雷電維保設計與實現研究

劉鴻斌 王劍武 胡爽 查懷華 胡俊

摘?要：本文是以《企業防雷系統設計與實現》課題為依據，通過閃電定位儀采集淮安雷擊方位次數，根據建筑物區域分布，利用精密儀器和大數據的分析處理，主要研究實驗企業可能受雷擊的風險評估，利用監測程序制錄入數據，程序采用了SpringMvc+Mysql+Flink的技術體系搭建，通過Http接口接收設備發出的雷擊信號請求，并完成雷擊數據的入Mysql庫。多維度采集的信息，上報設備ID、發生時間、雷擊強度等。數據除了存儲到Mysql以外，同時會雙寫錄入到Elasticsearch，實現基于SQL的查詢和全文基于內容的搜索。Flink系統運行SQL作業，應用風險算法模型，分析數據流，得到風險級別，通過年度數據的分析，給出防雷站點合理性參數，加強區域性防雷設施維護，確保精細化儀器以及重點區的雷電防護，提高防雷維保的重要性和完整性。

關鍵詞：風險評估;防雷裝置;雷電防護;維護

參照江蘇省氣象部門雷電資料，結合淮安市氣象監測站50年雷暴日統計，淮安市平均雷暴的天數值為37.8，淮陰卷煙廠自投運以來，建筑設備系統都不同程度地受到雷擊影響。有部分設備被雷電損壞，喪失運作功能，重者全系統癱瘓，企業經濟損失慘重，給安全財產帶來隱患，淮陰卷煙廠創建于1945年，現擁有員工2400名，占地426.96畝，擁有固定資產原值11億元，年生產能力60萬箱，為國家大型企業，全國煙草行業36戶重點企業之一，是江蘇中煙工業公司重要組成部分，更突顯防雷設施維保的重要性，本課題通過閃電定位儀采集淮安雷擊方位次數，分析各種環境入手，為防雷維保系統構建選擇提供思路，利用精密儀器和大數據的分析處理，研究該廠可能受雷擊的風險評估，給出該站點代表合理性參數，綜合運用各種防雷技術和手段，加強區域性防雷設施維護，增加精細化儀器保護，形成一個綜合性的防雷系統，達到預計的雷電防護效果，以此提高雷電維保的重要性和完整性。

一、淮陰卷煙廠現有的防雷現狀

淮陰卷煙廠位于城區開闊地帶并且面積較廣，易受雷擊影響;廠區建筑安裝有雷電外部防護，接地地網及雷電內部防護，但部分樓頂避雷帶倒伏，銹蝕嚴重;淮陰卷煙廠廠區的計算機網絡、內控系統，在引入通信線路過程中有些通過戶外明線引入的，線路電線雜，承重處連接在金屬構件上，隱患很大，在引入配電接口過程中未安裝專用的信息信號浪涌保護器（SPD）做雷電防護;淮陰卷煙廠廠內的工作用電線路是由交流供電線路安裝，從遠至近架空明線到煙廠廠區附近，再通過地埋引入廠區各建筑內，因淮陰卷煙廠地理位置處于空曠區，理論上容易受到雷電感應電磁脈沖的攻擊。

淮陰卷煙廠在2020年市防雷技術專家現場勘查后認為，淮陰卷煙廠的廠房直擊雷防護設施和防雷接地措施較為良好，但部分廠區內施工車間樓頂避雷帶倒伏，銹蝕嚴重，雷電感應防護措施和防雷電電磁脈沖措施連接不完全到位。

通過現場勘察，檢測數據等情況綜合總結，淮陰卷煙廠雷擊防范意識略微欠缺，廠區生產車間、庫房、信息通信中心在雷電天氣下工作運行，環境風險較高安全隱患較大，這種情況說明淮陰卷煙廠需要采取強有力的雷電維保措施。課題組通過勘察，走訪調研，并充分與用戶溝通，在符合國家有關防雷規范的前提下，為該提供防雷的硬件設計與軟件開發。

二、防雷系統的硬件布置與軟件與開發

（一）硬件

在廠內安裝雷電計數器，雷電計數器配有電流互感器。安裝使用時（如圖1），把電流互感器芯套入防雷器的PE線上，互感器次數線圈的兩根線引安裝于需要泄放雷電流的防雷模塊，如防雷器的接地線上入雷電計數器的1、2接線柱，牢固連接，雷電流計數器有六個接線柱，L、N兩個接線柱接交流電源線，為計數器提供充電電源，在LED數碼管上按下顯示開關，即可顯示泄放雷電流次數，計數器T、R端子可以外接NPX01-TTL數據轉換模塊，配合上位機軟件在控制室對各計數器記錄情況進行查看。

（二）系統軟件開發

課題研究團隊開發了閃電計數監測系統程序，該程序采用了SpringMvc+Mysql+Flink的技術體系搭建，這套體系的優勢是技術開源，成熟度較高，安全可靠。SringMvc作為服務層框架，用來實現數據采集、入庫、分析、查詢、展示等功能邏輯。Mysql作為數據庫，用來存儲設備、雷擊信號、報警記錄等數據。Spark用來實時運行監控算法模型。程序主體包括3個模塊：設備模塊、數據模塊、告警模塊。

設備模塊提供Http管理接口及管理后臺頁面，實現對設備增、刪、改、查等功能。同時模塊提供了探活Http接口，要求設備定時通過接口上報設備健康狀態，從而實現對設備工作狀態的記錄和監控，能夠及時發現故障設備并進行修復或替換。

數據模塊，通過Http接口接收設備發出的雷擊信號請求，并完成雷擊數據的入Mysql庫。采集的信息維度，主要有：上報設備ID，發生時間，雷擊強度等。同時提供數據查詢接口，用于管理后臺搜索查詢相關數據記錄。數據除了存儲到Mysql以外，同時會雙寫錄入到Elasticsearch。Elasticsearch是一個基于Lucene的實時分布式的搜索與分析引擎，提供了包括全文搜索、日志分析、運維監控、安全分析等功能，補充了單一Mysql存儲在大數據管理、分析領域的不足。

告警模塊是一個實時數據流處理子系統，采用了Flink框架，來實現雷擊信號數據實時處理。首先在數據模塊，會將設備上報的每條雷擊數據，同步送入到Flink系統。Flink系統運行sql作業，使用風險算法模型，分析數據流，得到風險級別。我們把風險級別分類為無、低、中、高四種類型，分別給到不同形式和范圍的告警處理。比如低危采取“少數值班人+短信通知”，高危升級為“全員+電話通知”，實現了靈活的告警通知機制。

（三）系統運行情況

通過閃電定位儀采集淮安雷擊方位次數的顯示，8月1日江蘇省大范圍的雷暴天氣，高空切變，后轉偏北氣流，降溫，加之副熱帶高壓位勢低未大幅度南退所致?；窗驳睦妆┨鞖猓怯捎诮K省高空原偏北氣流切變，副熱帶高壓增強北移，脊線由27°N北移30°N造成的。8月1日淮安有明顯雷擊，淮陰卷煙廠經度119°14′48″，緯度33°23′47″屬于雷擊區域內。經第二天查驗，電壓傳感器，無線收發器電性連接的處理器連接警報裝置和顯示屏，受到泄放雷電流時壓力傳感器的檢測變化，所有檢測的量數據全部通過無線發射器發送到監控室，無線收發器吧檢測到的數據顯示到電腦顯示屏上，雷擊警示燈不停閃爍，警報提醒程序運轉，提醒工作人員檢查機器設備，提前排除故障，廠內安裝雷電計數器數字顯示泄放雷電流次數為2次，閃電計數監測系統程序警示燈亮2次。

三、數據分析與提出的維護建議

從以上幾個實驗數據不難發現，從雷擊災害防護方面來看，淮陰卷煙廠系統運行一般都實在“高雷擊”風險環境下，即對于雷電災害風險的“遭遇程度”很高，因此需要采取科學，有力的維保措施。根據IEC61312《雷電電磁脈沖的防護》，GB50057-94《建筑物防雷設計規范》標準，提出一下幾個建議。

（一）管理存檔制度

由熟練掌握雷擊防護知識，技術的人員負責管理。廠區內所有建筑防雷裝置投入使用后，建立防雷裝置管理制度，廠區內安裝的避雷器應由具有設計施工資質的單位施工，對防雷裝置的設計、平面等工程圖紙避雷產品合格證，測試報告資料做好存檔。

（二）廠區防雷裝置的日常維護

1.定期維護和日常檢查

負責人員在雷雨季節到來之前，應對廠區建筑物防雷裝置進行一次全面檢測，做好阻值記錄，如發現有銹蝕、倒伏等現象做好記錄，維護需在雷電天氣之后的晴天進行。

2.防雷裝置檢查注意事項和裝置維護項目

（1）目測廠區建筑物外部防雷裝置有無脫焊、倒伏，特別是在裝置連接處容易銹蝕，應去除表面銹跡在進行阻值測量。

（2）廠區內接地裝置的電阻值如果超出規定值，應檢查檢測儀器電量，設備接地裝置和土壤濕度條件，找出超出規定值得原因，采取有效的整改措施。

（3）目測檢查廠區內配電浪涌保護器的運行情況：有無表面損壞，接地線脫落，過電流焦印記，接觸不良等。如發現故障，檢查人員應及時排除或更換并做好工作記錄。廠區內所有電源線路應采取II級雷電防護，信息中心機房信號線路至少采取I級雷電防護才能達到雷電防護的要求。

參考文獻：

[1]袁金水.建筑電氣設備防雷接地裝置的運行維護探討[J].建筑工程技術與設計，2018.

[2]張建成.電氣設備防雷裝置防雷檢測及運行維護[J].科技資訊，2016.

基金項目：2019年淮安市氣象科研項目“淮陰卷煙廠雷電維保設計研究”（201902）

作者簡介：劉鴻斌（1977—?），男，漢族，江蘇淮安人，本科，工程師，研究方向：大氣科學、防雷技術應用。