防雷設施智能監測系統設計

魏 欣，王思維，尚子涵，屠 曦

(南京信息職業技術學院，江蘇 南京 210023)

0 引言

我國是雷電高發國家，每年因雷電都會造成數百人的傷亡和上億元的經濟損失。國家規定建筑物必須裝配防雷設施。安裝了防雷設施是不是能夠持續保證安全呢？答案是不能的。因為防雷設施是有使用壽命的，會老化甚至失效。例如，2021年5月6號晚,黑龍江幸福村70戶村民家中因為避雷針和接地體的腐蝕老化，雷電流泄放效果減弱，而遭受雷擊，財產受損，多人受傷。2018年，新疆某變電站就因為沒有做好防雷裝置日常維護，在年檢空窗期，沒有發現問題，及時更換問題裝置，引發變電柜著火，經濟損失高達1 000余萬元。

1 研究現狀

防雷裝置維護通常采用人工巡檢方式。該方式檢測費用高，并且需停電檢測，會給用戶帶來間接經濟損失。人工方式缺少電子檔案管理，不能準確記錄防雷設施的安裝位置和維保情況，存在巡檢盲區，有安全隱患。前面講的新疆變電站事故就是因為存在巡檢盲區而引發的[1]。

目前，隨著防雷設施在線監測市場的逐漸興起，單個產品檢測的內容有限，如果對整個防雷設施進行全部監測的話，需要多個監測設備配合。一般情況下用戶配電箱的安裝空間是有限的，由于產品集成度不高，很多場合無法安裝[2]。同時，產品的智能化程度不高，只有監測功能，缺少壽命預測功能，無法及時提醒用戶更換設備，存在安全隱患。目前的設備無雷電預警功能，雷擊前無法提示用戶做好防雷準備。90%的建筑物都會在地下埋設防雷設施，施工完成后無法用肉眼觀測老化情況，目前的在線監測設備也無法檢測。

2 系統方案

針對以上問題，本文開發了防雷設施智能監測系統。該系統由監測平臺以及接地監測器和防雷監測器兩個硬件產品共同組成，如圖1所示。硬件產品直接安裝在每個樓宇的樓層配電柜和房間配電箱中，對防雷設施狀態進行實時監測，硬件設備能將數據上傳至監控中心，對數據進行分析和展示，進行防雷產品壽命預測和雷電預警。

圖1 防雷設施智能監測系統

2.1 微元分割智能接地監測技術

將接地網的網絡抽象為一個矩形線圈，如圖2所示。線圈上方空間任意一點G處的磁場強度計算公式如下所示：

圖2 矩形線圈空間磁場計算示意

式中W值為空間G點到地下接地網格的垂直距離，A和B的值為地下接地網格的長和寬，X值為空間G點距離地下接地網格X軸邊的距離，Y值為空間G點距離地下接地網格Y軸邊的距離。通過仿真分析后可以看到：對于地下接地網格，通電后激發出的空間磁場形狀呈馬鞍形，如圖3所示。越靠近通電網格線附近，產生的空間磁場強度越大。

圖3 矩形線圈空間磁場仿真

空間磁場檢測法不僅可以判斷出接地網格的位置，而且可以通過檢測的磁場強度的大小判斷出流過導體電流值的大小。空間磁場的檢測不僅能夠找出測試區域中接地網的實際位置，還可以根據測量值的大小將可測子網絡分割出來，無需依賴任何施工圖紙，大大提高了檢測的效率和精度。監測技術能通過測量地下接地體在地面產生的磁場，分析判斷地下接地體的老化情況，很好地解決了埋于地下的防雷設施檢測問題，檢測速度快，精度高，無需停電[3-4]。根據該技術開發的接地監測產品通過了江蘇省電子信息產品質量監督檢驗研究院的質量檢測，各項指標均符合國家標準。

2.2 泄漏電流檢測傳感器

安裝在配電線路的浪涌保護器一般使用氧化鋅壓敏材料，由于壓敏電阻性能的劣化，會導致溫度升高，引起壓敏電阻熱崩潰，從而導致漏電流增大且防護功能失效，嚴重時可能發生器件爆炸、起火[5]。壓敏電阻的漏電流指標是表征浪涌保護器是否合格的重要指標。根據生產工藝的不同，壓敏電阻初始漏流指標可為3～20 μA電流。本文設計的微電流檢測電路如圖4所示，可以準確地測量微安級電流，精度達到1 μA。

圖4 微安級電流測量電路

3 實踐驗證

為了驗證產品穩定性和可靠性，項目團隊在實驗室進行了多次雷擊實驗，并在南京云凱防雷科技股份有限公司、南京大政汽車銷售服務有限公司、南京紫東物業管理有限公司等5家客戶布置500多個監測點，進行試用。客戶反饋：(1)施工方便，線路改造工程量小；(2)檢測數據準確、效率高；(3)實現了電子化管理，節約了人工成本；(4)具有壽命預測功能，方便運維。

4 結語

國家規定要做好防雷裝置的日常維護工作。特別是關系國計民生的通信、電力、石油化工等基礎行業，防雷設施的維護是剛性需求。因此，國內每年防雷設施維護市場規模達到400億元。本文設計的防雷設施智能檢測系統集成度高，檢測時間短，測量范圍寬，適用環境廣，安裝簡便，價格適中，具有良好的市場推廣前景。