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基于物联网技术的智能防雷研究进展

文章来源: 人气:298 发表时间:2019-11-20
摘要

物联网基于信息传感设备与互联网将万物联系起来,构建万物相息的智慧地球。防雷是关系到人民的安全与利益的重要行业,在物联网的时代背景下,传统防雷需要搭乘物联网的”快车”,向更加安全化、高速化的智能防雷转变。智能电涌保护器作为防雷系统的核心设备,能够限制窜入电气系统的过电压并泄放浪涌电流,保护电气系统中的设备。基于物联网发展现状,分析智能电涌保护器的工作原理,并从架构层次角度给出区域雷电智能监测预警系统的框架结构。最后,对智能防雷的发展现状进行总结,并对其发展前景进行展望。

 

关键词
 

物联网  智能电涌保护器 ;区域雷电智能监测预警系统;在线监测; SPD 泄漏电流;SPD预期寿命;分体式智能SPD;SPD持续工作时间

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引言

物联网规划了一个超大规模的网络,它为众多领域和环境中的大量应用提供服务[1,2]。美国在 1999 年提出物联网的概念,并凭借其集成芯片、应用软件、互联网等领域的强 大优势 ,在军事、电 力、工业、农业、医疗、太空和海洋勘探等领域中推广RFID、传感器 和 M2M 等 应 用 [3 - 5],2008 年,IBM 提出了”智慧地球” 战略,将物联网技术应用于电网、铁路等行业中[6]。2017年底全球物联网平台数量超过450 个,同比增长 25 %,其中半数平台由总部在美国的公司所建立,Spiceworks 公司统计显示,截至 2018 年初超过 69 % 的 美 国 企 业 应 用 物 联 网 技 术 解 决 方 案 。欧盟和日本、韩国、德国、英国等国政府分别制定相应的物联网战略,抢占物联网全球市场。国内对物联网的关注度也逐渐升温 ,自 2009 年8月 我 国 提 出“感知中国” 战略,物联网发展受到各方关注[7]。2012 年,国务院将物 联网纳入”十二 五”国 家 战 略性新兴产业发展规划[8],从层面上开启了发展物联网的新 征程。2017年 9 月,由工 业 和 信 息 化 部 主办、工业信息安全发展研究中心承办的全国物联网发展成果展在无锡世界物联网博览会主展馆隆重开展,120 余家企业的 140 余项成果展示了我国在物联感知、传输、处理以及共性支撑技术等方面的不懈努力和显著成效。

 

随着物联网时代的到来,信息共享成为社会运转的动力,伴随着现代建筑、交通、医疗以及工业制造等行业的智能化,大量微电子网络、自动化设备、计算机等投入使用,其集成度高、工作电压小、工作电流低、绝缘强度低、耐过电压和过电流能力差,遭受操作过电压甚至雷击后,将可能引起数据丢失、交通中断、医疗事故,损害人民群众利益,甚至引起社会不安定。因此,防止设备遭受过电压侵袭,保障设备系统可靠运行成为一项关键而重要的工作。《中华人民共和国气象法》 《气象灾害防御条例》 等法律法规和 GB / T 21431 - 2015 《建筑物防雷装置检测技术规范 》 等标准规范提出了对接闪器、引下线、接地装置、电涌保护器 (Surge Protection Device,简称 SPD)等防雷系统装置进行周期性检测的要求[9]。人工检测需要专业检测团队和大量检测设备,冗时费力,然而周期内防雷系统的安全运行依然无法得到完全保证,比如安装于楼宇内的电涌保护器在周期内由于电路连接问题或自身劣化失效不能正常工作,在雷电浪涌到来时雷电流无法及时泄放入地进而造成闪络,引发短路故障造成输电中断,甚至威胁到人身安全。

 

近年来,在传感器、物联网迅速发展的基础上,防雷系统的周期性检修方式逐渐向在线监测系统 24 h实时监测的方向升级。国内外学者对基于物联网技术的智能防雷已有一些研究:文献[10]设计了具有雷电计 数 功 能 的 智 能 电 涌 保 护 器 ,由 电 涌 保 护 模 块、雷击 传 感 器 和 雷 电 计 数 模 块 3 部 分 组 成 ,将 雷 电 计 数模块和电涌保护模块集成到一个整体中,解决了两套模块所造成的体积大、安全性低、成本高的问题;文献[11]介绍一种实时监测自身的运行状况及其性能的智能 SPD,可实时显示雷击次数、漏电流大小、SPD 所处环境温度以及雷电流波形,并可在 SPD 出 现 意 外状况时发出警报;文献 [12]介绍了智能 SPD 采集监测数据的工作原理,并就其在实际工作过程中实时数据的采样、缓存、读取等方面进行详细阐述。本文阐述现有智能 SPD 的结构与 工作原 理 ,并分析两类智能SPD 的优缺点;介绍区域雷电智能监测预警系统,并对其运行机制进行全面解析。

 

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智能 SPD 的结构与运行机理

智能化防雷是工业物联网范畴的重要组成部分,而电涌保护器是低压防雷系统的核心设备之一。它可以被安装在低压电气线路中,保护电气系统在雷击下持续安全运行[13];也可以被安装在计算机、通信、自动控制等电子设备的前端,分流、抑制过电压,保护这些设备不被损坏[14];还可以被安装在金属导体之间作等电位连接平衡雷电电磁脉冲引起不同导电系统之间的暂态电位差,避免引起旁侧闪击[15]。但是在防雷工程实践中常常发现安装在系统 中 的 SPD 有失效的情况发生[16 - 18],主要原因是:根据被保护设备或系统的 性 能 特 征 选 择 合 格 的 SPD 产 品 ,原 则 上 能 够 在SPD 预 期 寿 命 内 保 护 设 备 ,但 实 际 上 由 于 SPD 长 期工作在工频电压下并不断承受过电压冲击,漏电流逐渐增大进而温升增加。随着承受过电压次数递增导致压敏电阻的压敏电压变化进而保护效果变差。更有甚者,SPD 短路失效后导致温度骤升乃至于造成火灾,如图 1 所示。因此,安 装 SPD 和 合 理布 线 已不能满足现代 化的防雷要求,需要对 SPD 性 能 变 化 进 行 实时跟 踪监测,一旦 SPD 性能劣 化 或 失 效 ,智 能 系 统应立即发出警报提醒工作人员进行维护或更换,使防雷系统具有更强的稳定性。因 此 近 年 来 智 能 SPD 的研究成为工业物联网的热点问题[19 - 21]。

 

目前国内外已经有多家企业与科研团队进行智能SPD 的研发,虽然其结构迥异,但是从监测原理出发可分为两类。

 

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