关于雷电防护GIS智能在线监测预警技术在民航空管设备中应用
[摘 要] 随着民航业的高速发展及电子技术的广泛应用，微电子技术、半导体集成电路和计算机技术在民航通信设备中已经十分普及。然而微电子设备抗过电压能力低，对电磁脉冲（EMP）极为敏感，在雷电发生时，感应过电压容易导致上述弱电设备损毁，直接影响飞行安全，甚至造成严重的后果。因此，如何应用更先进、全面、可靠、实用的防雷措施来保证民航空管设备的安全已迫在眉睫。本文系统介绍了“雷电防护GIS智能在线监测预警”技术及其在民航空管设备中应用的必要性。
[关键词] 民航 空管设备 动力环境 雷电防护GIS智能在线监测预警系统
引 言
近年来，民航业稳步快速发展，飞行流量连年大幅增长，管制指挥对空管设备、设施的可靠性要求不断提高。随着大批新设施、设备投入运行，对提升空管运行品质起到了关键作用。空管设施的安全运行，是民航飞行安全的基础，一旦相关设施、设备因雷击引起故障, 将对管制指挥造成很大负面影响，甚至引起不安全事件的发生。为了确保通信、导航、监视设备的安全运行，在做好相关设施、设备基本防雷工作的同时，如何对防护状况做到实时监测、实时记录、实时预警、及时响应，将被动防护做成提前预判和主动监管，切实做好风险防控，确保飞行安全，具有重要的积极意义。
1.空管设施设备防雷工作的重要性
1.1空管工作是民航飞行安全的基本保障
空管系统是民航运行的枢纽，空管设备为民航安全飞行的全过程（从起飞、空中飞行到着陆）提供连续稳定可靠的通信、导航、监视保障服务，它为飞行安全发挥着无可替代的重要技术支撑作用。雷电灾害是空管系统安全隐患的重要一项，空管设备一旦遭受雷击或因雷电过电压损坏后，无法及时修复，直接对管制指挥和飞行安全带来安全威胁，甚至会导致安全事故的发生，到时将造成严重的损失和社会影响。因此，做好防雷工作，最大程度地降低和减少雷电对空管设施设备安全运行的危害，具有重要的现实意义。
1.2空管设施设备的特点
空管设备大多采用了现代数字通信技术、计算机网络技术和微电子技术，其核心部件和器件采用大规模集成电路等微电子器件，集成化程度高、体积小、耐压低,通流量只有微安级，对电压（电流）的冲击非常敏感，极易因感应雷电过电压造成损坏，直接对管制指挥和飞行安全带来安全威胁。另外，目前空管系统采用的进口设备较多，自身价值昂贵，有的单套设备高达上千万元，一旦遭受雷击损坏，更换受损器件和板件及维修费用高昂，直接经济损失会也很高。因此，对高、精、尖的空管设施、设备进行防雷电保护更显得尤为重要。
2、空管设施设备的防雷原则
民航空管系统的通信、导航、监视设施防雷是一个很复杂的问题，不可能依靠一、二种先进的设备和防雷措施就能完全消除雷电过电压的影响，必须采用综合治理的方法，对症下药将各类可能产生雷击的因素排除，才能将雷害减少到最低限度。
在雷电过电压保护上最好遵守下列原则及建议：
①根据电磁兼容原理将过去局部的或单一的雷电过电压保护措施纳入到整体、系统的防雷体系；
②根据雷电保护区的划分原则，确立民航空管系统雷电过电压保护的思路；
③根据民航空管系统的供电设备、计算机设备、监控设备和通信设备所处的雷电保护区范围，在雷电过电压保护器件的选择上，应当瞻前顾后考虑其雷电过电压保护器件的各类参数；
④雷电过电压保护设计中氧化锌压敏电阻的压敏电压应满足城市、郊区、山区的需要，要适合中国国情的要求（电力供电，电压起伏较大的特点）。
2.1 整体防雷保护
民航空管系统的局部的防雷措施主要为采用富兰克林避雷针进行雷电的直击雷防护和按照相应的标准做好接地系统。采用这种单一的防护措施已经不适合于电子信息系统，即采用传统的防雷措施已经不能满足电子信息系统的雷电防护的要求，因此国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-1994在2000年8月24日做了局部修订并实施，同时增加“防雷击电磁脉冲”的章节；国家标准《建筑物电子信息系统防雷技术规范》也在编制中，上述两个国家标准都充分体现了对于大量使用电子设备的系统一定要根据电磁兼容（EMC）原理，把局部或单一的防护措施归结到系统防雷，即整体防护的概念。有些民航空管系统可能在雷电防护薄弱环节的不同点安装了过电压保护器SPD，但各类防护器件之间不能相互协调、相互之间不能控制，对雷电过电压器SPD起不到联合保护的目的。由于防护器件在设计时，其防护性能仅仅是从被保护设备本身的需求，例如民航空管系统供电线路的雷电防护，各级防护器件是相辅相成的，互相影响的，此时用以局部防护的过电压器件不能有效的发挥其防护性能，而且影响到供电系统整体的防护。
民航空管系统的雷电保护区按照需要保护的区域不同，将它们划为几个保护区域，并按电磁兼容的要求确定过电压保护器的安装位置。引入雷电保护区的概念使得在各个区域内分界处的雷电冲击依次减小，这是因为各个区域内的供电系统的电源设备、计算机设备、监控设备和通信设备能承受的雷电过电压能力是不同的。因此，设计一个适应于各个区域内雷电过电压方案是很重要的，这使得易受雷电过电压破坏的相应设备基本的承受能力不至于被超过。
2.2 雷电保护区域的划分及防雷保护
2.2.1 雷电保护区域的划分原则
将需要保护和控制雷击电磁环境的建筑物空间，从外部对内部划分为多个不同的雷电防护区域（LPZ），以规定各部分LPZ空间内的雷电电磁脉冲（LEMP）的强度变化的严重程度，以便采取不同的防护措施。如图2.1所示，对于通信中心（站）一个欲保护的区域，从电磁兼容的角度出发，可由外到内分为几级保护区，通信中心（站）建筑物外部是直接雷击的区域，在这个区域内的设备最容易遭受损害，危险性最高，是暴露区域，称为0区。而0区内的各类物体都可能遭到直接雷击，且电磁场没有衰减，属于完全暴露的不设防的直击雷防护区域称为LPZ0A区；各类建筑物（如天线）很少遭到直接雷击但本区电磁场没有衰减，属于充分暴露的直击雷防护区域称为LPZ0B区。建筑物内部及通信设备不可能遭到直接雷击，流经各类设备导体的电流比LPZ0B区进一步减少，由于建筑物的屏蔽措施，其建筑物内部设备的金属外壳，所处的位置为非暴露区，可将其称为LPZ1区、LPZ2区，越往内部，危险程度越低，雷电过电压主要是沿线引入。保护区的界面通过外部的防雷系统、建筑物的钢筋混凝土及金属外壳等构成的屏蔽层而形成的，电气通道以及金属管道等则通过这些界面。
2.2.2 接地系统
接地是避雷技术最重要的环节，不管是直击雷、感应雷、或其他形式的雷，最终都是把雷电流送入大地。因此，没有合理而良好的接地装置是不能可靠地避雷的。接地电阻越小，散流就越快，被雷击物体高电位保持时间就越短，危险性就越小。对于一般民用建筑的接地电阻要求≤10欧姆，并且采取共用接地的方法将避雷接地、电器安全接地、交流地、统一为一个接地装置。如有特殊要求设置独立地，则应在两地网间用地极保护器连接，这样，两地网之间平时是独立的，防止干扰，当雷电流来到时两地网间通过地极保护器瞬间连通，形成等电位连接。
2.2.3 防雷等电位连接
等电位连接的目的，在于减少需要防雷的空间内各金属部件和各系统之间的电位差。穿过各防雷区交界的金属部件和系统，以及在一个防雷区内部的金属部件和系统，都应在防雷区交界处做等电位连接。应采用等电位连接线和螺栓紧固的线夹在等电位连接带做等电位连接，而且当需要时，应采用避雷器做暂态等电位连接。
2.2.4 雷电保护区供电系统的分级保护
交流供电系统应采用TN-S制，即三相五线制（单相三线制）供电方式。在这种供电方式的整个系统中，具有单独的中线N和保护接地线PE；在系统中，中线N与保护接地线PE分开。根据供配电线路导体长距离传输的特点、防雷器件的特性、来自线路雷电流的强度，以及配电系统中各部分的耐电水平，必须采用多级、分级防雷保护。
对用户供电系统预防LEMP，一般采用用户总电源、用户分电源、设备工作机房电源等多级保护方法治理，分级配置“进户”、“进室”、“单机”及“直流”电源过电压保护器予以保护。如图2.所示，入户电力变压器低压侧应安装三相过电压保护器SPD1，其雷电通流容量不应低于60kA作为第一级保护；分配电柜线路输出端配置一台过电压保护器SPD2，其雷电通流容量应不小于40kA，作为第二级保护；在设备交流电源进线端配置一台带过电压保护器的插座SPD3，其雷电通流容量应不小于10kA，作为第三级保护。
2.3 现行空管设施设备雷电防护存在的问题
（1）设计时不能够系统化、专业化，施工时不够规范，存在潜在的安全隐患；
（2）目前机场雷电防还只能依靠气象部门公布的大区域（大尺度）的气象预报资料，缺少机场所在范围的小区域（小尺度）雷电预报资料，不能在机场所辖区域进行更准确的预报，因此不利于站控系统及飞行起降的安全管理和预案；
（3）由于室外重要设施设备及容易遭受雷击的主干传输线路上缺少雷电流在线监测手段，不能有效掌握本区域雷击强度、雷击能量、雷击极性等特征，不能给机场后期雷电防护规划设计与优化升级工作提供客观详实的技术参数依据；
（4）安装的电涌保护器处于被动防护型，完全依赖人工巡检，必须通过实际观察和经验判断来确认设备工作状态，存在巡检盲区或出现故障后才能发现，不能提前及实时掌握防护设备运行状况，存在一定的安全隐患；
（5）地网的接地电阻值随着气候环境、连接状况、腐蚀程度而变化的，设备的接地状况及地网的阻值变化状态需要依靠人工仔细查看和测试才能了解，而有限的察看和测试不能有效把控和规避安全隐患；
（6）动力环境是设备稳定运行的前提，供电系统及机房蓄电池的变化状态关系着设备的正常运行，实时掌握了解动力环境的状态也是对空管设备正常工作及安全飞行的保障。
总之，目前空管系统设施设备的防护状态处于被动状态，发生相关安全事故后既不能及时响应，也无数据可查，不利于现场的应急指挥和事后的防护决策。
3.雷电防护GIS智能在线监测预警系统在空管系统的应用探讨
3.1 雷电防护GIS智能在线监测预警系统的构成
雷电防护GIS智能在线监测预警系统(全称：动力环境与雷电防护GIS智能在线监测预警系统)是按照互联网+概念，应用传感、算法技术及软件系统实现的智能防护监测预警应用平台。
传统雷电防护主要针对防护目标进行直击雷防护、感应雷防护、屏蔽、等电位连接以及防雷接地等基本措施。雷电防护GIS智能在线监测预警系统在传统防雷措施的基础上，采用大气电场仪、雷电流采集仪、SPD采集仪、接地电阻采集仪、动力环境监测仪等各种监测终端，以及云服务器、PC主机、移动终端等应用设备，运用智能传感、云计算、大数据及云存储等技术手段，实现的雷电防护在线监测、远程操控、无人值守以及报警预警、信息定位、综合分析等功能。
雷电防护GIS智能在线监测预警系统由四个部分构成：
① 基于采集终端的感知层：
运用传感、微处理器和算法技术以及嵌入式处理软件，采集现场信号数据。各终端设备技术参数如下:
SPD采集仪技术参数：
功 能 | SPD遥信监测，空气开关的状态监测，雷击计数，SPD露流状态（劣化），接地连接状态,动作次数 |
电 源 | AC220供电 |
SPD遥信监测 | 1路 |
空开状态监测 | 1路 |
雷击计数 | 1路 |
接地连接状态 | 1路 |
SPD漏流状态（劣化） | 1路 |
雷击计数动作电流 | ≥2kA |
组网 | 灵活组网 |
协议 | 天玄协议 |
通讯方式 | RS-485/无线 |
网络点数 | 有线网络：1～24个监测点，可扩展 无线网络：1～24个监测点，可扩展 |
工作温度 | -20℃~+60℃ |
储存温度 | -20℃~+60℃ |
报警功能 | SPD遥信：报警功能有 空开跳闸：报警功能有 |
接地电阻监测仪技术参数：
功 能 | 回路接地电阻在线监测、金属回路联结电阻在线监测、接地状况监测。 |
电 源 | 监测仪：12VDC |
电阻量程 | 0.01Ω～200Ω |
分 辨 率 | 0.001Ω |
显示范围 | 0.001～500Ω |
精 度 | ±2%rdg±3dgt(20℃±5℃，70%RH以下) |
地线穿孔尺寸 | 60mm×30mm，闭口式(可以穿过60mmX4mm扁钢或外径Ф30mm电缆) |
连接线 | 1条，长1米 |
通讯方式 | 有线网络： RS485通信协议 无线网络： RS485、GPRS/GSM、ZigBee通信协议 |
网络点数 | 有线网络：1～8个接地点，可扩展 无线网络：1～8个接地点，可扩展 |
通讯距离 | 有线网络：约1500米 无线网络：不限制 |
大气电场仪
在气象领域，对于雷暴的监测手段，分为间接监测和直接监测两种；间接监测的方法包括了多普勒气象雷达、卫星云图等；而直接监测手段则主要是大气电场仪、闪电定位仪等。在上述系统中，大气电场仪是唯一针对雷电发生的最根本因素—雷云电荷量，即大气电场场强进行监测的系统；它能够通过对电场强度、极性变化的探测和分析，实时地监测本地雷云变化，并对可能造成雷击危险的大气电场变化加以识别和预警。本大气电场仪能够探测到可能产生雷击的雷云电场。大气电场中的场强将会被一组相关数据修正，将探测头所在地的具体情况对预测的影响计算在内，然后反映在输出结果中并与三个场强门限相比较，以确定报警等级。
一般我们用以下三个场强阀值来界定报警等级：
1 级报警：默认的阀值为 2KV/m，此时雷暴云正在形成，对雷暴的初始活动进行报警；
2 级报警：默认的阀值为 4KV/m，此时雷暴正逐渐逼近，对正在接近的雷暴或在本地生成的雷暴进行报警。
3 级报警：默认的阀值为 6KV/m，雷暴即将发生，对即将在监测地发生的雷击进行报警。
雷电流监测仪技术参数
供电电源 | AC220V | 雷击极性 | 正/负极 |
适用网络 | 220V/380V | 雷电流监测 | 1路 |
防护等级 | 54 | 显示模块 | 128*64点阵式液晶背光显示 |
运行温度 | -20℃— +60℃ | 雷击时间 | 年/月/日/时/分/秒 |
存储温度 | -30℃— +70℃ | 雷击次数 | 999次 |
防雷能力 | Imax（8/20us） 100KA Up<1.5Kv | 通信方式 | RS-485/ZigBee/GPRS |
雷击能量 | 0—35AS | 通信距离 | 有线1000米，无线2000米 |
雷击强度 | 1KA—100KA，精度±10% | 功耗 | <10W |
② 基于智能网关的解析传输层：采用嵌入式智能网关系统，访问并接收、解析数据，秒级上传至服务器。网络采用有线/GPRS传输方式，传输协议采用TCP/IP、MQTT、标准Modbus协议等自适应方式；
③ 基于互联网的数据服务层：实现数据分析、故障报警、异常预警、数据存储、信息发布等功能。具备C/S两层架构和B/S三层架构应用模式，适用于不同的应用场景。
④ 基于监控终端的客户应用层：通过电脑、手机APP或WEB浏览器的应用方式，实现实时监测、实时预警、安全监管、及时响应、应急指挥和预案等工作需要。
3.2 雷电防护GIS智能在线监测预警系统可实现的功能
对民航空管系统来说，可根据空管设施设备的需要，有针对性采用雷电预警（场地）、雷电流监测、SPD监测、接地电阻监测及动力环境监测等采集模块，经过算法技术及智能分析后，通过后台或移动终端对机场空管系统进行雷电安全防护系统的监管工作。
通过以上模块的组成的系统平台可对机场区域实现如下功能：1、对区域可能发生的雷电进行预、报警；2、对塔台雷达或甚高频雷达相关重要设施在雷电入侵后进行入侵时间、次数、雷电流峰值、极性、能量等数据采集；3、对安装的SPD泄露电流、环境温湿度、劣化状态、前置空开的闭合等参数进行采集记录；4、对机场空管设施的接地网阻值进行实时的监测、采集；5、对设备电网的电压电流进行监测报警以及蓄电池组的电压、充/放电电流流、单体电压、电池组温度进行监测、采集，并对过压、欠压、截止电压进行三级报警。
3.3 空管设施设备应用雷电防护GIS智能在线监测预警系统的意义
雷电防护GIS智能在线监测预警系统是建立在规范的基本雷电防护措施之上，通过该系统的应用，进一步规范民航机场空管设施设备的雷电防护工作，又可极大提高空管雷电防护的科技水平；其次通过各防护要素的实时监测、数据采集、状态预警，使雷电防护体系可视化、险情工作预防化、应急指挥明确化、响应工作及时化、安全监管网络化、事件分析数据化，对充分发挥雷电防护措施的作用，预防雷击风险，降低空管设备、设施发生故障的概率，提高空管设施、设备工作的可靠性和稳定性，保障民航的飞行安全意义重大。