廣東中為智能防雷技術有限公司
智能防雷系統在高速機電系統中的應用
防雷設施智能監測在云湛高速公路中的應用
車現法，陳波，王光博，饒輝新
1．中國公路工程咨詢集團有限公司;
2．廣東省南粵交通云湛高速公路管理中心;
3．廣東華咨圣泰科技有限公司
摘要: 云湛高速公路沿線設施眾多，依靠人工巡檢制度進行日常運營維護和事故處理，不能及時發現防雷設施出現的問題和潛在危害。通過應用防雷設施智能監測系統，對防雷器進行有效性算法、壽命預測，雷擊次數、雷電參數監測，接地電阻監測，及時發現雷擊破壞情況，確保了系統運行的穩定和安全。
關鍵詞: 防雷器有效性算法;壽命預測;雷電參數監測;接地電阻監測
交通運輸部2016年全國交通運輸工作會議提出，到2020年“十三五”發展目標完成時，我國交通運輸的現代化進程將邁上新的臺階。加快推進綜合交通、智慧交通、綠色交通、平安交通建設，加快完善綜合交通基礎設施網絡，加快提升綜合交通運輸供給能力和服務品質，不斷提高創新能力，不斷提升安全生產水平，不斷增強國際競爭力，不斷深化黨風廉政建設。“髙效、安全、智能、環保、舒適、文明”將是今后高速公路建設的重要目標。
會議提出了“智慧交通”的基本理念，明確在交通領域中充分運用物聯網、云計算、人工智能、自動控制、移動互聯網等現代電子信息技術，實現行業資源配置優化能力、公共決策能力、行業管理能力、公眾服務能力的提升，為今后高速公路的建設和發展提出了更高的要求，推動交通運輸更安全、更高效、更便捷、更經濟、更環保、更舒適、更智能地運行和發展，帶動交通運輸相關產業轉型、升級。
汕頭至湛江高速公路云浮至湛江段及支線工程(以下簡稱“云湛高速”或“本項目”)位于粵西沿海地區，年平均雷暴日高達94．6d，屬于高雷暴區。全線設置3處路段管理(分)中心，2處管理分中心;28處匝道收費站，2處主線收費站，6處養護工區，5處服務區，7處停車區。此外，全線有隧道5座。各管理機構處設置有設備機房，內設計算機管理系統、CCTV視頻監控系統和通信機房設備等，另配有變電所設備;收費站廣場設置有收費棚、收費監控攝像機、車牌識別設備、ETC車道設備、車道指示設備、欄桿機、稱重設備、收費亭及亭內計算機系統、廣場照明燈桿、戶外配電箱等;道路外場設有監控攝像機、ETC自由流門架、ＲFID標識點門架、高清卡口、戶外設備機柜和配電箱等;隧道區域有區域控制器、車道指示器、緊急電話、廣播、監控攝像機、懸臂式可變信息標志、交通信號燈、亮度檢測器、光纖光柵火災傳感器、聲光警報器、火災報警系統、煙感火災探測器、溫感火災探測器、電光指示標志等。
這些設備以安裝特點分主要有:戶外門架、戶外柱式、戶外基礎、建筑室內、收費棚下和收費亭內等;以配線特點分主要有:光纜連接和電纜連接等。系統防雷設計針對性配置了避雷針、電源防雷器、信號防雷器和接地設施。
目前，傳統項目一般均配置有雷擊防護設施，但未進行雷電流、雷擊次數和接地電阻值等的在線監測。日常運營維護和事故處理基本依靠人工巡檢制度，周期長、抽查面小，不能及時發現防雷設施出現的問題和潛在危害，可能誘發重大事故，造成系統癱瘓，帶來難以預計的人員傷亡和財產損失。
雷電已成為電子設備受損主要的災害之一，隨著“智慧交通”的不斷推進，越來越多的電子電器設備應用于公路建設和運營中，雷電災害對高速公路的影響也越來越顯著。當前，高速公路防雷系統建設及運維中長期存在以下問題:
(1) 防雷系統和設施缺乏統一規劃、缺乏區域性雷電數據作為支撐而導致的設計針對性不足。
(2) 防雷系統和設施運維中，人工檢測維護效率低、周期長，導致存在漏檢、誤檢等現象。
(3) 由于目前用于判斷SPD有效的U1mA和漏電流兩個檢測參數均存在“拐點效應”，無法及時判定防雷設施的老化程度及有效性，致使防雷設施不僅不能有效防雷，還會干擾系統或設備的正常運行，嚴重時還可能成為災害性事故的誘發因子，存在較大的安全隱患。
為充分了解區域遭受雷擊的狀況，并對各建筑物和電子信息系統防雷裝置進行在線監測、管理(損壞、老化、漏流值、接地狀態及阻值等)，本文以云湛高速公路為依托，研究設置防雷裝置遠程智能監測管理系統。其主要作用如下:
(1) 通過該系統可以實時監測保護模塊的工作狀態，一旦出現異常立即發出聲光報警并可將異常信息傳至遠程監控中心，提示操作人員及時更換保護模塊，以確保防雷裝置的有效性。
(2) 通過該系統所特有的雷電流監測記錄功能，可以準確地知道供電線路是否遭到過雷擊以及遭受雷擊的時間及強度，利用系統中記錄的數據，可以為雷擊事故的事后分析及責任認定提供有力的技術支持，也為安全資金有效投入提供可靠性材料。
(3) 該系統同時可以與其它安全系統建立接口協議，可實現與消防、監控系統聯動，當發生雷擊起火時能夠第一時間實現聯動滅火，在災害可控的黃金時間立即動作，消除災害于萌芽之中。
(4) 可以在設備接地端安裝接地連接狀態信息采集點，對接地電阻在線監測。
智能防雷監測是以物聯網理論和技術為基礎，系統由感知層、網絡層和應用層構成。感知層通過數字傳感技術實時獲取被感知對象的數據信息;網絡層通過各類通訊網絡與互聯網的融合，將對象數據信息實時準確地傳遞出去;應用層將感知層獲取到的數據信息進行綜合處理，實現最終的實際操作和功能應用。其設施配套主要功能包括雷擊計數，防雷器工作狀態監測，防雷器壽命計算預測，雷擊強度、能量分析和波形數據監測，接地裝置電阻值監測等，主要任務是負責對數據信息進行迅速、可靠的采集、分析和傳輸。
云湛高速公路防雷設施智能監測系統以防雷器(SPD)各功能監測模塊、雷電監測儀、地阻監測儀等終端感知層設備作為研發的重點，在防雷器(SPD)有效性檢測方法的基礎上，實現其在線監測，同時對雷電發生狀態參數和接地裝置運行狀態參數進行監測，也是系統功能的基礎和關鍵。因此，感知層數據傳感器的性能也決定了系統的實用價值和應用效果。
4．1防雷器(SPD)有效性(壽命)算法
防雷器有效性(壽命)算法，是結合了多參數監測的一種在線分析防雷器壽命和失效的算法。其通過同時監測防雷器泄放雷擊次數、漏電流、工作溫升、溫升速率、在線時間、工作狀態參數，進行綜合分析計算，并控制不同參數整體比重和加權因子，最終得出防雷器壽命與失效時間的計算。相比依靠單一數值進行的防雷器壽命與失效時間計算，準確性較高。某型產品的有關測試數據取樣如圖1～圖3和表1所示。
4．2防雷器(SPD)有效性(壽命)在線監測
防雷器(SPD)在線監測融合了多參數監測及上述防雷器(SPD)壽命預估算法。相比較單一的防雷器工作狀態、后備斷路器工作狀態和雷擊次數等監測參數之外，還加入了防雷器漏電流監測、防雷器工作溫度監測、防雷器安裝環境溫度監測、防雷器工作溫升監測、電網供電狀態等監測功能。
此外，將防雷系統檢測標準中的檢測項目也納入到了監測項目中，更深入地對防雷器的工作動態參數進行跟蹤監測，相對于檢測標準中的靜態參數檢測，更能體現出防雷器的實際運行狀態，更有利于對防雷器的壽命給出一個相對準確的預判，進而可及時判別和更換安裝在重要位置的過度劣化的防雷器。
防雷器(SPD)在線監測儀主要包含漏電流監測模塊、溫度監測模塊、雷擊計數模塊、開關量監測模塊、時間模塊、單片機、電源模塊、顯示模塊、遠程通信報警模塊、電源浪涌防護模塊、有線通信浪涌防護模塊等。漏電流模塊將線路中uA或mA級電流轉換為電壓信號，溫度監測模塊將溫度轉換為電壓信號，開關量監測模塊將開關狀態轉換為電壓信號，時間模塊為系統提供基準時間信息，雷擊計數模塊當發生雷擊時產生一個電壓脈沖。
單片機依據這些采集模塊傳回的信息，再利用壽命算法進行壽命計算，并將這些信息與壽命信息存儲在FLASH模塊中用于顯示與遠程通信。有線通信浪涌防護模塊在通信線進入通信芯片前提供最大600A的感應浪涌防護。SPD監測原理如圖4所示。
4．3雷電發生參數在線監測
防雷器(SPD)雷電參數在線監測可對雷電流的波形、峰值、極性、能量、次數和時間參數進行監測，對雷電波的侵入途徑、能量大小、侵入頻率進行分析，同時為該區域雷電防護系統改進提供重要的實測雷電環境參數。
雷電監測儀主要包含羅氏線圈、積分模塊、高速A/D轉換模塊、時間模塊、單片機、電源模塊、遠程通信報警模塊、電源浪涌防護模塊、有線通信浪涌防護模塊等。單片機與高速A/D轉換模塊、時間模塊、電源模塊、遠程通信報警模塊相連。前端使用磁飽和度高的，波形響應良好的羅氏線圈，對接地引下線在發生直擊雷時感應到的大電流強電信號，經過積分模塊對波形還原并轉換為電壓波形，A/D采集模塊對電壓波形進行高速采集并轉換為數字信號，交由單片機讀取。
單片機依據內部計算方式還原波形，統計雷電流的峰值、極性和能量，并依照波形發生時時間模塊的記錄統計雷擊發生時間。這些信息存儲在FLASH模塊中，用于遠程通信。有線通信浪涌防護模塊在通信線進入通信芯片前提供最大600A的感應浪涌防護。雷電監測原理如圖5所示。
4．4接地裝置電阻值在線監測
接地裝置電阻值在線監測主要包括接地引下線的連接狀況、回路接地電阻值、金屬回路聯結電阻值等接地參數，可以實現在線測試和非接觸測量。監測裝置采樣由一個電壓線圈和一個電流線圈組成，電壓線圈提供激勵信號，用于在被測回路上感應一個電勢，在電勢的作用下將在被測回路產生電流。
設備對電勢和電流同時進行測量，中央處理器將采集的數值進行計算和分析，并最終得到阻值后通過數字通信系統對外傳輸。由于與接地裝置之間并無直接連接，雷電能量只能通過線圈的感應傳入內部，而這個能量相對較小，通過雪崩二極管或齊納二極管等半導體元件即可防護住，使得產品可以長期、實時、可靠、有效地對接地裝置進行監測，及時發現接地裝置的故障而進行維修，大幅度減少其引起的風險。
接地電阻測試儀包含納米晶電磁感應線圈、單片機、電源模塊、遠程通訊報警模塊、電源浪涌防護模塊、線圈浪涌防護模塊、有線通信浪涌防護模塊等。納米晶電磁感應線圈分為電壓線圈和電流線圈;單片機連接有A/D轉換模塊、D/A轉換模塊、FLASH模塊、顯示模塊、通信模塊、電源模塊。
電源模塊將市電轉換為內部設備所需的直流電，而電源浪涌防護模塊提供最高5kA感應浪涌電流的防護能力。單片機產生一個數字信號，D/A模塊轉換為頻率信號后，由電壓芯片為被測環路注入一個固定峰值的電壓信號;再由電流線圈采集被測回路中經過歐姆定律變化后所得到的電流值，經A/D轉換后再交由單片機進行回路阻值的計算。
單片機依據計算所得阻值自動進行量程切換后再通過以上步驟進行準確阻值計算，并將所得阻值存儲在FLASH模塊中交由通信模塊進行對外的數據傳輸。有線通信浪涌防護模塊在通信線進入通信芯片前提供最大600A的感應浪涌防護。接地電阻測量原理如圖6所示。
5．1軟件平臺的總體架構
云湛高速公路防雷設施智能監測軟件平臺可分為支撐層、網絡層、數據層、展示層、用戶層等，其總體架構如圖7所示。
5．2軟件平臺的信息處理功能
信息處理系統包括信息接收、信息存儲、信息分析等功能。
信息接收: 開發接收服務程序，對采集終端發送來的數據包進行接收，按照接口協議對收到的數據包進行解析，以獲取防雷設備最新的工作參數。
信息存儲: 對獲取到的防雷設備參數，按照業務分類存儲到對應的數據庫表中。由于數據量比較大，需要對數據按時間軸進行分區存儲，以便加快后續的檢索速度。同時要對數據進行定時快照，以免丟失有用的數據。
信息分析: 按照預定的算法對各工作參數進行智能分析，得出各SPD浪涌保護器的工作狀況及劣化程度(使用壽命)，并根據分析結果更新防雷設備的狀態(正常/異常/離線)。
5．3軟件平臺的信息管理功能
信息管理系統包括人員管理、機構管理、設備管理、信息展示、信息預警、統計分析及總結報告等功能。
人員管理: 設置系統用戶的賬號、登錄密碼等，并設置各用戶的權限，具備新增、修改和刪除人員信息等功能。
機構管理: 維護機構的各項參數，包括機構名稱、負責人、聯系方式等，并設置機構管理的路段，具備新增、修改和刪除機構信息等功能。
設備管理: 對設備信息(設備編號、設備名稱、所處路段或者站場、所處樁號、設備類型等等)進行維護，主要包括設備注冊、設備信息維護、設備報廢等功能。
信息展示: 以可視化的方式，展示設備的狀態，并在顯眼位置展示相關的預警信息，做到界面美觀、簡捷，信息高度集成。
統計分析: 實現對各項數據的統計分析，形成各類同比環比數據表格、圖表等。
總結報告: 對數據進行綜合分析，對整體防雷狀況做出科學的評價。
表2列出了云湛高速公路防雷設施智能監測系統裝設應用后有關設備的部分特征運行情況。
通過報警信號和監測數據，管理人員迅速查找到了故障位置，并分析排查了故障原因，及時處理，消除了故障和安全隱患。
防雷設施智能監測系統通過現代的信息技術、控制技術和計算機技術等高新技術手段，結合高速公路的綜合管理需求，充分挖掘、整合和共享底層設施的有效管理數據，實現將數據組織成為信息，將信息融入管理，使管理為防雷設施的正常工作，乃至交通運營和規劃決策服務，從而全面提高了高速公路管理系統的運行效率和服務水平。
該系統有效地克服了人工對防雷設施巡檢不足的問題，一方面對高速公路防雷設施預防性養護工作起到了較大的推動作用;另一方面，確保了防雷設施的有效性，能夠將雷電災害所造成的經濟損失以及由此引起的交通安全隱患減少到最低，無論從經濟效益還是社會效益來說都具有積極的現實意義。
