新型雷电防护在线监测系统的研究与应用

2019-05-05刘世宇高攀亮

仪器仪表用户 2019年5期

刘世宇，高攀亮

（1.宁夏中科天际防雷股份有限公司宁夏企业技术中心，银川 750002；2.宁夏中科天际防雷研究院有限公司，银川 750002）

0 引言

雷电是自然大气中的超长距离强放电过程，因其强大的电流、制热的高温、猛烈的冲击波以及强烈的电磁辐射等效应而能在瞬间产生强大破坏作用。因此，雷电灾害是“联合国减灾十年”公布的影响人类活动的严重灾害之一，也被称为“电子时代的一大公害”[1]。随着微电子设备和大规模集成电路的广泛应用，用传统的雷电防护方法并不能减少微电子系统设备的雷击损害，现有技术中并没有一套较完善的防护系统来减少雷击造成的损害，主要表现在以下方面：

1）雷电防护中实施综合一体化的水平还不高。传统避雷针、引下线、接地装置组成的泄流通道带来的瞬变雷电流及雷电电磁脉冲经常造成电子设备大规模损坏，新型雷电防护系统除传统直击雷防护外，将以雷电电磁脉冲防护和电路电磁兼容技术为核心，形成立体式、一体化的雷电防护体系。

2）雷电防护中信息化、智能化程度还不高。接闪器、引下线等外部防雷装置经过天长日久的使用极易造成老化与损坏。目前，对防雷装置的管理还是以年检和人工巡检为主，无法保证防雷装置实时运行正常，需要信息化和智能防护手段进行24h×365d不间断监护。

3）雷电防护中缺乏有效监测手段进行安全性分析。在戈壁山川的铁路沿线基站、电力无人值守站等用电场所，雷电防护需要对土壤电阻率、接地电阻值、接闪器、避雷针、防雷器等性能参数做出评估，更需要通过现场的在线监测数据来帮助分析。

鉴于此，本文研究了新型雷电防护在线监测系统，实现雷电预警、雷电信号采集、接闪器发射井控制和并联放电、雷电流分析、SPD智能分析等功能，并对系统内的智能终端设备进行了防雷电路设计和自身防雷能力试验。

1 新型雷电防护在线监测系统技术分析

新型雷电防护监测系统，包括雷电预警仪、新型接闪器、雷电流智能监测仪、SPD智能分析仪等智能监测终端。

1.1 雷电预警仪

1.1.1 雷电预警原理

雷电的本质是雷云中的电荷在不断变化和增加时，电场强度也在不断变化和增强。因此，可以通过监测电场强度的变化，分析它的变化趋势，就可以进行预判是否有雷击的发生。现阶段，常见的雷电预警仪主要有磨盘式、振动式、电子式等动态或固态雷电预警仪，其原理及优势对比见表1。

中科防雷设计的雷电预警仪是基于电荷感应原理，利用接地金属板对电场的屏蔽作用，使另一金属板上的电荷发生周期性变化而形成电流，然后通过检测电流的大小和相位来检测地面静电场强度和极性方向并进行预警预报。雷电预警仪是直接安装在地面上对雷云电荷量（或称大气静电场场强）进行监测，在晴好天气下大气静电场场强为±500V/m，但当暴风雨来临时，大气静电场场强会激增至±15kV以上。大气电场仪就是通过对电场极性变化的探测和分析，以及对一场雷暴过程的不同阶段所发生的电场变化设以门限数值，包括两个特殊门限：在平原或低海拔地区为6kV/m±1kV/m；在中海拔的山区（海拔1000 m～2000m）为10kV/m±2kV/m，就能够实现对暴风雨来临和雷击可能性的预警，具有相当高的安全性和准确性。

表1 磨盘式、振动式、电子式雷电预警器对比表Table 1 Comparison table of grinding disc type, vibration type and electronic Lightning warning device

1.1.2 雷电信号采集电路

雷电信号采集电路如图1所示，包括积分电路、放大电路、电平抬升电路和滤波电路等。

积分电路采用RC积分电路，积分参数可以通过实验进行调整。而考虑雷电流输入信号为±10V，需要将其转换为0V～3.3V的A/D输入电平。因此，还在设计中增加了放大电路进行电平转换。电平抬升电路用于将负电压抬升至正值，以便于AD电路进行采样。由图1可知，电平抬升电路第一级运放的作用是一个减法器，在第一级的输出信号叠加了一个负的直流分量（电平由电源经过电阻分压得到），通过第二级的反向放大后，信号相当于叠加了一个正的直流分量，这样只要输入信号的峰值没超过A/D的测量范围，信号都能准确地被采集。

1.2 新型接闪器技术研究与应用

本文研究的新型接闪器技术主要包括雷电预警仪、接闪器发射井、接闪器等，通过雷电预警仪对雷云天气下大气电场强度等参数的监测，远程控制接闪器发射井，使隐藏在发射井内的接闪器自动升起至设计高度，等待接闪，同时检测雷云所携带电量大小，估算出雷云与接地装置的电势差，并通过公式计算得出并联电压值相对比，通过改变副消雷针与主消雷针之间以及相邻副消雷针之间所形成角度，调整并联电压值，保证电离组件在被雷击状态下，相邻针尖发生并联，避免消雷组件的闪络[2]，同时实现并联后电离单元通流能力和总热容量的相应增加，增强防雷装置的防雷效果，实现了对古建筑物等的雷电防护。

图1 雷电信号采集电路Fig.1 Lightning signal acquisition circuit

图2 接闪器发射井结构示意图Fig.2 Diagram of the transmission well structure of the flashover

1.2.1 接闪器发射井远程控制技术

《旅游景区雷电灾害防御技术规范》（QX/T 264-2015）5.1.3规定：旅游景区内建（构）筑物的防雷措施应符合GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》的要求，并应安装防直击雷的外部防雷装置[3]。古建筑或旅游景区内的古建筑安装外部防雷装置后，破坏了古建筑的美观和整体性。因此，中科防雷设计了安装在发射井内，并能多针自动并联、提前放电的新型接闪器。

接闪器发射井结构示意图如图2所示，包括接闪器、引下线、接地装置、罩体、固定框、活动框等。

发射井隐藏在古建筑地下，接闪器竖直固定在固定基座上，接闪器通过支撑块与固定基座连接稳定，接闪器和接地装置通过引下线连接，形成泄流通道；固定框和活动框为圆弧形，且固定框圆弧半径略大于活动框半径，罩体同时与固定框、活动框的弧形面密封连接。当雷雨来临时，接到控制信号后，活动框可绕转轴转动，从而打开罩体，接闪器从发射井内自动升起至设计高度，使接闪器处于外部环境；当天气晴朗时，罩体关闭，接闪器隐藏在发射井中。

图3 接闪器结构示意图（俯视图）Fig.3 Diagram of the flashover structure (overlooking)

通过接闪器发射井技术，在晴朗天气下，保证了接闪器无需工作的状态下处于内部空间内，减少非工作状态下接闪器由于外界风力、空气以及太阳照射的机械损坏，避免了对古建筑物整体性、美观性的破坏，同时保证了对接闪器的隔离效果，避免电波电磁信号对接闪器的干扰；在雷雨天气下，发射井罩体自动打开、接闪器自动升起，保证了接闪器的正常工作，实现了接闪器的自主式避雷，使古建筑物防雷更加人性化，同时降低了接闪器的损耗，减少接闪器的维修次数，避免因维修造成的古建筑损坏。

1.2.2 接闪器多针自动并联，提前放电技术

接闪器结构示意图（俯视图）如图3所示。

接闪器包括主消雷针、副消雷针、控制组件、底座等，其中，主消雷针竖直设置，副消雷针设置有第一消雷针组和第二消雷针组，每组均有若干消雷针组成，主消雷针、副消雷针均有针尖，针尖尖端均设置为圆锥形或棱锥形，针尖尖端分别再增设若干尖针，可以实现较佳的电离效果，提高接闪器附近电离产生的空间电荷速度；控制组件控制副消雷针与主消雷针之间、相邻副消雷针之间所形成的角度，得到了接闪器较佳的并联电压值，实现副消雷针与主消雷针在受雷击时的自动并联，从而将雷击产生的电流分流[4]。

当建筑物的防雷装置上方出现雷云时，由于静电感应在副消雷针和主消雷针的尖端及附近空间均会有空间电荷积累。当雷云中所携带负电荷量过大，消雷组件尖端及附近的空间电离产生的正电荷数量无法满足与雷云负电荷的快速中和时，雷云产生雷击；雷击瞬间，受击的副消雷针或主消雷针上方的电荷会因中和而突然消失，而其他针体上依旧带有大量电荷，使得受雷击针头和相邻针头之间的电压突然增大达到并联电压值，导致相邻针头之间间隙击穿，从而实现相邻针头之间的自动并联。接闪器局部结构示意图如图4所示。

图4 接闪器局部结构示意图Fig.4 Diagram of local structure of the flashover

接闪器控制组件包括第一环形限位部、第二环形限位部、推动部。其中，第一消雷针组与第一环形限位部活动连接，第二消雷针组与第二环形限位部活动连接，推动部分别控制第一环形限位部和第二环形限位部的高度位置。通过控制第一环形限位部和第二环形限位部的高度，改变副消雷针的聚拢程度，调整副消雷针与主消雷针之间以及相邻副消雷针之间所形成的角度，实现对并联电压值的调节。主消雷针和相邻副消雷针的并联电压值为相邻针头之间间隙击穿时相邻针头之间所需要电压的阈值，U的公式

为[5]：

其中，γ——修正系数，一般取0.25，单位为℃/kPa；P——雷电智能监测控制终端检测到的大气压强，单位为kPa；T——雷电智能监测控制终端检测到的环境温度，单位为℃；H——电离单元的高度，单位为m；HΔ——基准高度，数值一般取1000，单位为m；r1——主消雷针针尖圆弧半径，单位为mm；r2——副消雷针针尖圆弧半径，单位为mm；δ——雷电智能监测控制终端检测到的空气相对密度；α——副消雷针与主消雷针之间的夹角，单位为度；c——副消雷针的长度，单位为mm；d——副主雷针的长度，单位为mm。

并联电压值随环境温度的升高而下降，随设置高度的升高而降低，随大气压强的升高而升高；主消雷针针尖圆弧半径和副消雷针针尖圆弧半径越小，说明主消雷针和副消雷针的针尖越尖锐，针尖上聚集的电荷越密集，造成针尖的电场增强，致使并联电压值降低；通过调节主消雷针和相邻副消雷针之间的夹角，改变主消雷针和副消雷针的针尖之间的距离，当夹角越小，并联电压值越低。

图5 雷电流智能监测仪原理框图Fig.5 Principle block diagram of lightning current intelligent monitor

由于自动并联使电流分流，接闪器的总体电阻随电流的增加而逐级下降，使得接闪器总等值电阻占雷电通道总电阻（含弧道电阻及电离单元的电阻）的比例减小，接闪器所承受的电压也随之减小，实现副消雷针与主消雷针上的压降不超过主消雷针和副消雷针的沿面闪络电压，避免消雷组件的闪络，同时实现并联后电离单元通流能力和总热容量的相应增加。

1.3 雷电流智能分析仪

雷电流智能分析仪基于罗氏线圈传感器技术准确还原雷击的峰值、极性、能量。在线测试、无需自检、实时监测，采用RS485有线、无线通讯、GPRS无线通讯传输数据，实现远程在线监测。雷电流智能分析仪原理框图如图5所示。

其包括雷电流传感器、电磁传感器、电压测量器、控制箱和报警装置等。雷电流传感器为罗氏线圈型冲击电流传感器，电压测量器包括耦合电容和调节电路，电流传感器、电压测量器和电磁传感器都与单片机的输入引脚连接，单片机的输出引脚连接报警装置，报警装置包括闪光灯和扬声器。

罗氏线圈原理图如图6所示。雷电流所产生的磁场是一个快速变化的磁场，罗氏线圈基于电磁感应法将大电流转化为低电压来测量，并通过一个对输出的电压信号进行积分的电路，真实还原输入电流。

通过雷电流智能监测仪软件可以实时显示被测雷电流峰值、能量、极性次数、时间，可以设置报警短信通知，划分站点维护人员报警信息接收，记录数据自动存储报表，方便历史查询、分析监测点雷击情况。

1.4 SPD智能监测仪

SPD智能监测仪结构示意图如图7所示。其电压传感器和电流传感器对三相线路的电压和电流进监测。当空气开关闭合时，闸刀就会压在压力传感器上，跳闸时，压力传感器就会检测到变化，做到实时监测；漏电电流采集器则防止电源SPD漏电，当出现问题时，警示灯就会亮，而且，所有检测的量均通过无线发射器和无线收发器发送到监控室，显示在显示屏上，警示灯亮的时候，警报装置工作，提醒工作人员注意，摄像头则对整体进行拍摄，做到画面实时传递。因此，整个装置很好地对电源SPD进行在线监测[6]。

图6 罗氏线圈原理图Fig.6 Schematic diagram of Roche coil

图7 SPD智能监测仪结构示意图Fig.7 Schematic diagram of SPD intelligent monitor structure

SPD漏电流采样电路如图8所示。流过防雷器的漏电流经过精密取样电阻后，会在精密电阻两端产生电压，将精密电阻两端的电压通过集成电路U1做整流及电压跟随，将集成电路U1的输出电压送入U2的输入端，通过U2一级运算放大器将电压信号放大为0V～5V的电压信号，再将0V～5V电压信号送给12路模拟量电压采集模块的一路输入端，通过电压采集电路将0V～5V的信号转化后，通过RS485总线传送给上位机显示。

2 智能监测终端的自身防雷设计和测试

2.1 智能监测终端的自身防雷设计

基于物联网的发展，催生智能硬件产业蓬勃发展，但大多智能终端设备均缺乏防雷设计，不具备防雷能力。

智能终端设备电源及RS-485通信模块，均需通过自恢复保险丝、陶瓷气体放电管、压敏电阻和TVS等防雷击电路接入到采集模块。共性的电源防雷电路如图9所示。

电源输入/输出部分的元件名称及功能见表2。

图8 SPD漏电流采样电路Fig.8 SPD Leakage current sampling circuit

图9 电源防雷电路Fig.9 Power lightning protection circuit

表2 电源输入/输出部分的元件名称及功能Table 2 Component name and function of the power input/output section

2.2 智能监测终端的防雷能力试验

图10 90KA冲击电流试验波形Fig.10 90KA Impact current test waveform

智能终端设备的防雷能力测试（8/20冲击电流试验）试验，即检验智能终端设备、器件、材料在快速变化的大电流作用下的电性能。冲击电流试验采用的试验电流波形可以是单极性的，也可以是振荡形的，以分别模拟雷闪放电产生的雷电冲击电流或电力系统操作开关时产生的操作冲击电流。本试验采用不同的冲击电流对智能终端设备进行测试，测试出被测设备能够耐受雷电冲击电流的能力，以此确定被检设备的防雷能力是否满足实际应用要求。

图10为冲击电流为90KA试验波形图，图中桔黄色曲线为冲击电流波形曲线。将被测设备的火线和零线接入测试系统（左图为通过试验系统的去耦网络为被测设备加220V工频电压，右图没有加工频电压），依次加大试验冲击电流的电流值，观察并记录被测设备的状况是否正常。

通过对智能终端设备的电路设计改造，本系统涉及的智能终端设备均具有Imax(8/20μs) 100kA的防雷能力。