新型雷電防護在線監測系統的研究與應用

劉世宇，高攀亮

（1.寧夏中科天際防雷股份有限公司 寧夏企業技術中心，銀川 750002；2.寧夏中科天際防雷研究院有限公司，銀川 750002）

0 引言

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、制熱的高溫、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破壞作用。因此，雷電災害是“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”[1]。隨著微電子設備和大規模集成電路的廣泛應用，用傳統的雷電防護方法并不能減少微電子系統設備的雷擊損害，現有技術中并沒有一套較完善的防護系統來減少雷擊造成的損害，主要表現在以下方面：

1）雷電防護中實施綜合一體化的水平還不高。傳統避雷針、引下線、接地裝置組成的泄流通道帶來的瞬變雷電流及雷電電磁脈沖經常造成電子設備大規模損壞，新型雷電防護系統除傳統直擊雷防護外，將以雷電電磁脈沖防護和電路電磁兼容技術為核心，形成立體式、一體化的雷電防護體系。

2）雷電防護中信息化、智能化程度還不高。接閃器、引下線等外部防雷裝置經過天長日久的使用極易造成老化與損壞。目前，對防雷裝置的管理還是以年檢和人工巡檢為主，無法保證防雷裝置實時運行正常，需要信息化和智能防護手段進行24h×365d不間斷監護。

3）雷電防護中缺乏有效監測手段進行安全性分析。在戈壁山川的鐵路沿線基站、電力無人值守站等用電場所，雷電防護需要對土壤電阻率、接地電阻值、接閃器、避雷針、防雷器等性能參數做出評估，更需要通過現場的在線監測數據來幫助分析。

鑒于此，本文研究了新型雷電防護在線監測系統，實現雷電預警、雷電信號采集、接閃器發射井控制和并聯放電、雷電流分析、SPD智能分析等功能，并對系統內的智能終端設備進行了防雷電路設計和自身防雷能力試驗。

1 新型雷電防護在線監測系統技術分析

新型雷電防護監測系統，包括雷電預警儀、新型接閃器、雷電流智能監測儀、SPD智能分析儀等智能監測終端。

1.1 雷電預警儀

1.1.1 雷電預警原理

雷電的本質是雷云中的電荷在不斷變化和增加時，電場強度也在不斷變化和增強。因此，可以通過監測電場強度的變化，分析它的變化趨勢，就可以進行預判是否有雷擊的發生。現階段，常見的雷電預警儀主要有磨盤式、振動式、電子式等動態或固態雷電預警儀，其原理及優勢對比見表1。

中科防雷設計的雷電預警儀是基于電荷感應原理，利用接地金屬板對電場的屏蔽作用，使另一金屬板上的電荷發生周期性變化而形成電流，然后通過檢測電流的大小和相位來檢測地面靜電場強度和極性方向并進行預警預報。雷電預警儀是直接安裝在地面上對雷云電荷量（或稱大氣靜電場場強）進行監測，在晴好天氣下大氣靜電場場強為±500V/m，但當暴風雨來臨時，大氣靜電場場強會激增至±15kV以上。大氣電場儀就是通過對電場極性變化的探測和分析，以及對一場雷暴過程的不同階段所發生的電場變化設以門限數值，包括兩個特殊門限：在平原或低海拔地區為6kV/m±1kV/m；在中海拔的山區（海拔1000 m～2000m）為10kV/m±2kV/m，就能夠實現對暴風雨來臨和雷擊可能性的預警，具有相當高的安全性和準確性。

表1 磨盤式、振動式、電子式雷電預警器對比表Table 1 Comparison table of grinding disc type, vibration type and electronic Lightning warning device

1.1.2 雷電信號采集電路

雷電信號采集電路如圖1所示，包括積分電路、放大電路、電平抬升電路和濾波電路等。

積分電路采用RC積分電路，積分參數可以通過實驗進行調整。而考慮雷電流輸入信號為±10V，需要將其轉換為0V～3.3V的A/D輸入電平。因此，還在設計中增加了放大電路進行電平轉換。電平抬升電路用于將負電壓抬升至正值，以便于AD電路進行采樣。由圖1可知，電平抬升電路第一級運放的作用是一個減法器，在第一級的輸出信號疊加了一個負的直流分量（電平由電源經過電阻分壓得到），通過第二級的反向放大后，信號相當于疊加了一個正的直流分量，這樣只要輸入信號的峰值沒超過A/D的測量范圍，信號都能準確地被采集。

1.2 新型接閃器技術研究與應用

本文研究的新型接閃器技術主要包括雷電預警儀、接閃器發射井、接閃器等，通過雷電預警儀對雷云天氣下大氣電場強度等參數的監測，遠程控制接閃器發射井，使隱藏在發射井內的接閃器自動升起至設計高度，等待接閃，同時檢測雷云所攜帶電量大小，估算出雷云與接地裝置的電勢差，并通過公式計算得出并聯電壓值相對比，通過改變副消雷針與主消雷針之間以及相鄰副消雷針之間所形成角度，調整并聯電壓值，保證電離組件在被雷擊狀態下，相鄰針尖發生并聯，避免消雷組件的閃絡[2]，同時實現并聯后電離單元通流能力和總熱容量的相應增加，增強防雷裝置的防雷效果，實現了對古建筑物等的雷電防護。

圖1 雷電信號采集電路Fig.1 Lightning signal acquisition circuit

圖2 接閃器發射井結構示意圖Fig.2 Diagram of the transmission well structure of the flashover

1.2.1 接閃器發射井遠程控制技術

《旅游景區雷電災害防御技術規范》（QX/T 264-2015）5.1.3規定：旅游景區內建（構）筑物的防雷措施應符合GB50057-2010《建筑物防雷設計規范》的要求，并應安裝防直擊雷的外部防雷裝置[3]。古建筑或旅游景區內的古建筑安裝外部防雷裝置后，破壞了古建筑的美觀和整體性。因此，中科防雷設計了安裝在發射井內，并能多針自動并聯、提前放電的新型接閃器。

接閃器發射井結構示意圖如圖2所示，包括接閃器、引下線、接地裝置、罩體、固定框、活動框等。

發射井隱藏在古建筑地下，接閃器豎直固定在固定基座上，接閃器通過支撐塊與固定基座連接穩定，接閃器和接地裝置通過引下線連接，形成泄流通道；固定框和活動框為圓弧形，且固定框圓弧半徑略大于活動框半徑，罩體同時與固定框、活動框的弧形面密封連接。當雷雨來臨時，接到控制信號后，活動框可繞轉軸轉動，從而打開罩體，接閃器從發射井內自動升起至設計高度，使接閃器處于外部環境；當天氣晴朗時，罩體關閉，接閃器隱藏在發射井中。

圖3 接閃器結構示意圖（俯視圖）Fig.3 Diagram of the flashover structure (overlooking)

通過接閃器發射井技術，在晴朗天氣下，保證了接閃器無需工作的狀態下處于內部空間內，減少非工作狀態下接閃器由于外界風力、空氣以及太陽照射的機械損壞，避免了對古建筑物整體性、美觀性的破壞，同時保證了對接閃器的隔離效果，避免電波電磁信號對接閃器的干擾；在雷雨天氣下，發射井罩體自動打開、接閃器自動升起，保證了接閃器的正常工作，實現了接閃器的自主式避雷，使古建筑物防雷更加人性化，同時降低了接閃器的損耗，減少接閃器的維修次數，避免因維修造成的古建筑損壞。

1.2.2 接閃器多針自動并聯，提前放電技術

接閃器結構示意圖（俯視圖）如圖3所示。

接閃器包括主消雷針、副消雷針、控制組件、底座等，其中，主消雷針豎直設置，副消雷針設置有第一消雷針組和第二消雷針組，每組均有若干消雷針組成，主消雷針、副消雷針均有針尖，針尖尖端均設置為圓錐形或棱錐形，針尖尖端分別再增設若干尖針，可以實現較佳的電離效果，提高接閃器附近電離產生的空間電荷速度；控制組件控制副消雷針與主消雷針之間、相鄰副消雷針之間所形成的角度，得到了接閃器較佳的并聯電壓值，實現副消雷針與主消雷針在受雷擊時的自動并聯，從而將雷擊產生的電流分流[4]。

當建筑物的防雷裝置上方出現雷云時，由于靜電感應在副消雷針和主消雷針的尖端及附近空間均會有空間電荷積累。當雷云中所攜帶負電荷量過大，消雷組件尖端及附近的空間電離產生的正電荷數量無法滿足與雷云負電荷的快速中和時，雷云產生雷擊；雷擊瞬間，受擊的副消雷針或主消雷針上方的電荷會因中和而突然消失，而其他針體上依舊帶有大量電荷，使得受雷擊針頭和相鄰針頭之間的電壓突然增大達到并聯電壓值，導致相鄰針頭之間間隙擊穿，從而實現相鄰針頭之間的自動并聯。接閃器局部結構示意圖如圖4所示。

圖4 接閃器局部結構示意圖Fig.4 Diagram of local structure of the flashover

接閃器控制組件包括第一環形限位部、第二環形限位部、推動部。其中，第一消雷針組與第一環形限位部活動連接，第二消雷針組與第二環形限位部活動連接，推動部分別控制第一環形限位部和第二環形限位部的高度位置。通過控制第一環形限位部和第二環形限位部的高度，改變副消雷針的聚攏程度，調整副消雷針與主消雷針之間以及相鄰副消雷針之間所形成的角度，實現對并聯電壓值的調節。主消雷針和相鄰副消雷針的并聯電壓值為相鄰針頭之間間隙擊穿時相鄰針頭之間所需要電壓的閾值，U的公式

為[5]：

其中，γ——修正系數，一般取0.25，單位為℃/kPa；P——雷電智能監測控制終端檢測到的大氣壓強，單位為kPa；T——雷電智能監測控制終端檢測到的環境溫度，單位為℃；H——電離單元的高度，單位為m；HΔ——基準高度，數值一般取1000，單位為m；r1——主消雷針針尖圓弧半徑，單位為mm；r2——副消雷針針尖圓弧半徑，單位為mm；δ——雷電智能監測控制終端檢測到的空氣相對密度；α——副消雷針與主消雷針之間的夾角，單位為度；c——副消雷針的長度，單位為mm；d——副主雷針的長度，單位為mm。

并聯電壓值隨環境溫度的升高而下降，隨設置高度的升高而降低，隨大氣壓強的升高而升高；主消雷針針尖圓弧半徑和副消雷針針尖圓弧半徑越小，說明主消雷針和副消雷針的針尖越尖銳，針尖上聚集的電荷越密集，造成針尖的電場增強，致使并聯電壓值降低；通過調節主消雷針和相鄰副消雷針之間的夾角，改變主消雷針和副消雷針的針尖之間的距離，當夾角越小，并聯電壓值越低。

圖5 雷電流智能監測儀原理框圖Fig.5 Principle block diagram of lightning current intelligent monitor

由于自動并聯使電流分流，接閃器的總體電阻隨電流的增加而逐級下降，使得接閃器總等值電阻占雷電通道總電阻（含弧道電阻及電離單元的電阻）的比例減小，接閃器所承受的電壓也隨之減小，實現副消雷針與主消雷針上的壓降不超過主消雷針和副消雷針的沿面閃絡電壓，避免消雷組件的閃絡，同時實現并聯后電離單元通流能力和總熱容量的相應增加。

1.3 雷電流智能分析儀

雷電流智能分析儀基于羅氏線圈傳感器技術準確還原雷擊的峰值、極性、能量。在線測試、無需自檢、實時監測，采用RS485有線、無線通訊、GPRS無線通訊傳輸數據，實現遠程在線監測。雷電流智能分析儀原理框圖如圖5所示。

其包括雷電流傳感器、電磁傳感器、電壓測量器、控制箱和報警裝置等。雷電流傳感器為羅氏線圈型沖擊電流傳感器，電壓測量器包括耦合電容和調節電路，電流傳感器、電壓測量器和電磁傳感器都與單片機的輸入引腳連接，單片機的輸出引腳連接報警裝置，報警裝置包括閃光燈和揚聲器。

羅氏線圈原理圖如圖6所示。雷電流所產生的磁場是一個快速變化的磁場，羅氏線圈基于電磁感應法將大電流轉化為低電壓來測量，并通過一個對輸出的電壓信號進行積分的電路，真實還原輸入電流。

通過雷電流智能監測儀軟件可以實時顯示被測雷電流峰值、能量、極性次數、時間，可以設置報警短信通知，劃分站點維護人員報警信息接收，記錄數據自動存儲報表，方便歷史查詢、分析監測點雷擊情況。

1.4 SPD智能監測儀

SPD智能監測儀結構示意圖如圖7所示。其電壓傳感器和電流傳感器對三相線路的電壓和電流進監測。當空氣開關閉合時，閘刀就會壓在壓力傳感器上，跳閘時，壓力傳感器就會檢測到變化，做到實時監測；漏電電流采集器則防止電源SPD漏電，當出現問題時，警示燈就會亮，而且，所有檢測的量均通過無線發射器和無線收發器發送到監控室，顯示在顯示屏上，警示燈亮的時候，警報裝置工作，提醒工作人員注意，攝像頭則對整體進行拍攝，做到畫面實時傳遞。因此，整個裝置很好地對電源SPD進行在線監測[6]。

圖6 羅氏線圈原理圖Fig.6 Schematic diagram of Roche coil

圖7 SPD智能監測儀結構示意圖Fig.7 Schematic diagram of SPD intelligent monitor structure

SPD漏電流采樣電路如圖8所示。流過防雷器的漏電流經過精密取樣電阻后，會在精密電阻兩端產生電壓，將精密電阻兩端的電壓通過集成電路U1做整流及電壓跟隨，將集成電路U1的輸出電壓送入U2的輸入端，通過U2一級運算放大器將電壓信號放大為0V～5V的電壓信號，再將0V～5V電壓信號送給12路模擬量電壓采集模塊的一路輸入端，通過電壓采集電路將0V～5V的信號轉化后，通過RS485總線傳送給上位機顯示。

2 智能監測終端的自身防雷設計和測試

2.1 智能監測終端的自身防雷設計

基于物聯網的發展，催生智能硬件產業蓬勃發展，但大多智能終端設備均缺乏防雷設計，不具備防雷能力。

智能終端設備電源及RS-485通信模塊，均需通過自恢復保險絲、陶瓷氣體放電管、壓敏電阻和TVS等防雷擊電路接入到采集模塊。共性的電源防雷電路如圖9所示。

電源輸入/輸出部分的元件名稱及功能見表2。

圖8 SPD漏電流采樣電路Fig.8 SPD Leakage current sampling circuit

圖9 電源防雷電路Fig.9 Power lightning protection circuit

表2 電源輸入/輸出部分的元件名稱及功能Table 2 Component name and function of the power input/output section

2.2 智能監測終端的防雷能力試驗

圖10 90KA沖擊電流試驗波形Fig.10 90KA Impact current test waveform

智能終端設備的防雷能力測試（8/20沖擊電流試驗）試驗，即檢驗智能終端設備、器件、材料在快速變化的大電流作用下的電性能。沖擊電流試驗采用的試驗電流波形可以是單極性的，也可以是振蕩形的，以分別模擬雷閃放電產生的雷電沖擊電流或電力系統操作開關時產生的操作沖擊電流。本試驗采用不同的沖擊電流對智能終端設備進行測試，測試出被測設備能夠耐受雷電沖擊電流的能力，以此確定被檢設備的防雷能力是否滿足實際應用要求。

圖10為沖擊電流為90KA試驗波形圖，圖中桔黃色曲線為沖擊電流波形曲線。將被測設備的火線和零線接入測試系統（左圖為通過試驗系統的去耦網絡為被測設備加220V工頻電壓，右圖沒有加工頻電壓），依次加大試驗沖擊電流的電流值，觀察并記錄被測設備的狀況是否正常。

通過對智能終端設備的電路設計改造，本系統涉及的智能終端設備均具有Imax(8/20μs) 100kA的防雷能力。

3 結論

通過對雷電預警儀、接閃器發射井、接閃器自動并聯放電、雷電流智能分析儀、SPD智能監測儀等功能技術進行研究分析，并在古建筑、國防軍工、電力、化工等行業得到了應用，解決了傳統防雷不能有效地進行全方位雷電防護的難題。對智能終端設備進行防雷電路設計和防雷試驗，給物聯網終端產品設計工程師提供了有價值的參考。