、引下線、接地裝置組成的泄流通道帶來的瞬變雷電流及雷電電磁脈沖經(jīng)常造成電子設(shè)備大規(guī)模損壞，新型雷電防護(hù)系統(tǒng)除傳統(tǒng)直擊雷防護(hù)外，將以雷電電磁脈沖防護(hù)和電路電磁兼容技術(shù)為核心，形成立體式、一體化的雷電防護(hù)體系。

2）雷電防護(hù)中信息化、智能化程度還不高。接閃器、引下線等外部防雷裝置經(jīng)過天長日久的使用極易造成老化與損壞。目前，對防雷裝置的管理還是以年檢和人工巡檢為主，無法保證防雷裝置實(shí)時(shí)運(yùn)行正常，需要信息化和智能防護(hù)手段進(jìn)行24h×365d不間斷監(jiān)護(hù)。

3）雷電防護(hù)中缺乏有效監(jiān)測手段進(jìn)行安全性分析。在戈壁山川的鐵路沿線基站、電力無人值守站等用電場所，雷電防護(hù)需要對土壤電阻率、接地電阻值、接閃器、避雷針、防雷器等性能參數(shù)做出評估，更需要通過現(xiàn)場的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)來幫助分析。

鑒于此，本文研究了新型雷電防護(hù)在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)雷電預(yù)警、雷電信號采集、接閃器發(fā)射井控制和并聯(lián)放電、雷電流分析、SPD智能分析等功能，并對系統(tǒng)內(nèi)的智能終端設(shè)備進(jìn)行了防雷電路設(shè)計(jì)和自身防雷能力試驗(yàn)。

1 新型雷電防護(hù)在線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)分析

新型雷電防護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)，包括雷電預(yù)警儀、新型接閃器、雷電流智能監(jiān)測儀、SPD智能分析儀等智能監(jiān)測終端。

1.1 雷電預(yù)警儀

1.1.1 雷電預(yù)警原理

雷電的本質(zhì)是雷云中的電荷在不斷變化和增加時(shí)，電場強(qiáng)度也在不斷變化和增強(qiáng)。因此，可以通過監(jiān)測電場強(qiáng)度的變化，分析它的變化趨勢，就可以進(jìn)行預(yù)判是否有雷擊的發(fā)生?，F(xiàn)階段，常見的雷電預(yù)警儀主要有磨盤式、振動(dòng)式、電子式等動(dòng)態(tài)或固態(tài)雷電預(yù)警儀，其原理及優(yōu)勢對比見表1。

中科防雷設(shè)計(jì)的雷電預(yù)警儀是基于電荷感應(yīng)原理，利用接地金屬板對電場的屏蔽作用，使另一金屬板上的電荷發(fā)生周期性變化而形成電流，然后通過檢測電流的大小和相位來檢測地面靜電場強(qiáng)度和極性方向并進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)。雷電預(yù)警儀是直接安裝在地面上對雷云電荷量（或稱大氣靜電場場強(qiáng)）進(jìn)行監(jiān)測，在晴好天氣下大氣靜電場場強(qiáng)為±500V/m，但當(dāng)暴風(fēng)雨來臨時(shí)，大氣靜電場場強(qiáng)會(huì)激增至±15kV以上。大氣電場儀就是通過對電場極性變化的探測和分析，以及對一場雷暴過程的不同階段所發(fā)生的電場變化設(shè)以門限數(shù)值，包括兩個(gè)特殊門限：在平原或低海拔地區(qū)為6kV/m±1kV/m；在中海拔的山區(qū)（海拔1000 m～2000m）為10kV/m±2kV/m，就能夠?qū)崿F(xiàn)對暴風(fēng)雨來臨和雷擊可能性的預(yù)警，具有相當(dāng)高的安全性和準(zhǔn)確性。

表1 磨盤式、振動(dòng)式、電子式雷電預(yù)警器對比表Table 1 Comparison table of grinding disc type, vibration type and electronic Lightning warning device

1.1.2 雷電信號采集電路

雷電信號采集電路如圖1所示，包括積分電路、放大電路、電平抬升電路和濾波電路等。

積分電路采用RC積分電路，積分參數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。而考慮雷電流輸入信號為±10V，需要將其轉(zhuǎn)換為0V～3.3V的A/D輸入電平。因此，還在設(shè)計(jì)中增加了放大電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。電平抬升電路用于將負(fù)電壓抬升至正值，以便于AD電路進(jìn)行采樣。由圖1可知，電平抬升電路第一級運(yùn)放的作用是一個(gè)減法器，在第一級的輸出信號疊加了一個(gè)負(fù)的直流分量（電平由電源經(jīng)過電阻分壓得到），通過第二級的反向放大后，信號相當(dāng)于疊加了一個(gè)正的直流分量，這樣只要輸入信號的峰值沒超過A/D的測量范圍，信號都能準(zhǔn)確地被采集。

1.2 新型接閃器技術(shù)研究與應(yīng)用

本文研究的新型接閃器技術(shù)主要包括雷電預(yù)警儀、接閃器發(fā)射井、接閃器等，通過雷電預(yù)警儀對雷云天氣下大氣電場強(qiáng)度等參數(shù)的監(jiān)測，遠(yuǎn)程控制接閃器發(fā)射井，使隱藏在發(fā)射井內(nèi)的接閃器自動(dòng)升起至設(shè)計(jì)高度，等待接閃，同時(shí)檢測雷云所攜帶電量大小，估算出雷云與接地裝置的電勢差，并通過公式計(jì)算得出并聯(lián)電壓值相對比，通過改變副消雷針與主消雷針之間以及相鄰副消雷針之間所形成角度，調(diào)整并聯(lián)電壓值，保證電離組件在被雷擊狀態(tài)下，相鄰針尖發(fā)生并聯(lián)，避免消雷組件的閃絡(luò)[2]，同時(shí)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)后電離單元通流能力和總熱容量的相應(yīng)增加，增強(qiáng)防雷裝置的防雷效果，實(shí)現(xiàn)了對古建筑物等的雷電防護(hù)。

圖1 雷電信號采集電路Fig.1 Lightning signal acquisition circuit

圖2 接閃器發(fā)射井結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram of the transmission well structure of the flashover

1.2.1 接閃器發(fā)射井遠(yuǎn)程控制技術(shù)

《旅游景區(qū)雷電災(zāi)害防御技術(shù)規(guī)范》（QX/T 264-2015）5.1.3規(guī)定：旅游景區(qū)內(nèi)建（構(gòu)）筑物的防雷措施應(yīng)符合GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，并應(yīng)安裝防直擊雷的外部防雷裝置[3]。古建筑或旅游景區(qū)內(nèi)的古建筑安裝外部防雷裝置后，破壞了古建筑的美觀和整體性。因此，中科防雷設(shè)計(jì)了安裝在發(fā)射井內(nèi)，并能多針自動(dòng)并聯(lián)、提前放電的新型接閃器。

接閃器發(fā)射井結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，包括接閃器、引下線、接地裝置、罩體、固定框、活動(dòng)框等。

發(fā)射井隱藏在古建筑地下，接閃器豎直固定在固定基座上，接閃器通過支撐塊與固定基座連接穩(wěn)定，接閃器和接地裝置通過引下線連接，形成泄流通道；固定框和活動(dòng)框?yàn)閳A弧形，且固定框圓弧半徑略大于活動(dòng)框半徑，罩體同時(shí)與固定框、活動(dòng)框的弧形面密封連接。當(dāng)雷雨來臨時(shí)，接到控制信號后，活動(dòng)框可繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而打開罩體，接閃器從發(fā)射井內(nèi)自動(dòng)升起至設(shè)計(jì)高度，使接閃器處于外部環(huán)境；當(dāng)天氣晴朗時(shí)，罩體關(guān)閉，接閃器隱藏在發(fā)射井中。

圖3 接閃器結(jié)構(gòu)示意圖（俯視圖）Fig.3 Diagram of the flashover structure (overlooking)

通過接閃器發(fā)射井技術(shù)，在晴朗天氣下，保證了接閃器無需工作的狀態(tài)下處于內(nèi)部空間內(nèi)，減少非工作狀態(tài)下接閃器由于外界風(fēng)力、空氣以及太陽照射的機(jī)械損壞，避免了對古建筑物整體性、美觀性的破壞，同時(shí)保證了對接閃器的隔離效果，避免電波電磁信號對接閃器的干擾；在雷雨天氣下，發(fā)射井罩體自動(dòng)打開、接閃器自動(dòng)升起，保證了接閃器的正常工作，實(shí)現(xiàn)了接閃器的自主式避雷，使古建筑物防雷更加人性化，同時(shí)降低了接閃器的損耗，減少接閃器的維修次數(shù)，避免因維修造成的古建筑損壞。

1.2.2 接閃器多針自動(dòng)并聯(lián)，提前放電技術(shù)

接閃器結(jié)構(gòu)示意圖（俯視圖）如圖3所示。

接閃器包括主消雷針、副消雷針、控制組件、底座等，其中，主消雷針豎直設(shè)置，副消雷針設(shè)置有第一消雷針組和第二消雷針組，每組均有若干消雷針組成，主消雷針、副消雷針均有針尖，針尖尖端均設(shè)置為圓錐形或棱錐形，針尖尖端分別再增設(shè)若干尖針，可以實(shí)現(xiàn)較佳的電離效果，提高接閃器附近電離產(chǎn)生的空間電荷速度；控制組件控制副消雷針與主消雷針之間、相鄰副消雷針之間所形成的角度，得到了接閃器較佳的并聯(lián)電壓值，實(shí)現(xiàn)副消雷針與主消雷針在受雷擊時(shí)的自動(dòng)并聯(lián)，從而將雷擊產(chǎn)生的電流分流[4]。

當(dāng)建筑物的防雷裝置上方出現(xiàn)雷云時(shí)，由于靜電感應(yīng)在副消雷針和主消雷針的尖端及附近空間均會(huì)有空間電荷積累。當(dāng)雷云中所攜帶負(fù)電荷量過大，消雷組件尖端及附近的空間電離產(chǎn)生的正電荷數(shù)量無法滿足與雷云負(fù)電荷的快速中和時(shí)，雷云產(chǎn)生雷擊；雷擊瞬間，受擊的副消雷針或主消雷針上方的電荷會(huì)因中和而突然消失，而其他針體上依舊帶有大量電荷，使得受雷擊針頭和相鄰針頭之間的電壓突然增大達(dá)到并聯(lián)電壓值，導(dǎo)致相鄰針頭之間間隙擊穿，從而實(shí)現(xiàn)相鄰針頭之間的自動(dòng)并聯(lián)。接閃器局部結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 接閃器局部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Diagram of local structure of the flashover

接閃器控制組件包括第一環(huán)形限位部、第二環(huán)形限位部、推動(dòng)部。其中，第一消雷針組與第一環(huán)形限位部活動(dòng)連接，第二消雷針組與第二環(huán)形限位部活動(dòng)連接，推動(dòng)部分別控制第一環(huán)形限位部和第二環(huán)形限位部的高度位置。通過控制第一環(huán)形限位部和第二環(huán)形限位部的高度，改變副消雷針的聚攏程度，調(diào)整副消雷針與主消雷針之間以及相鄰副消雷針之間所形成的角度，實(shí)現(xiàn)對并聯(lián)電壓值的調(diào)節(jié)。主消雷針和相鄰副消雷針的并聯(lián)電壓值為相鄰針頭之間間隙擊穿時(shí)相鄰針頭之間所需要電壓的閾值，U的公式

為[5]：

其中，γ——修正系數(shù)，一般取0.25，單位為℃/kPa；P——雷電智能監(jiān)測控制終端檢測到的大氣壓強(qiáng)，單位為kPa；T——雷電智能監(jiān)測控制終端檢測到的環(huán)境溫度，單位為℃；H——電離單元的高度，單位為m；HΔ——基準(zhǔn)高度，數(shù)值一般取1000，單位為m；r1——主消雷針針尖圓弧半徑，單位為mm；r2——副消雷針針尖圓弧半徑，單位為mm；δ——雷電智能監(jiān)測控制終端檢測到的空氣相對密度；α——副消雷針與主消雷針之間的夾角，單位為度；c——副消雷針的長度，單位為mm；d——副主雷針的長度，單位為mm。

并聯(lián)電壓值隨環(huán)境溫度的升高而下降，隨設(shè)置高度的升高而降低，隨大氣壓強(qiáng)的升高而升高；主消雷針針尖圓弧半徑和副消雷針針尖圓弧半徑越小，說明主消雷針和副消雷針的針尖越尖銳，針尖上聚集的電荷越密集，造成針尖的電場增強(qiáng)，致使并聯(lián)電壓值降低；通過調(diào)節(jié)主消雷針和相鄰副消雷針之間的夾角，改變主消雷針和副消雷針的針尖之間的距離，當(dāng)夾角越小，并聯(lián)電壓值越低。

圖5 雷電流智能監(jiān)測儀原理框圖Fig.5 Principle block diagram of lightning current intelligent monitor

由于自動(dòng)并聯(lián)使電流分流，接閃器的總體電阻隨電流的增加而逐級下降，使得接閃器總等值電阻占雷電通道總電阻（含弧道電阻及電離單元的電阻）的比例減小，接閃器所承受的電壓也隨之減小，實(shí)現(xiàn)副消雷針與主消雷針上的壓降不超過主消雷針和副消雷針的沿面閃絡(luò)電壓，避免消雷組件的閃絡(luò)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)后電離單元通流能力和總熱容量的相應(yīng)增加。

1.3 雷電流智能分析儀

雷電流智能分析儀基于羅氏線圈傳感器技術(shù)準(zhǔn)確還原雷擊的峰值、極性、能量。在線測試、無需自檢、實(shí)時(shí)監(jiān)測，采用RS485有線、無線通訊、GPRS無線通訊傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測。雷電流智能分析儀原理框圖如圖5所示。

其包括雷電流傳感器、電磁傳感器、電壓測量器、控制箱和報(bào)警裝置等。雷電流傳感器為羅氏線圈型沖擊電流傳感器，電壓測量器包括耦合電容和調(diào)節(jié)電路，電流傳感器、電壓測量器和電磁傳感器都與單片機(jī)的輸入引腳連接，單片機(jī)的輸出引腳連接報(bào)警裝置，報(bào)警裝置包括閃光燈和揚(yáng)聲器。

羅氏線圈原理圖如圖6所示。雷電流所產(chǎn)生的磁場是一個(gè)快速變化的磁場，羅氏線圈基于電磁感應(yīng)法將大電流轉(zhuǎn)化為低電壓來測量，并通過一個(gè)對輸出的電壓信號進(jìn)行積分的電路，真實(shí)還原輸入電流。

通過雷電流智能監(jiān)測儀軟件可以實(shí)時(shí)顯示被測雷電流峰值、能量、極性次數(shù)、時(shí)間，可以設(shè)置報(bào)警短信通知，劃分站點(diǎn)維護(hù)人員報(bào)警信息接收，記錄數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)報(bào)表，方便歷史查詢、分析監(jiān)測點(diǎn)雷擊情況。

1.4 SPD智能監(jiān)測儀

SPD智能監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。其電壓傳感器和電流傳感器對三相線路的電壓和電流進(jìn)監(jiān)測。當(dāng)空氣開關(guān)閉合時(shí)，閘刀就會(huì)壓在壓力傳感器上，跳閘時(shí)，壓力傳感器就會(huì)檢測到變化，做到實(shí)時(shí)監(jiān)測；漏電電流采集器則防止電源SPD漏電，當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)，警示燈就會(huì)亮，而且，所有檢測的量均通過無線發(fā)射器和無線收發(fā)器發(fā)送到監(jiān)控室，顯示在顯示屏上，警示燈亮的時(shí)候，警報(bào)裝置工作，提醒工作人員注意，攝像頭則對整體進(jìn)行拍攝，做到畫面實(shí)時(shí)傳遞。因此，整個(gè)裝置很好地對電源SPD進(jìn)行在線監(jiān)測[6]。

圖6 羅氏線圈原理圖Fig.6 Schematic diagram of Roche coil

圖7 SPD智能監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of SPD intelligent monitor structure

SPD漏電流采樣電路如圖8所示。流過防雷器的漏電流經(jīng)過精密取樣電阻后，會(huì)在精密電阻兩端產(chǎn)生電壓，將精密電阻兩端的電壓通過集成電路U1做整流及電壓跟隨，將集成電路U1的輸出電壓送入U(xiǎn)2的輸入端，通過U2一級運(yùn)算放大器將電壓信號放大為0V～5V的電壓信號，再將0V～5V電壓信號送給12路模擬量電壓采集模塊的一路輸入端，通過電壓采集電路將0V～5V的信號轉(zhuǎn)化后，通過RS485總線傳送給上位機(jī)顯示。

2 智能監(jiān)測終端的自身防雷設(shè)計(jì)和測試

2.1 智能監(jiān)測終端的自身防雷設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，催生智能硬件產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，但大多智能終端設(shè)備均缺乏防雷設(shè)計(jì)，不具備防雷能力。

智能終端設(shè)備電源及RS-485通信模塊，均需通過自恢復(fù)保險(xiǎn)絲、陶瓷氣體放電管、壓敏電阻和TVS等防雷擊電路接入到采集模塊。共性的電源防雷電路如圖9所示。

電源輸入/輸出部分的元件名稱及功能見表2。

圖8 SPD漏電流采樣電路Fig.8 SPD Leakage current sampling circuit

圖9 電源防雷電路Fig.9 Power lightning protection circuit

表2 電源輸入/輸出部分的元件名稱及功能Table 2 Component name and function of the power input/output section

2.2 智能監(jiān)測終端的防雷能力試驗(yàn)

圖10 90KA沖擊電流試驗(yàn)波形Fig.10 90KA Impact current test waveform

智能終端設(shè)備的防雷能力測試（8/20沖擊電流試驗(yàn)）試驗(yàn)，即檢驗(yàn)智能終端設(shè)備、器件、材料在快速變化的大電流作用下的電性能。沖擊電流試驗(yàn)采用的試驗(yàn)電流波形可以是單極性的，也可以是振蕩形的，以分別模擬雷閃放電產(chǎn)生的雷電沖擊電流或電力系統(tǒng)操作開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的操作沖擊電流。本試驗(yàn)采用不同的沖擊電流對智能終端設(shè)備進(jìn)行測試，測試出被測設(shè)備能夠耐受雷電沖擊電流的能力，以此確定被檢設(shè)備的防雷能力是否滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

圖10為沖擊電流為90KA試驗(yàn)波形圖，圖中桔黃色曲線為沖擊電流波形曲線。將被測設(shè)備的火線和零線接入測試系統(tǒng)（左圖為通過試驗(yàn)系統(tǒng)的去耦網(wǎng)絡(luò)為被測設(shè)備加220V工頻電壓，右圖沒有加工頻電壓），依次加大試驗(yàn)沖擊電流的電流值，觀察并記錄被測設(shè)備的狀況是否正常。

通過對智能終端設(shè)備的電路設(shè)計(jì)改造，本系統(tǒng)涉及的智能終端設(shè)備均具有Imax(8/20μs) 100kA的防雷能力。

3 結(jié)論

通過對雷電預(yù)警儀、接閃器發(fā)射井、接閃器自動(dòng)并聯(lián)放電、雷電流智能分析儀、SPD智能監(jiān)測儀等功能技術(shù)進(jìn)行研究分析，并在古建筑、國防軍工、電力、化工等行業(yè)得到了應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)防雷不能有效地進(jìn)行全方位雷電防護(hù)的難題。對智能終端設(shè)備進(jìn)行防雷電路設(shè)計(jì)和防雷試驗(yàn)，給物聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師提供了有價(jià)值的參考。