智能防雷體系關鍵技術的研究與應用

劉世宇

摘要：本文分析了由雷暴探測預警預報、接閃器自啟動引雷、供電線路雙回路智能切換、防雷裝置智能在線監測技術組成的智能防雷體系，將云計算、移動互聯網和物聯網技術引入到雷電綜合防護措施中，實現智能防雷。

關鍵詞：雷暴探測；防雷裝置在線監測；智能防雷

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）11-0067-02

1 研究背景

雷電是自然大氣中的超長距離強放電過程，因其強大的電流、炙熱的高溫、猛烈的沖擊波以及強烈的電磁輻射等效應而能在瞬間產生強大的破壞作用。其是“聯合國減災十年”公布的影響人類活動的嚴重災害之一，也被稱為“電子時代的一大公害”。隨著經濟發展和“互聯網+”、物聯網的快速發展，雷電災害的監測、預警和防御越來越受到重視。

2 研究內容

智能防雷體系關鍵技術的研究，主要是將云計算、移動互聯網和物聯網技術引入到雷電綜合防護措施中，并通過軟件系統及硬件系統的集成，開展特定區域雷電預警預報、智能化“主動化”防雷以及防雷措施在線智能化監測，將防雷減災上升到“主動預防”范疇，實現智能防雷[1]。

2.1 雷暴探測預警預報技術

我們知道，雷電是由雷雨云中的電荷達到一定的數量時，在云內不同部位之間或云與地面之間就形成了很強的電場，當電荷積聚到一定程度時，就會在云與云之間或云與地之間發生放電現象，即雷電的發生來源于雷云內部的電荷累積。由于雷擊現象源于雷云內部的大量電荷累積，因此大氣電場場強變化代表了雷云電荷累積程度。雷暴云帶電并聚集，對地產生強電場，金屬在電場力的作用下產生感應電荷，根據靜電屏蔽原理，電機帶動金屬轉子周而復始以固定轉速（頻率）屏蔽/非屏蔽金屬定子，金屬定子被金屬轉子屏蔽瞬間產生微電流I，測量微電流I，推算電場強度E。大氣電場強度監測原理圖如圖1所示。

在雷雨云來臨時，大氣電場強度會發生變化，通過監測雷雨云中強電荷的極性、強度、分布及其發展演變，對雷電災害發生時間、方位、強度、移向等進行提前預測是可行的。在氣象領域，對于雷暴的監測手段，分為間接監測和直接監測兩種，間接監測的方法包括了多普勒雷達、氣象衛星云圖等；而直接監測手段則主要是大氣電場儀、雷電定位系統等。在上述系統中，大氣電場儀是唯一針對雷電發生的最根本因素-雷云電荷量（或稱為大氣電場場強）進行監測的系統；能夠通過對電場強度、電荷極性變化的探測和分析，實時地監測本地雷云變化，并對可能造成雷擊危險的大氣電場變化加以識別和預警。

本文研究的雷暴探測預警預報技術由雷電預警預報產品生成、人機交互決策以及雷電預警預報產品發布三大部分組成。（1）雷電預警預報產品生成。根據雷電預警預報方法，使用計算機、數據庫、圖形處理等技術編制應用軟件，自動滾動生成多種雷電預警預報產品。（2）人機交互決策。上述產品運用計算機網絡技術自動上網，供系統使用。預報員根據本地地形等特征，對預報產品進行訂正，作出雷電預報結果，并根據雷電預報等級，發布雷電警報。（3）雷電預警預報產品發布。雷電預警預報產品除了通過WEB服務發布外，還可以通過短信專用平臺發布。WEB服務主要服務于技術管理人員，向專業用戶提供服務。短信專用平臺主要面向廣大的企事業領導層、管理層，特別是及時向廣大群眾發布雷電預警信號。

2.2 接閃器自啟動引雷技術

接閃器自啟動引雷技術的核心是升降式接閃器（避雷針）設計。自動升降接閃器主要由接閃器、自動升降裝置、接地裝置等組成。主要工作原理是：當雷電預警系統報警，在該區域有可能發生雷電活動時，自動升降避雷針裝置開始工作，避雷針自動升高到原來的設計高度，對保護范圍內的被保護對象起到保護作用，當雷雨云消失或電場減弱到一定范圍，雷電預警系統取消報警，升高的避雷針降到原位。自動升降接閃器時無須專人配合，全部由機電一體化控制接閃器的升降、限位、鎖緊、密封。

2.3 供電線路雙回路智能切換技術

供電線路雙回路智能切換技術采用的是電氣搭建的電源切換系統，實現提前切換電源，斷開市電，防止遭受雷擊，保護數據，保證設備安全；雷擊前關閉可以暫時關閉的設備，避免經濟損失；自動切換電源、遠程手動切換電源、就地切換電源。當雷云逐漸形成的時候，本系統將自動切斷市電，這時候UPS將供電，當雷云逐漸消散的時候，本系統又自動將開關合閘，恢復市電，這樣就成功的完成了一次雷暴的躲避。本系統還支持遠程的分合閘操作，工作人員可以根據實際情況的需要來選擇開關狀態，從軟件上操作分合閘時，大氣電場儀的自動切換報警功能將自動屏蔽。

2.4 防雷裝置智能在線監測技術

防雷裝置智能在線監測技術通過物聯網與云存儲技術的結合，提供防雷與其他環境在線監測。防雷裝置智能在線監測技術主要監測接地電阻、雷電流、SPD等。該技術能夠采集到接地電阻阻值、雷擊能量、強度、雷擊次數、雷擊的極性、雷擊時間、SPD漏流、空氣開關狀態等數據[2]。

2.4.1 接地電阻在線監測

接地電阻在線監測的基本原理是測量回路電阻。接地電阻在線監測原理圖如圖2所示。

傳感器由電壓線圈與電流線圈組成，電壓線圈先給被測接地回路一個激勵脈沖信號，在被測回路上感應一個脈沖電勢E，在電勢E的作用下將在被測回路產生電流I。傳感器分別對E及I進行測量，并通過公式：R=E/I 即可得到被測回路電阻。其可以在線監測接地引下線的連接狀況、回路接地電阻、金屬回路連接電阻，可實現在線測試、非接觸測量、實時監測的功能。配有LCD液晶顯示屏的型號產品可在現場直接查看接地電阻監測值，并通過按鍵設置接地電阻監測報警的上限值，監測值超標時采用聲光兩種方式報警。

2.4.2 SPD在線監測

SPD在線監測的主要是浪涌保護器（SPD）劣化程度、浪涌保護器（SPD）遙信、浪涌保護器（SPD）動作次數、空氣開關狀態、三相電壓、環境溫濕度。SPD在線監測現場安裝圖如圖3所示。endprint

（1）SPD漏流監測：采用μA級漏流傳感器。這是一種利用零磁通電磁感應原理將被測交流漏電流（小電流）轉換成按比例輸出的電壓或電流信號的測量模塊，具有高精確度、高線性度、高集成度、體積小結構簡單、長期工作穩定且適應各種工作環境的特點。（2）SPD遙信監測：SPD脫扣裝置脫扣時會帶動遙信告警開關動作，SPD智能分析儀內的單片機檢測到遙信告警開關量狀態變化后會報警提示SPD失效。（3）浪涌保護器（SPD）動作次數監測：配有雷擊次數傳感器（電流互感器），當SPD動作時，分析儀內的單片機檢測到雷擊次數傳感器感應到的電流值，經過判斷后確定是否計數一次。（4）空氣開關狀態監測：通過單片機檢測空開端的輸出電壓值（模擬量）來判斷空開是否跳閘。（5）三相電壓監測：這部分功能的實現主要是通過電流型電壓互感器、三相電能專用計量芯片ATT7022及單片機實現。

2.4.3 雷電流在線監測

雷電流在線監測是基于羅氏線圈傳感器技術精確還原雷擊峰值、極性、能量，可以在線監測1路雷電流的峰值、極性、能量及雷擊發生時間、次數數據，并在雷擊發生后及時報警。雷電流監測是采用柔性羅氏線圈檢測雷電流數據，通過測量電流的互感器，輸出信號是電流對時間的微分，這個微分信號通過一個積分器，就可以真實再現被測電流。

2.4.4 防雷裝置智能在線監測系統集成

防雷裝置智能在線監測技術可以實現多通道的、遠程的、高精度的雷電防護在線監測，獲得接地電阻、雷電流波形的真實情況，同時反饋生產場所的電壓、電流、濕度等情況，超過正常值立即報警，提升安全管理水平。

3 結語

由雷暴探測預警預報、接閃器自啟動引雷、供電線路雙回路智能切換、防雷裝置智能在線監測技術組成的智能防雷體系關鍵技術，代表著當今防雷行業最領先的防雷理念與技術水平，可以廣泛用于通信、電力、石油、化工等行業的雷電防護項目中，市場前景廣闊。

參考文獻

[1]王海光，李軍.雷電預警技術在通信站防雷的應用實踐[J].電力系統通信，2012，（2）：38-41.

[2]石敏，張高記，呂建東.基于信息化的通信機房雷電防護管理模式[J].西安郵電大學學報，2013，（4）：18-20.

Abstract：This paper analyzes the detection by the thunderstorm warning， lightning arrester lightning since the start of the power supply line， double loop intelligent switch， lightning protection device of intelligent on-line monitoring technology of intelligent lightning protection system， cloud computing， mobile Internet and networking technology into integrated lightning protection measures， implementation of intelligent lightning protection.

Key Words：thunderstorm detection； lightning protection device on-line monitoring； intelligent lightning protectionendprint