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0 引言
流程工业是国家发展的经济基础支柱，随着工业技术的不断发展，工业现场控制装置的规模不断扩大，各种智能化、高精度仪器仪表广泛应用，对现场控制装置的防雷要求也不断提高，发生接闪后我们的防雷装置工作是否正常，如何在线监测，如何监测工业现场的雷电场强的变化和进行预警是我们的当务之急。然而目前工业现场所采用的监测管理手段相对落后，维护管理的智能化程度低，没有一个系统性的监测和报警系统，设备状态无法做到实时在线监测，不能实现将接地故障、接地极阻值 变大、锈蚀断裂、SPD 出现异常状态时不能及时发现，无法将故障自动报警反馈给值班人员，给工业现场安全生产带来重大安全隐患，存在遭受感应雷、雷电波侵入和雷电电磁脉冲（LEMP ）侵害的雷击灾害风险。
1 雷电预警与雷电防护智能化监控系统组成
监控系统包括：大气电场仪实时监测系统（市电或太阳能供电系统）；雷电（接闪器）实时监测系统；雷电防护装置（SPD 、SCB ）在线监测系统；接地电阻值实时在线监测系统；自动报警及监视系统；数据传输综合处理系统。
[收稿日期] 2020-07-28
[作者简介]张咪娜，女，硕士研究生，高级工程师。
雷电预警与雷电防护智能化监控系统设计
张咪娜
（咸阳坤宁微电子研究所，陕西 咸阳 712046）
[关键词]工业现场；雷电防护装置；雷电预警；实时监测
[摘 要]流程工业预警与智能化管理系统，实现了雷电防护在线监测。
[中图分类号] TM862 [文献标识码] A [文章编号]1004-9118(2020)06-0042-05
DOI ：10.ki.dqfb.2020.06.009Design of Intelligent Monitoring System for Lightning Early Warning and Lightning
Protection Zhang Mi-na
(Xianyang Kunning Microelectronics Research Institute, Xianyang 712046, Shaanxi)Key words: industrial site; lightning protection device; lightning warning; real time monitoring
Abstract: The lightning protection requirements of field control devices are also increasing. After the occurrence of lightning, whether our lightning protection device works normally, how to monitor on-line, how to monitor the change of lightning field strength in the industrial site and how to give early warning are our top priorities. We have developed a new early warning and intelligent management system through experiments, which realizes the powerful function of lightning protection online monitoring.
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图1
erd在线雷电预警雷电防护智能监控系统结构框图
图2
实现雷电预警雷电防护智能监控系统的架构图
在线雷电预警雷电防护智能监控系统结构框图如图1所示。实现雷电预警雷电防护智能监控系统的架构图如图2所示。
2 大气电场仪实时监测系统
2.1 大气电场仪的功能特点
（1）对大气电场强度的大小和方向进行实时监测，并将监测数据即时传送到数据综合处理系统。
（2）系统对大气电场数据进行处理，能有效地对工业现场周边的雷云情况进行实时监测，并设置三级雷电报警阈值，提供我们应急预案的实施：
第一级阈值：大气电场不小于2 kV/m 且不大于5 kV/m，预示着大气电场正在增强；
第二级阈值：大气电场不小于5 kV/m 且不大于8 kV/m，预示大气电场正在快速增强，雷闪概率急速增加；
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第三级阈值：大气电场不小于8 kV/m，预警未来5 min ～30 min 内雷电发生。2.2 大气电场仪的供电方式
大气电场测试仪供电方式可采用市电或太阳能供电方式，如图3所示。
3 雷电（接闪器）实时监测系统
3.1 雷电峰值记录仪
在雷电内安装的雷电峰值记录仪，当安装在工业现场制高点时，能拦截减少直击雷的发生，是在主放电回路上作为雷电流监测装置之一。能用于记录雷击次数、雷电流极性、雷电流波形、雷电流幅值和发生时间等，并能将监测数据即时传送到数据综合处理平台，可设置雷电流的强度报警。雷电示意图如图4所示。
3.2 雷电监测原理
雷电在线监测系统能检测到附近存在的或正在靠近的、有潜在危险的闪电活动，并且提供风暴来临的距离估计。嵌入式的闪电算法能检查传入的信号模式，来排除可能是人为造成的干扰因素，通过监测雷电活动产生的电磁场能量，来计算雷电距本地的距离。由于该数据记录了大量雷击方向、强度、极性，为我们如何做好工业现场的直击雷防护提供了可
靠的大数据分析依据。
雷电监测原理及组网区域参考图5、图6：
4 雷电防护装置在线监测系统
4.1 系统组成
雷电防护装置在线监测系统，主要由采集安装在工业现场的供电系统、信号控制系统、视频监控系统、消防控制系统中的各种电涌保护装置、SPD 后备保护器、隔离安全栅、集中控制器、雷电及所安装的雷电峰值记录仪、智能防雷PDU 等设备组成，真正实现了对雷电临近的主动防护、雷电流信息记录、电涌保护器的安全可靠运行及对雷击多发位置能做到动态提醒与在线实时监控。4.2 通信方式
图3
设置在现场制高点的大气电场仪实物
图4
雷电示意图
图5
雷电监测原理图
图6
投影寻踪可以组网进行区域大面积监测
通信方式可通过有线、无线（GPRS）将数据传输到控制中心，通过服务器及软件在电脑终端或大屏系统显示。
4.3 系统的主要特点
（1）能够在计算机上查看系统全貌，系统采用嵌入式分层方式进行查询，可以快速检查每个防雷装置的工作状态；
（2）能够保证防雷装置始终处于有效的工作状态，保证防雷装置失效或漏流时不起火、不爆炸；
（3）能够使管理者（领导）无论在任何地方，只要在身边有网络的地方，便可随时随地查看和管理系统的数据。
4.4 系统优势
（1）安全：使用SPD、隔离安全栅、后备保护装置，可有效防止防雷器因失效、漏流造成的火灾事故；
（2）可靠：使用智能化的防雷产品，可实时在线监测和控制每一级防雷装置的工作状态；
（3）技术领先：可通过有线或无线实现远程，自动控制各类防雷器，实现集中化管理；
（4）可知：可预知即将发生的雷电，可实时监测SPD漏电流、温度状态，提前查出劣化的防雷装置；
（5）可测：可在线测量每根接闪器的雷电流峰值大小、极性、时间，以及SPD电网电压和后备保护器状态；
（6）可控：后备保护器异常脱扣后，迅速切换到内部UPS供电系统，确保自动控制系统设备的安全可靠运行。
5 接地电阻值实时在线监测系统
现场的接地阻值数据采集相当重要，该系统能实时在线监测系统具备接地电阻值实时监测功能，并能将监测数据即时传送到数据综合处理平台，确保接地系统良好、设备安全运行，同时可以设置阻值超高时报警功能。在线防爆式接地电阻自动监测仪，配有GPRS通讯及RS485接口，可在现场组建网络系统对每根接地系统进行实时监测和远程监视，具有ExiaⅡB T3 Ga防爆认证，可在现场任意地区安装使用。
5.1 产品的优势
（1）测量精度高0.01~200 Ω；
（2）该产品采用非接触是测量技术，稳定性好，抗干扰能力强；
（3）安装方便，将现场的接地扁铁或引下线直接穿过该测试仪就可以，不影响接地系统和其他设备的正常运行；
（4）本接地电阻测试仪带有LED显示功能，可在现场随时对每个接地情况进行实时巡检，查看接地阻值；
（5）使用方便可靠，可在现场通过仪表按键设置临界报警参数，并具有声光报警功能，便于现场人员检查；
（6）防爆设计，结构严谨、具有防尘、防雨功能，符合IP16标准。
多组接地在线监测安装示意图，参考图7。
6 自动报警及监视系统
该系统根据大气电场仪监测的电场数据、雷电探测到的数据、电源系统、控制系统信号电涌保护器（SPD、SCB）、接地电阻监测的各种数据以及设定的报警阈值进行雷电灾害的报警，同时能提供直观的可视的各种数据在大屏上进行显示，画面并能进行任意切换。中国公共卫生管理
7 数据传输综合处理系统
在对流程工业现场测量控制与安全管理系统中，安装的大气电场仪实时监测系统、雷电在线监测系统、自动报警及监视系统、接地电阻值实时在线监测系统等各系统实时监测的数据信号进行综合运算和处理，同时根据计算结果给出预警和监控的逻辑及指令信号，以实现智能预警的最终目的。
7.1
系统组成
图7 多组接地在线监测安装示意图
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数据综合处理系统由雷电预警与防护装置智能监测报警数据综合处理硬件、软件和计算机显示终端等组成。其中：硬件部分主要包含集中控制器、TD490总线、RS485总线、GPRS 网络模组、监控交换机、服务器等；软件部分主要包含网络管理软件、云计算软件、综合控制软件以及网络通信软件等。
7.2 综合处理功能
（1）状态查询：可选择设备可查看设备状态以及设备技术参数等详细信息；
（2）历史查询：查询相关设备的名称、位置、地址及型号，历史操作情况；
（3）实时预警：可实时监测现场每个设备运行情况，对故障设备进行提醒和预警；
（4）实时接收监测装置传输的监测数据；
（5）具有信息采集、分析、处理、判断功能，并将信息反馈给用户；
丹丹调味品（6）对区域内发生的雷电进行15 min～60 min预警，并根据报警等级采取相应等级的预防措施；
（7）实时记录接闪器接闪(接闪针、雷电)的雷电流强度和接地质量，并根据报警等级采取相应
珠光剂
等级的预防措施；
（8）实时检测SPD运行状态，判定其劣化程度，并根据报警等级采取相应等级的预防措施和执行相应的应急预案；
（9）实时评估判定接地系统质量，并根据报警等级采取相应等级的预防措施；
（10）实时评估判定电源质量，并根据报警等级采取相应等级的预防措施。
7.3 数据处理
（1）实时接收雷电监测预警装置、雷电流监测装置、功能型电涌保护器监测装置、电能质量监测装置和接地电阻监测装置发送的数据；
pest分析法（2）监测、分析雷电监测预警装置、雷电流监测装置、功能型电涌保护器监测装置、电能质量监测装置和接地电阻监测装置的工作状态和参数，显示检测结果，提供工作状态和参数的查询显示功能；
（3）保存监测数据，保证原始数据能够及时存盘，对监测数据进行归档和建库，形成区域雷电预警与防护资料数据库；
（4）数据的输出与传送：将监测结果实时输出显示，带有地理位置信息和时间信息，生成对应的特征参量统计的多种图形和图像信息，供管理人员查阅；
（5）数据的优化处理：雷电监测预警结果、接闪器接闪的雷电流监测结果、SPD监测结果、电源质量监测结果和接地系统监测结果应经过优化处理，但应能传输和贮存原始监测数据。同时，根据安装地点分布的地理环境，应提供预警精度和预警效率的仿真模拟分布结果，为系统预警性能分析提供统计的依据；
（6）历史数据的处理功能：存档数据按不同时段能够进行数据回放，再现雷电预警状况和各监测装置的状态信息，能够调用和下载存储的历史数据；
（7）故障自检及健康管理功能。
7.4 数据输出
（1）监测数据、各装置监测数据、雷电预警结果以及系统采取的方案代码输出至雷电资料数据库；
（2）历史雷电预警信息查询；
（3）雷电预警；
（4）接闪器接闪的雷电流大小、波形、时间；
（5）SPD的脱离器信息、温度信息、漏电流信息、雷击计数；
（6）电源的电压、电流、平衡性、波动性等数据信息；
（7）接地系统的阻值信息；
（8）雷电特征参量统计，SPD、电源质量、接地系统的运行状态信息统计；
（9）多种数据、图形和图像信息的网络查询，各种监测信息远程传输和输出打印。
8 结论
随着通信技术及人工智能技术的飞速发展,5G移动通信已遍布城乡各地，北斗导航系统组网成功，各种物联网技术正在引领防雷技术从传统被动模式向智能化的主动防雷模式转变。流程工业现场发生闪爆、泄漏、火灾爆炸的隐患始终存在，重大事故的隐患依然居高不下，为了社会与人民生命财产免遭雷击灾害的损失，为了适应智能技术的快速发展，解决传统防雷防静电模式在流程工业现场存在的弊端，智能化预警控制系统已成为防雷防静电的必然选择。
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