雷电维保设计与实现研究

    刘鸿斌 王剑武 胡爽 查怀华 胡俊

    

    

    摘?要：本文是以《企业防雷系统设计与实现》课题为依据，通过闪电定位仪采集淮安雷击方位次数，根据建筑物区域分布，利用精密仪器和大数据的分析处理，主要研究实验企业可能受雷击的风险评估，利用监测程序制录入数据，程序采用了SpringMvc+Mysql+Flink的技术体系搭建，通过Http接口接收设备发出的雷击信号请求，并完成雷击数据的入Mysql库。多维度采集的信息，上报设备ID、发生时间、雷击强度等。数据除了存储到Mysql以外，同时会双写录入到Elasticsearch，实现基于SQL的查询和全文基于内容的搜索。Flink系统运行SQL作业，应用风险算法模型，分析数据流，得到风险级别，通过年度数据的分析，给出防雷站点合理性参数，加强区域性防雷设施维护，确保精细化仪器以及重点区的雷电防护，提高防雷维保的重要性和完整性。

    关键词：风险评估;防雷装置;雷电防护;维护

    参照江苏省气象部门雷电资料，结合淮安市气象监测站50年雷暴日统计，淮安市平均雷暴的天数值为37.8，淮阴卷烟厂自投运以来，建筑设备系统都不同程度地受到雷击影响。有部分设备被雷电损坏，丧失运作功能，重者全系统瘫痪，企业经济损失惨重，给安全财产带来隐患，淮阴卷烟厂创建于1945年，现拥有员工2400名，占地426.96亩，拥有固定资产原值11亿元，年生产能力60万箱，为国家大型企业，全国烟草行业36户重点企业之一，是江苏中烟工业公司重要组成部分，更突显防雷设施维保的重要性，本课题通过闪电定位仪采集淮安雷击方位次数，分析各种环境入手，为防雷维保系统构建选择提供思路，利用精密仪器和大数据的分析处理，研究该厂可能受雷击的风险评估，给出该站点代表合理性参数，综合运用各种防雷技术和手段，加强区域性防雷设施维护，增加精细化仪器保护，形成一个综合性的防雷系统，达到预计的雷电防护效果，以此提高雷电维保的重要性和完整性。

    一、淮阴卷烟厂现有的防雷现状

    淮阴卷烟厂位于城区开阔地带并且面积较广，易受雷击影响;厂区建筑安装有雷电外部防护，接地地网及雷电内部防护，但部分楼顶避雷带倒伏，锈蚀严重;淮阴卷烟厂厂区的计算机网络、内控系统，在引入通信线路过程中有些通过户外明线引入的，线路电线杂，承重处连接在金属构件上，隐患很大，在引入配电接口过程中未安装专用的信息信号浪涌保护器（SPD）做雷电防护;淮阴卷烟厂厂内的工作用电线路是由交流供电线路安装，从远至近架空明线到烟厂厂区附近，再通过地埋引入厂区各建筑内，因淮阴卷烟厂地理位置处于空旷区，理论上容易受到雷电感应电磁脉冲的攻击。

    淮阴卷烟厂在2020年市防雷技术专家现场勘查后认为，淮阴卷烟厂的厂房直击雷防护设施和防雷接地措施较为良好，但部分厂区内施工车间楼顶避雷带倒伏，锈蚀严重，雷电感应防护措施和防雷电电磁脉冲措施连接不完全到位。

    通过现场勘察，检测数据等情况综合总结，淮阴卷烟厂雷击防范意识略微欠缺，厂区生产车间、库房、信息通信中心在雷电天气下工作运行，环境风险较高安全隐患较大，这种情况说明淮阴卷烟厂需要采取强有力的雷电维保措施。课题组通过勘察，走访调研，并充分与用户沟通，在符合国家有关防雷规范的前提下，为该提供防雷的硬件设计与软件开发。

    二、防雷系统的硬件布置与软件与开发

    （一）硬件

    在厂内安装雷电计数器，雷电计数器配有电流互感器。安装使用时（如图1），把电流互感器芯套入防雷器的PE线上，互感器次数线圈的两根线引安装于需要泄放雷电流的防雷模块，如防雷器的接地线上入雷电计数器的1、2接线柱，牢固连接，雷电流计数器有六个接线柱，L、N两个接线柱接交流电源线，为计数器提供充电电源，在LED数码管上按下显示开关，即可显示泄放雷电流次数，计数器T、R端子可以外接NPX01-TTL数据转换模块，配合上位机软件在控制室对各计数器记录情况进行查看。

    （二）系统软件开发

    课题研究团队开发了闪电计数监测系统程序，该程序采用了SpringMvc+Mysql+Flink的技术体系搭建，这套体系的优势是技术开源，成熟度较高，安全可靠。SringMvc作为服务层框架，用来实现数据采集、入库、分析、查询、展示等功能逻辑。Mysql作为数据库，用来存储设备、雷击信号、报警记录等数据。Spark用来实时运行监控算法模型。程序主体包括3个模块：设备模块、数据模块、告警模块。

    设备模块提供Http管理接口及管理后台页面，实现对设备增、删、改、查等功能。同时模块提供了探活Http接口，要求设备定时通过接口上报设备健康状态，从而实现对设备工作状态的记录和监控，能够及时发现故障设备并进行修复或替换。

    数据模块，通过Http接口接收设备发出的雷击信号请求，并完成雷击数据的入Mysql库。采集的信息维度，主要有：上报设备ID，发生时间，雷击强度等。同时提供数据查询接口，用于管理后台搜索查询相关数据记录。数据除了存储到Mysql以外，同时会双写录入到Elasticsearch。Elasticsearch是一个基于Lucene的实时分布式的搜索与分析引擎，提供了包括全文搜索、日志分析、运维监控、安全分析等功能，补充了单一Mysql存储在大数据管理、分析领域的不足。

    告警模块是一个实时数据流处理子系统，采用了Flink框架，来实现雷击信号数据实时处理。首先在数据模块，会将设备上报的每条雷击数据，同步送入到Flink系统。Flink系统运行sql作业，使用风险算法模型，分析数据流，得到风险级别。我们把风险级别分类为无、低、中、高四种类型，分别给到不同形式和范围的告警处理。比如低危采取“少数值班人+短信通知”，高危升级为“全员+电话通知”，实现了灵活的告警通知机制。

    （三）系统运行情况

    通过闪电定位仪采集淮安雷击方位次数的显示，8月1日江苏省大范围的雷暴天气，高空切变，后转偏北气流，降温，加之副热带高压位势低未大幅度南退所致。淮安的雷暴天气，是由于江苏省高空原偏北气流切变，副热带高压增强北移，脊线由27°N北移30°N造成的。8月1日淮安有明显雷击，淮阴卷烟厂经度119°14′48″，纬度33°23′47″属于雷击区域内。经第二天查验，电压传感器，无线收发器电性连接的处理器连接警报装置和显示屏，受到泄放雷电流时压力传感器的检测变化，所有检测的量数据全部通过无线发射器发送到监控室，无线收发器吧检测到的数据显示到电脑显示屏上，雷击警示灯不停闪烁，警报提醒程序运转，提醒工作人员检查机器设备，提前排除故障，厂内安装雷电计数器数字显示泄放雷电流次数为2次，闪电计数监测系统程序警示灯亮2次。

    三、数据分析与提出的维护建议

    从以上几个实验数据不难发现，从雷击灾害防护方面来看，淮阴卷烟厂系统运行一般都实在“高雷击”风险环境下，即对于雷电灾害风险的“遭遇程度”很高，因此需要采取科学，有力的维保措施。根据IEC61312《雷电电磁脉冲的防护》，GB50057-94《建筑物防雷设计规范》标准，提出一下几个建议。

    （一）管理存档制度

    由熟练掌握雷击防护知识，技術的人员负责管理。厂区内所有建筑防雷装置投入使用后，建立防雷装置管理制度，厂区内安装的避雷器应由具有设计施工资质的单位施工，对防雷装置的设计、平面等工程图纸避雷产品合格证，测试报告资料做好存档。

    （二）厂区防雷装置的日常维护

    1.定期维护和日常检查

    负责人员在雷雨季节到来之前，应对厂区建筑物防雷装置进行一次全面检测，做好阻值记录，如发现有锈蚀、倒伏等现象做好记录，维护需在雷电天气之后的晴天进行。

    2.防雷装置检查注意事项和装置维护项目

    （1）目测厂区建筑物外部防雷装置有无脱焊、倒伏，特别是在装置连接处容易锈蚀，应去除表面锈迹在进行阻值测量。

    （2）厂区内接地装置的电阻值如果超出规定值，应检查检测仪器电量，设备接地装置和土壤湿度条件，找出超出规定值得原因，采取有效的整改措施。

    （3）目测检查厂区内配电浪涌保护器的运行情况：有无表面损坏，接地线脱落，过电流焦印记，接触不良等。如发现故障，检查人员应及时排除或更换并做好工作记录。厂区内所有电源线路应采取II级雷电防护，信息中心机房信号线路至少采取I级雷电防护才能达到雷电防护的要求。

    参考文献：

    [1]袁金水.建筑电气设备防雷接地装置的运行维护探讨[J].建筑工程技术与设计，2018.

    [2]张建成.电气设备防雷装置防雷检测及运行维护[J].科技资讯，2016.

    基金项目：2019年淮安市气象科研项目“淮阴卷烟厂雷电维保设计研究”（201902）

    作者简介：刘鸿斌（1977—?），男，汉族，江苏淮安人，本科，工程师，研究方向：大气科学、防雷技术应用。