魏 欣，王思維，尚子涵，屠 曦

(南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

0 引言

我國是雷電高發(fā)國家，每年因雷電都會造成數(shù)百人的傷亡和上億元的經(jīng)濟損失。國家規(guī)定建筑物必須裝配防雷設(shè)施。安裝了防雷設(shè)施是不是能夠持續(xù)保證安全呢？答案是不能的。因為防雷設(shè)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)問題，及時更換問題裝置，引發(fā)變電柜著火，經(jīng)濟損失高達1 000余萬元。

1 研究現(xiàn)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(jīng)濟損失。人工方式缺少電子檔案管理，不能準(zhǔn)確記錄防雷設(shè)施的安裝位置和維保情況，存在巡檢盲區(qū)，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(qū)而引發(fā)的[1]。

目前，隨著防雷設(shè)施在線監(jiān)測市場的逐漸興起，單個產(chǎn)品檢測的內(nèi)容有限，如果對整個防雷設(shè)施進行全部監(jiān)測的話，需要多個監(jiān)測設(shè)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(chǎn)品集成度不高，很多場合無法安裝[2]。同時，產(chǎn)品的智能化程度不高，只有監(jiān)測功能，缺少壽命預(yù)測功能，無法及時提醒用戶更換設(shè)備，存在安全隱患。目前的設(shè)備無雷電預(yù)警功能，雷擊前無法提示用戶做好防雷準(zhǔn)備。90%的建筑物都會在地下埋設(shè)防雷設(shè)施，施工完成后無法用肉眼觀測老化情況，目前的在線監(jiān)測設(shè)備也無法檢測。

2 系統(tǒng)方案

針對以上問題，本文開發(fā)了防雷設(shè)施智能監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由監(jiān)測平臺以及接地監(jiān)測器和防雷監(jiān)測器兩個硬件產(chǎn)品共同組成，如圖1所示。硬件產(chǎn)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(shè)施狀態(tài)進行實時監(jiān)測，硬件設(shè)備能將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心，對數(shù)據(jù)進行分析和展示，進行防雷產(chǎn)品壽命預(yù)測和雷電預(yù)警。

圖1 防雷設(shè)施智能監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 微元分割智能接地監(jiān)測技術(shù)

將接地網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)格的垂直距離，A和B的值為地下接地網(wǎng)格的長和寬，X值為空間G點距離地下接地網(wǎng)格X軸邊的距離，Y值為空間G點距離地下接地網(wǎng)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(wǎng)格，通電后激發(fā)出的空間磁場形狀呈馬鞍形，如圖3所示。越靠近通電網(wǎng)格線附近，產(chǎn)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(wǎng)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(dǎo)體電流值的大小。空間磁場的檢測不僅能夠找出測試區(qū)域中接地網(wǎng)的實際位置，還可以根據(jù)測量值的大小將可測子網(wǎng)絡(luò)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(jiān)測技術(shù)能通過測量地下接地體在地面產(chǎn)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(shè)施檢測問題，檢測速度快，精度高，無需停電[3-4]。根據(jù)該技術(shù)開發(fā)的接地監(jiān)測產(chǎn)品通過了江蘇省電子信息產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院的質(zhì)量檢測，各項指標(biāo)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

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(dǎo)致溫度升高，引起壓敏電阻熱崩潰，從而導(dǎo)致漏電流增大且防護功能失效，嚴重時可能發(fā)生器件爆炸、起火[5]。壓敏電阻的漏電流指標(biāo)是表征浪涌保護器是否合格的重要指標(biāo)。根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同，壓敏電阻初始漏流指標(biāo)可為3～20 μA電流。本文設(shè)計的微電流檢測電路如圖4所示，可以準(zhǔn)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(chǎn)品穩(wěn)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(wù)有限公司、南京紫東物業(yè)管理有限公司等5家客戶布置500多個監(jiān)測點，進行試用。客戶反饋：(1)施工方便，線路改造工程量??；(2)檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、效率高；(3)實現(xiàn)了電子化管理，節(jié)約了人工成本；(4)具有壽命預(yù)測功能，方便運維。

4 結(jié)語

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