有源等离子防雷技术的在设备防护中的应用

尤贵斌

辽宁陆发机械装备制造有限公司 辽宁铁岭 112609

1 概述

传统的以避雷针为代表的被动防雷方式已被广泛应用，但是雷击事故仍然频发，突显出主动防雷的重要性和紧迫性。因此一种主动防雷技术“有源等离子防雷技术”越来越引起重视。

2 有源等离子防雷的基本机理

有源等离子防雷的基本机理是提出一套完整的雷电侦测、预警、防护和记录的防雷技术和手段。以建立局域安全的无雷保护区为目的，依据大气静电场的物理测量分析理论和宏观控制理论为基础，通过实时准确地监测保护区周围区域范围内雷电活动的发展和变化趋势，分析所测量的大气电场数据，智能化判断即将过顶雷云的发展动向，在雷击将要形成前，适时地启动系统进入防（驱）雷状态。

3 系统组成和工作原理

3.1 系统构成

防雷系统主要由有源等离子防雷系统、集中控制系统、高声压广播系统、环境感知系统、供电伺服控制系统及执行系统等组成。

3.2 系统工作原理

本防雷系统将所有设备高度集成安装于工作平台上，实现了防雷综合设备的正常工作和快速机动转移。

除了基本的防雷功能外，本系统还配备了多种传感器，可对整个防护环境进行多维度的监测。特别是系统可根据风速情况自动对防雷系统升降杆进行升高和降低操作；雷电预警器记录了大气电场值，控制器根据电场变化情况自动启动和停止有源等离子体的产生，实现智能防雷。

系统提供多种供电方式，主（长期）供电为外接市电，短期供电为油机发电，应急供电为内置的UPS，确保设备能完成在各种供电条件下完成其担负的任务。

电气系统功能框图见图1。

4 系统主要技术指标

4.1 整机性能

（1）有源等离子防雷系统。防雷保护半径：≥120m（在平坦的地面架设时（一般等离子发生器安装高度12-15m））

R：=8*H（H为等离子发生器安装高度）

输出等离子体浓度≥1015N/m3；

大气电场测量范围：0kV/m-50kV/m；

大气场强检测精度：

±1kV/m（大气电场≤5kV/m时）

±10%（大气电场＞50kV/m时）；

持续防雷系统工作时间：2小时（仅蓄电池组供电时）。

（2）集中控制系统。显示器尺寸≥17寸。

（3）环境感知系统：

温度传感器检测范围：-40℃至+100℃；

湿度传感器检测范围：0-100%RH；

风速检测范围：0.3m/s-70m/s；

视频分辨率：最高1920×1080P；

聚光灯功率：≥50W；

泛光灯功率：≥50W；

（4）高声压广播系统。高声压广播系统能应对强噪音背景环境，实现连续可靠工作的语音广播与报警，保证1km范围内的广播传送。

（5）供配电系统。系统总功耗≤6kW；

长期工作电源：外接市电，单相交流电220V（1±10%），50Hz；

短期工作电源：油机发电，单相交流电220V，额定功率6kW（海拔3000m以下）；

应急工作电源：UPS及电池组，容量：6kVA；

UPS续航时间：≥2h（电池组预先充满电，放电防雷工作时）；

（6）伺服控制系统。

升降杆：最高长度≥12m；闭合高度≤2.65m；

调平时间：≤3min；

调平精度：≤±0.5°；

4.2 环境适应性

温度：

图1 电气系统功能框图

工作温度：-35℃至+50℃；

贮存温度：-40℃至+60℃。

抗风能力：

生存风速：≤32.6（m/s）（12级风）不破坏；（此时升降杆高度随风力自动调节）

工作风速：≤20.7m/s（8级风）正常工作（建议拉定长防风绳）

≥13.8m/s（6级风）升降杆必须拉抗风钢丝绳。

降额工作风速：≤32.6（m/s）≤当风速≤20.7m/s

工作高度：

海拔高度≤3000m

4.3 使用寿命

整机20年；（大修期10年）；

等离子防雷系统放电器寿命：200h；（备注：放电器实际使用时，为间歇工作模式）；

环境感知系统灯泡寿命：2000h；

4.4 工作过程简介

主要工作步骤：

按要求将防雷系统展开摆放；

展开抗风腿，取下垫木放在相应位置调平腿下；

油机启动或用市电供电，操作相应的控制系统，使车体达水平状态；

将针管安装固定在等离子发生器上。（并解锁相应的机构）

4.5 各个主要分系统简介

（1）有源等离子防雷系统：本分系统组成由等离子发生器、防雷控制器、预警器三个部分和连接电缆组成。

防雷控制器的主要功能有：

供电功能：为雷电预警器提供24V直流电源；为等离子发生器提供220V交流和高频的150V交流；

通信功能：对外通过以太网接收参数调整等指令并将防雷系统的工作状态向集中控制器报告；对内则通过422串口与雷电预警器通信，接收预警器检测的大气电场值；

数据分析处理及预警功能：通过把接收到的采样数据和预设阈值进行分析对比，确定系统的工作状态，并根据相关条件启动等离子发生器放电工作及相应的设备工作；

故障检测：对内部工作情况进行检测，发现故障进行告警并记录；

雷电预警器：

主要功能：检测大气场强，同时还具备温度检测和通信功能，并将大气电场值和环境温度值传给防雷控制器。

等离子发生器：由高频高压变压器、放电器、风机及结构组件组成。其外形结构如图2所示，内部组成如图3所示。

图2 等离子发生器外观图

图3 等离子发生器内部组成图

（2）集中控制系统：集中控制系统是本机动防雷系统的核心控制部分，主要包含：控制主机、显示器、操作台面、交换机、电话等。

（3）环境感知系统：环境感知系统由视频监控/云台：由云台摄像机、聚光灯、泛光灯、温湿度计、风速仪、终端软件系统和连接电缆以及结构件组成。

（4）高声压广播系统：高声压广播系统应用强噪音背景环境，实现大功率、高声压、连续可靠工作的语音广播与报警信号音频系统，保证1km范围内的广播传送距离。

（5）供配电系统：供电系统输出总容量：6kVA；

输出总功率：4200W；

供配电系统主要由柴油发电机、UPS主机、电池组、配电单元、电压转换单元组成。

车用电方式主要有：长期工作、短期工作、应急工作。

长期工作时，必须外接市电；

短期供电可由柴油机发电；

应急工作时，由UPS从电池组汲取能量，逆变为交流电供短暂使用。

（6）伺服控制系统：伺服控制系统各部分的功能如下：

伺服驱动机箱：内部由升降杆翻转驱动器、等离子发生器翻转随动驱动器、自动调平驱动器组成；

倾覆腿：完成整机工作状态的转换；

升降杆翻转机构：升降杆的姿态转换与等离子发生器翻转随动机构分步控制工作。确保等离子发生器工作时与地面垂直。驱动装置俯仰范围：0°-90°，全程保护；俯仰精度：±0.1°；俯仰时间：≤4min。

等离子发生器翻转机构：当升降杆升降翻转随动机构翻转1 0°或者1 5°时，该机构翻转到位并锁定。其中俯仰范围：0°-90°，全程保护；俯仰精度：±0.1°；翻转时间：≤2min。

自动调平系统：将来自自动调平仪传来的X、Y数据进行运算，从而控制4个调平腿的升、降高度。达到整机调平的指标。调平系统执行机构的电源采取220VAC，1000W电源供电与液压（或者机电）机构配合完成。

5 关键技术

5.1 放电器的优化设计

放电器要优化解决安装和元器件抗震性能。在烧结本体时考虑增加抗震的材料，放电器的安装必须有弹性减振设置，满足机动工况所需保证整机的机动时间，提高放电器的寿命。

5.2 针杆的安装

为满足机动时间的要求，针杆与发生器的联结采取快锁机构。解决了安装时耗时和安装困难的问题。

5.3 针管长度的选取

针管的长度直接影响产品的性能指标和产品的使用环境及工作寿命。针管越长则H越高，从而防雷半径越大。因此，对针管长度的选择要平衡考虑高度和体积、强度等因素。

6 结语

基于有源等离子防雷技术建立综合防雷系统，能在随机指定的地点快速建立防雷保护区，可有效地防止直击雷产生，并可以随时对于整个防护环境实施视频监控、风速测量、音频警告、照明。能随被保护装备快速转移，机动性强，操作简单、架设/撤收快捷，方便，广泛应用于雷达、通讯、导航等领域。必将在更多领域发挥作用。