机场防雷智能在线监测系统设计与应用

陈 伟

(上海电科臻和智能科技有限公司,上海 201401)

0 引 言

目前,随着智能信息系统的应用,机场基础建设也随之提高。机场由原来的数字机场结合信息技术的应用转型至智慧机场,其更高效的传感器、通信设备应用对耐压要求越来越高,造成系统更容易遭受雷电波入侵,导致设备损坏。为此,需要建立可追溯的智能化监控平台,实现远程控制及数据统计等多元管理任务,将被动性的防雷保护提升为可视化、主动性的智能防雷网络。

1 机场基本信息及雷击危害性

1.1 基本信息

机场其地理位置于空旷地带,按GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》[1]划分为第二类防雷建筑物,其根据雷电活动频率和灾害的严重程度,按GB 50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》[2]第3.1.2条规定划分为中雷区。该区域易遭受雷击,对其设备和人员有较大的危害。

1.2 雷击危害性

机场具有运输密度大、人员密集、安全等级要求高等特点,现场配备大量的机电、通信、监控等电气、电子设备,如受到雷击脉冲(过电压)的入侵会直接导致设备故障,威胁机场的安全运行,引发巨大的人身安全事故和财产损失,可按区域进行有效的防雷监控规划设计。

各子系统失效分析如表1所示。

表1 各子系统失效分析

2 雷电防护提升

目前,各防雷系统所采用的监测管理手段相对落后,维护的智能化管理程度低,没有一个系统性的监测和报警系统软件平台,无法做到实时监测。机场配电设备具有种类多、设备分布广泛、零星分散等特点,如雷电防护装置、接地装置等因雷击后或年久失效不能及时反馈到用户单位的管理人员,给用户带来安全隐患,存在感应雷、雷电波侵入和雷电电磁脉冲(LEMP)侵害的风险。为此,需要一款实时在线监测的防雷保护系统应用到智慧机场的场所中,可实时监测各点、各区域的防雷保护装置的工作状态和运行状态,并能提前预警、告警和数据存储。

3 机场防护区域

依据各个行业标准及民航MH/T 7003—2017[3]标准对机场建设4个区域(公共区、航站楼、飞行区、周界)提出智慧机场雷电防护在线监测系统解决方案。该系统有效对4个区域的外部防雷和内部防雷装置进行在线监测、管控,并提前预警雷电发生和防雷防护装置的使用寿命情况。通过大数据,云服务平台建议可视化,主动性以预防为主的智能防雷网络,从而保护设备的正常运行和保障飞行安全。

4 防雷智能在线监测系统的设计方案

4.1 防雷智能在线监测系统构架

监控系统构架采用多层次的应用方式,即硬件层、网络层与用户层;可自由组网,实现人机交互的应用平台。系统构架如图1所示。

图1 系统构架

(1)硬件层。硬件层主要有防雷器、雷电峰值检测器、雷击环境检测器、接地电阻在线检测仪。防雷器包括电源型防雷器、信号型防雷器,这些产品分别对应配电系统、信号系统设备,主要防止设备遭受雷击和电涌事故的发生。雷击环境检测器为智能采集终端,安装在相应的防雷器旁,计算使用寿命和现场数据采集,并将相关数据进行远程传输。接地电阻在线检测仪为接地电阻检测终端,实时监测其地网运行状态及阻值大小。

(2)网络层:智能网关。智能网关作为中间层的转换模块,其主要功能为把分散各处的硬件模块现场集中采集,并同时远传至用户层(上位机),完成本地和监控中心之间的数据交互。

(3)用户层:人机交互平台。设有高性能工业计算机、显示器、UPS电源、打印机等设备。监控系统通过“防雷智能在线监测系统”显示各个板块采集的相关数据。用户可在一定范畴内按现场实际需求,对功能、管控项目属性、数量进行调整。

平台功能构架如图2所示。

图2 平台功能构架

4.2 防雷智能在线监测系统功能

监控系统主要对机场各个区域防雷装置的使用状况进行实时监控,根据采集信息化分电网环境、雷电环境、防雷器、接地4大类数据,并集中采集管控、存储和分析,对防雷器的全生命周期“健康状态”预报警。所有设备采用分区域管理,使用Modbus通信协议,支持多种类通信传输方式(RS-485/以太网等),合理地采用串口服务器、光纤设备进行组网,可将数据传送至控制平台显示。

防雷智能在线监测系统主要功能如下。

(1)环境数据采集:电压、电流、温/湿度等。

(2)雷电数据采集:雷击峰值、雷击极性、雷击次数、雷击发生时间记录等。

(3)防雷器数据采集:SPD剩余电流大小、后备保护器状态、SPD劣化状态、寿命预警等。

(4)接地数据采集:实时测量建筑物的接地电阻值和接地回路连接状态,并可设置上、下限报警范围值,及时发现接地装置电阻过高、断开等故障,以保证设备与地良好的连接。

(5)监控范围:航站楼、生活区、周界、油库等。

4.3 防雷智能在线监测系统的应用

防雷智能在线监测系统可对直击雷、感应雷、接地电阻和SPD进行实时在线监测、动态监管,构建事前跟踪、事中防范、事后查处的全过程监管体系,逐步构建“全域互通、提前预警、实时响应”的监管闭环。

现场环境实施示意图如图3所示。

图3 现场环境实施示意图

(1)户外:直击雷监测。在航管楼及周界装有接闪器引下线的位置安装雷电峰值检测器。对接闪器受到雷击的能量、次数、时间进行实时监测,并通过人机交互界面将这些数据按点、时间段进行记录、存储,提取数据进行分析。

(2)户外:接地电阻监测。在航管楼周边、接闪器的接地位置各安装一套接地电阻检测仪,实时监测引下线和楼层接地回路至接地装置的接地电阻值。

(3)内部防护:SPD在线监测(配电房、视频监控)。① 电源部分:在航管楼、公共区、油库和机房配电、动力、照明箱中按GB 50343—2012标准,采用区域划分、分级保护等特性增加智能监测终端(其包含后备保护器(SCB)+电源防雷器(SPD)、雷击环境检测器),且防雷器容量需符合相应的等级划分要求。② 信号部分:在航管楼、生活区、油库区域重要的网络控制设备串联SPD,根据接口选择RJ45或端子类型的产品。当设备因雷击保护失效后可远程操作,方便后期维护、更换。

5 结 语

防雷智能在线监测系统的应用提高用户对现场防雷保护装置的监控和管理,更好地预防每年因雷击事故造成的设备损坏、人员伤亡和火灾事故等情况。由于软件平台针对区域划分后可精确定位,并通过全生命周期计算方式判断防雷保护设备的损毁情况,给检修人员节省查询时间,最大限度地减少雷电灾害给机场造成的损失。