帶雷擊故障預(yù)警功能的智能防雷裝置在鐵路上的應(yīng)用研究

鐵路通信信號(hào)設(shè)備分布于不同的地理環(huán)境，雷區(qū)分布差異較大，定期巡檢無(wú)法滿足防雷設(shè)備的及時(shí)更換，整體缺乏精細(xì)化防雷方案。為此，提出了一種具有雷擊故障預(yù)警功能的智能防雷裝置，可針對(duì)每一路防雷單元實(shí)時(shí)采集、獨(dú)立監(jiān)測(cè)，保證了設(shè)備的正常工作，減輕了巡檢人員的工作量。

作者：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所：肖桐（助理研究員）、阮小飛（副研究員）、付茂金（研究員）

本文是中國(guó)鐵道科學(xué)研究院科研項(xiàng)目：鐵路車(chē)輛運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)綜合防雷技術(shù)與應(yīng)用的研究（2016YJ061）。全文發(fā)表在《鐵路通信信號(hào)》2018.3

隨著高速鐵路建設(shè)和鐵路運(yùn)營(yíng)設(shè)備全電子化和智能化的發(fā)展，雷電災(zāi)害成為影響鐵路安全運(yùn)行的重要危險(xiǎn)源，急需從根本上確保鐵路通信信號(hào)設(shè)備能夠正常穩(wěn)定的工作，避免雷災(zāi)困擾。

目前鐵路行業(yè)常見(jiàn)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)模式為定期巡檢、故障更換。但從雷區(qū)分布圖上看，不同的地理環(huán)境（位置），雷區(qū)分布差異較大，同一區(qū)域內(nèi)不同車(chē)站間差異亦較大。而通信信號(hào)設(shè)備一旦遭受雷擊損壞，修復(fù)難度很大，如若設(shè)備癱瘓或長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，不僅經(jīng)濟(jì)損失巨大，也會(huì)給鐵路運(yùn)輸帶來(lái)很大的安全隱患。

為了解決現(xiàn)有問(wèn)題，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所自主研發(fā)了一種具有雷擊故障預(yù)警功能的智能防雷裝置，用于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，對(duì)防雷模塊的使用壽命進(jìn)行量化分析，精準(zhǔn)采集整套設(shè)備內(nèi)每一路單獨(dú)防雷單元所經(jīng)受的雷擊次數(shù)，當(dāng)達(dá)到其預(yù)計(jì)使用次數(shù)時(shí)，通知用戶(hù)盡快更換，保障鐵路通信信號(hào)設(shè)備的安全使用。該裝置配套報(bào)警模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊，分別為本地和遠(yuǎn)程提供告警功能，支持多種通信接口及標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，用戶(hù)也可采用即插即用式設(shè)備及配套軟件，隨時(shí)檢查設(shè)備當(dāng)前經(jīng)受的雷擊次數(shù)。

1 裝置構(gòu)成及主要功能

該監(jiān)測(cè)預(yù)警型智能防雷裝置由供電模塊、防雷單元、采集單元、主控單元和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備構(gòu)成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置目前搭載了6套防雷單元，還可根據(jù)實(shí)際情況擴(kuò)展至8套。配套開(kāi)發(fā)了相關(guān)應(yīng)用軟件，可用于本地或遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備當(dāng)前雷擊次數(shù)。

2 設(shè)計(jì)原理

防雷單元采用3級(jí)防護(hù)電路，第1級(jí)將侵入線路的大部分大電流、高電壓泄放入地；第2級(jí)、第3級(jí)是對(duì)第1級(jí)的殘壓進(jìn)行二次箝位，使輸出端的殘存雷電壓低于設(shè)備（系統(tǒng)）的耐壓水平，尤其防護(hù)微電子設(shè)備。每路防護(hù)單元板內(nèi)置獨(dú)立的微型雷電流傳感器，可分別監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸線纜遭受的雷擊次數(shù)，由處理主板對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中采集處理。防護(hù)單元板設(shè)置狀態(tài)警示燈，達(dá)到閾值時(shí)主控系統(tǒng)點(diǎn)亮報(bào)警燈，上傳報(bào)警數(shù)據(jù)至服務(wù)器，提示值班人員防雷單元當(dāng)前狀態(tài)，建議更換防雷單元等。
1)采集單元選用空心線圈式電流傳感器作為非接觸式無(wú)源傳感器，套設(shè)在連接防雷單元與防雷接地排的導(dǎo)線上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)雷擊過(guò)程，并通過(guò)硬件電路實(shí)現(xiàn)濾波、隔離功能，避免多套采集設(shè)備間的相互干擾，精準(zhǔn)采集當(dāng)前防雷單元的雷擊次數(shù)。

2)電源部分選用AC220V/DC、5V2A 開(kāi)關(guān)電源模塊，為主控板及串口網(wǎng)口輸出板供電，具有工作穩(wěn)定可靠、輸出電流電壓精度高等特點(diǎn)。電源部分的硬件設(shè)計(jì)充分考慮了抗雷擊以及抗干擾的能力，當(dāng)設(shè)備遭受雷擊時(shí)可保證電源穩(wěn)定工作，確保了預(yù)警功能的連續(xù)性和整套裝置的可靠性。

3)處理主板可以實(shí)時(shí)采集處理傳感器數(shù)據(jù)，控制報(bào)警燈。配套串口網(wǎng)口輸出板，提供數(shù)據(jù)上傳以及本地查詢(xún)功能。

4)串口網(wǎng)口輸出板提供RS－485串口和RJ－45網(wǎng)口2種通信接口，實(shí)時(shí)傳輸信號(hào)防雷箱當(dāng)前狀態(tài)，具備本地查詢(xún)及遠(yuǎn)程傳輸功能。

5)結(jié)合設(shè)備硬件設(shè)計(jì)，軟件部分將每一路的閾值與采集計(jì)數(shù)獨(dú)立區(qū)分，現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)各路防雷單元不同狀況的工作狀態(tài)和防護(hù)等級(jí)設(shè)定告警閾值，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)警。配套測(cè)試軟件提供本地處理或遠(yuǎn)程操作，方便作業(yè)人員隨時(shí)查看及修改相關(guān)參數(shù)，掌握實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

該防雷裝置分別針對(duì)通信和信號(hào)二類(lèi)設(shè)備配置了不同的防雷單元，依據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家鐵路局（TB/T3074－2017）《鐵道信號(hào)設(shè)備雷電電磁脈沖防護(hù)技術(shù)條件》的標(biāo)準(zhǔn)要求，分別進(jìn)行了以下沖擊試驗(yàn)。

1)限制電壓采用波形為10/700μS的沖擊電流波進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。沖擊放電電壓采用上升速率為1ｋV/μS的電壓波進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示（橫屏閱覽）。

2)標(biāo)稱(chēng)放電電流采用8/20μS電流波進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示（橫屏閱覽），將測(cè)量波的電流幅值從1ｋA逐漸增大到5ｋA。

由試驗(yàn)可以驗(yàn)證，信號(hào)防雷部分的技術(shù)參數(shù)滿足如下要求：額定工作電壓UN為24V，基礎(chǔ)限制電壓UB （1ｋV/μS）≤60V，標(biāo)稱(chēng)放電電流（8/20μS）In為5ｋA，信號(hào)防護(hù)單元限制電壓約為（31±1）V，小于標(biāo)準(zhǔn)要求的60V，沖擊放電電壓UIｍp小于500V。

通信防雷部分的技術(shù)參數(shù)滿足如下要求：額定工作電壓UN為120V，額定工作電流IN為300ｍA，標(biāo)稱(chēng)放電電流（8/20μS）In為5ｋA，電壓保護(hù)水平Up ≤ 300V，限制電壓約為（60±3）V，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的限制電壓小于190V，沖擊放電電壓UIｍp小于500V。

以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)充分表明：該防雷裝置滿足設(shè)計(jì)要求，各項(xiàng)防護(hù)參數(shù)指標(biāo)良好，各項(xiàng)測(cè)量結(jié)果遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)要求。

針對(duì)故障預(yù)警功能，還分別設(shè)計(jì)了單路多次沖擊試驗(yàn)和多路同步?jīng)_擊試驗(yàn)。首先，針對(duì)每一路防雷單元單獨(dú)沖擊固定次數(shù)，并通過(guò)軟件逐路監(jiān)測(cè)沖擊次數(shù)；之后，通過(guò)多路同步?jīng)_擊試驗(yàn)，驗(yàn)證采集主板同時(shí)處理多路雷擊的使用效果。試驗(yàn)結(jié)果表明：該裝置可準(zhǔn)確捕捉到當(dāng)前防雷單元遭受的雷擊次數(shù)，并不受鄰近防雷單元的干擾，故障預(yù)警功能穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)束語(yǔ)

該監(jiān)測(cè)預(yù)警型智能防雷設(shè)備主要是根據(jù)鐵路標(biāo)準(zhǔn)，并針對(duì)鐵路電氣化特點(diǎn)和鐵路車(chē)輛安全運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的，可同時(shí)對(duì)多路信號(hào)設(shè)備遭受雷電流侵襲的次數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程采集與監(jiān)測(cè)，提供接入組網(wǎng)的接口條件，8/20μS雷電限流波5ｋV防護(hù)保護(hù)，保證了通流容量和限制電壓都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)在實(shí)際試驗(yàn)中不影響設(shè)備傳輸，并能可靠保護(hù)傳感器。

該設(shè)備工作電壓范圍寬、頻率范圍寬、雷電限制電壓低、通流容量大，滿足了鐵路通信信號(hào)系統(tǒng)的防護(hù)要求，并能對(duì)防護(hù)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，很大程度上保證了設(shè)備的正常工作，降低維修概率，減輕了巡檢人員的工作量。

目前該產(chǎn)品作為哈爾濱鐵路局管內(nèi)的鐵路車(chē)輛運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)（“5T”系統(tǒng)）配套防雷產(chǎn)品運(yùn)用，一百余套產(chǎn)品在線運(yùn)行已超過(guò)6個(gè)月（包含了一個(gè)完整的雷雨季），經(jīng)過(guò)了實(shí)際運(yùn)行環(huán)境檢驗(yàn)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠，現(xiàn)場(chǎng)反饋良好。

參考文獻(xiàn)

［1］付茂金，阮小飛．高速鐵路通信信號(hào)綜合防雷技術(shù)［Ｍ］．北京：科學(xué)出版社，2014．ZVD中為防雷www.youliou.cn

［2］中華人民共和國(guó)國(guó)家鐵路局．TB/T3074－2017．鐵道信號(hào)設(shè)備雷電電磁脈沖防護(hù)技術(shù)條件［S］．2017．

［3］（美）內(nèi)格爾NAｇel．C＃高級(jí)編程［Ｍ］．北京：清華大學(xué)出版社，2008．

［4］李喜平，陳慶國(guó)，王吉濤．氧化鋅避雷器遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］．黑龍江科技信息，2009（14）．

［5］戚捷．通信機(jī)房設(shè)備與接地系統(tǒng)研究［D］．中國(guó)海洋大學(xué)，2007．

ZVD中為防雷 http://www.youliou.cn/knowledge/100992.html