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。