防雷设施智能监测系统设计

2022-11-21王思维尚子涵

无线互联科技 2022年18期

魏欣，王思维，尚子涵，屠曦

(南京信息职业技术学院，江苏南京 210023)

0 引言

我国是雷电高发国家，每年因雷电都会造成数百人的伤亡和上亿元的经济损失。国家规定建筑物必须装配防雷设施。安装了防雷设施是不是能够持续保证安全呢？答案是不能的。因为防雷设施是有使用寿命的，会老化甚至失效。例如，2021年5月6号晚,黑龙江幸福村70户村民家中因为避雷针和接地体的腐蚀老化，雷电流泄放效果减弱，而遭受雷击，财产受损，多人受伤。2018年，新疆某变电站就因为没有做好防雷装置日常维护，在年检空窗期，没有发现问题，及时更换问题装置，引发变电柜着火，经济损失高达1 000余万元。

1 研究现状

防雷装置维护通常采用人工巡检方式。该方式检测费用高，并且需停电检测，会给用户带来间接经济损失。人工方式缺少电子档案管理，不能准确记录防雷设施的安装位置和维保情况，存在巡检盲区，有安全隐患。前面讲的新疆变电站事故就是因为存在巡检盲区而引发的[1]。

目前，随着防雷设施在线监测市场的逐渐兴起，单个产品检测的内容有限，如果对整个防雷设施进行全部监测的话，需要多个监测设备配合。一般情况下用户配电箱的安装空间是有限的，由于产品集成度不高，很多场合无法安装[2]。同时，产品的智能化程度不高，只有监测功能，缺少寿命预测功能，无法及时提醒用户更换设备，存在安全隐患。目前的设备无雷电预警功能，雷击前无法提示用户做好防雷准备。90%的建筑物都会在地下埋设防雷设施，施工完成后无法用肉眼观测老化情况，目前的在线监测设备也无法检测。

2 系统方案

针对以上问题，本文开发了防雷设施智能监测系统。该系统由监测平台以及接地监测器和防雷监测器两个硬件产品共同组成，如图1所示。硬件产品直接安装在每个楼宇的楼层配电柜和房间配电箱中，对防雷设施状态进行实时监测，硬件设备能将数据上传至监控中心，对数据进行分析和展示，进行防雷产品寿命预测和雷电预警。

图1 防雷设施智能监测系统

2.1 微元分割智能接地监测技术

将接地网的网络抽象为一个矩形线圈，如图2所示。线圈上方空间任意一点G处的磁场强度计算公式如下所示：

图2 矩形线圈空间磁场计算示意

式中W值为空间G点到地下接地网格的垂直距离，A和B的值为地下接地网格的长和宽，X值为空间G点距离地下接地网格X轴边的距离，Y值为空间G点距离地下接地网格Y轴边的距离。通过仿真分析后可以看到：对于地下接地网格，通电后激发出的空间磁场形状呈马鞍形，如图3所示。越靠近通电网格线附近，产生的空间磁场强度越大。

图3 矩形线圈空间磁场仿真

空间磁场检测法不仅可以判断出接地网格的位置，而且可以通过检测的磁场强度的大小判断出流过导体电流值的大小。空间磁场的检测不仅能够找出测试区域中接地网的实际位置，还可以根据测量值的大小将可测子网络分割出来，无需依赖任何施工图纸，大大提高了检测的效率和精度。监测技术能通过测量地下接地体在地面产生的磁场，分析判断地下接地体的老化情况，很好地解决了埋于地下的防雷设施检测问题，检测速度快，精度高，无需停电[3-4]。根据该技术开发的接地监测产品通过了江苏省电子信息产品质量监督检验研究院的质量检测，各项指标均符合国家标准。

2.2 泄漏电流检测传感器

安装在配电线路的浪涌保护器一般使用氧化锌压敏材料，由于压敏电阻性能的劣化，会导致温度升高，引起压敏电阻热崩溃，从而导致漏电流增大且防护功能失效，严重时可能发生器件爆炸、起火[5]。压敏电阻的漏电流指标是表征浪涌保护器是否合格的重要指标。根据生产工艺的不同，压敏电阻初始漏流指标可为3～20 μA电流。本文设计的微电流检测电路如图4所示，可以准确地测量微安级电流，精度达到1 μA。

图4 微安级电流测量电路

3 实践验证

为了验证产品稳定性和可靠性，项目团队在实验室进行了多次雷击实验，并在南京云凯防雷科技股份有限公司、南京大政汽车销售服务有限公司、南京紫东物业管理有限公司等5家客户布置500多个监测点，进行试用。客户反馈：(1)施工方便，线路改造工程量小；(2)检测数据准确、效率高；(3)实现了电子化管理，节约了人工成本；(4)具有寿命预测功能，方便运维。