帶雷擊故障預警功能的智能防雷裝置在鐵路上的應用研究

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

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

本文是中國鐵道科學研究院科研項目：鐵路車輛運行安全監(jiān)控系統(tǒng)綜合防雷技術與應用的研究（2016YJ061）。全文發(fā)表在《鐵路通信信號》2018.3

隨著高速鐵路建設和鐵路運營設備全電子化和智能化的發(fā)展，雷電災害成為影響鐵路安全運行的重要危險源，急需從根本上確保鐵路通信信號設備能夠正常穩(wěn)定的工作，避免雷災困擾。

目前鐵路行業(yè)常見的運營維護模式為定期巡檢、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)不同車站間差異亦較大。而通信信號設備一旦遭受雷擊損壞，修復難度很大，如若設備癱瘓或長時間停機，不僅經(jīng)濟損失巨大，也會給鐵路運輸帶來很大的安全隱患。

為了解決現(xiàn)有問題，中國鐵道科學研究院通信信號研究所自主研發(fā)了一種具有雷擊故障預警功能的智能防雷裝置，用于克服現(xiàn)有技術的缺點和不足，對防雷模塊的使用壽命進行量化分析，精準采集整套設備內(nèi)每一路單獨防雷單元所經(jīng)受的雷擊次數(shù)，當達到其預計使用次數(shù)時，通知用戶盡快更換，保障鐵路通信信號設備的安全使用。該裝置配套報警模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊，分別為本地和遠程提供告警功能，支持多種通信接口及標準化協(xié)議，用戶也可采用即插即用式設備及配套軟件，隨時檢查設備當前經(jīng)受的雷擊次數(shù)。

1 裝置構成及主要功能

該監(jiān)測預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)絡通信設備構成，內(nèi)部結構如圖1所示。該裝置目前搭載了6套防雷單元，還可根據(jù)實際情況擴展至8套。配套開發(fā)了相關應用軟件，可用于本地或遠程實時監(jiān)測設備當前雷擊次數(shù)。

2 設計原理

防雷單元采用3級防護電路，第1級將侵入線路的大部分大電流、高電壓泄放入地；第2級、第3級是對第1級的殘壓進行二次箝位，使輸出端的殘存雷電壓低于設備（系統(tǒng)）的耐壓水平，尤其防護微電子設備。每路防護單元板內(nèi)置獨立的微型雷電流傳感器，可分別監(jiān)測信號傳輸線纜遭受的雷擊次數(shù)，由處理主板對數(shù)據(jù)進行集中采集處理。防護單元板設置狀態(tài)警示燈，達到閾值時主控系統(tǒng)點亮報警燈，上傳報警數(shù)據(jù)至服務器，提示值班人員防雷單元當前狀態(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源傳感器，套設在連接防雷單元與防雷接地排的導線上，實時監(jiān)測雷擊過程，并通過硬件電路實現(xiàn)濾波、隔離功能，避免多套采集設備間的相互干擾，精準采集當前防雷單元的雷擊次數(shù)。

2)電源部分選用AC220V/DC、5V2A 開關電源模塊，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。電源部分的硬件設計充分考慮了抗雷擊以及抗干擾的能力，當設備遭受雷擊時可保證電源穩(wěn)定工作，確保了預警功能的連續(xù)性和整套裝置的可靠性。

3)處理主板可以實時采集處理傳感器數(shù)據(jù)，控制報警燈。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，實時傳輸信號防雷箱當前狀態(tài)，具備本地查詢及遠程傳輸功能。

5)結合設備硬件設計，軟件部分將每一路的閾值與采集計數(shù)獨立區(qū)分，現(xiàn)場可根據(jù)各路防雷單元不同狀況的工作狀態(tài)和防護等級設定告警閾值，實現(xiàn)精準預警。配套測試軟件提供本地處理或遠程操作，方便作業(yè)人員隨時查看及修改相關參數(shù)，掌握實時數(shù)據(jù)。

3 試驗數(shù)據(jù)

該防雷裝置分別針對通信和信號二類設備配置了不同的防雷單元，依據(jù)中華人民共和國國家鐵路局（TB/T3074－2017）《鐵道信號設備雷電電磁脈沖防護技術條件》的標準要求，分別進行了以下沖擊試驗。

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

2)標稱放電電流采用8/20μS電流波進行沖擊試驗，試驗數(shù)據(jù)如表2所示（橫屏閱覽），將測量波的電流幅值從1ｋA逐漸增大到5ｋA。

由試驗可以驗證，信號防雷部分的技術參數(shù)滿足如下要求：額定工作電壓UN為24V，基礎限制電壓UB （1ｋV/μS）≤60V，標稱放電電流（8/20μS）In為5ｋA，信號防護單元限制電壓約為（31±1）V，小于標準要求的60V，沖擊放電電壓UIｍp小于500V。

通信防雷部分的技術參數(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，標稱放電電流（8/20μS）In為5ｋA，電壓保護水平Up ≤ 300V，限制電壓約為（60±3）V，滿足標準要求的限制電壓小于190V，沖擊放電電壓UIｍp小于500V。

以上試驗數(shù)據(jù)充分表明：該防雷裝置滿足設計要求，各項防護參數(shù)指標良好，各項測量結果遠小于標準要求。

針對故障預警功能，還分別設計了單路多次沖擊試驗和多路同步?jīng)_擊試驗。首先，針對每一路防雷單元單獨沖擊固定次數(shù)，并通過軟件逐路監(jiān)測沖擊次數(shù)；之后，通過多路同步?jīng)_擊試驗，驗證采集主板同時處理多路雷擊的使用效果。試驗結果表明：該裝置可準確捕捉到當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，故障預警功能穩(wěn)定可靠。

4 結束語

該監(jiān)測預警型智能防雷設備主要是根據(jù)鐵路標準，并針對鐵路電氣化特點和鐵路車輛安全運行監(jiān)控系統(tǒng)的特點而設計的，可同時對多路信號設備遭受雷電流侵襲的次數(shù)進行遠程采集與監(jiān)測，提供接入組網(wǎng)的接口條件，8/20μS雷電限流波5ｋV防護保護，保證了通流容量和限制電壓都滿足標準要求，同時在實際試驗中不影響設備傳輸，并能可靠保護傳感器。

該設備工作電壓范圍寬、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系統(tǒng)的防護要求，并能對防護設備進行實時在線監(jiān)測，很大程度上保證了設備的正常工作，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)的鐵路車輛運行安全監(jiān)控系統(tǒng)（“5T”系統(tǒng)）配套防雷產(chǎn)品運用，一百余套產(chǎn)品在線運行已超過6個月（包含了一個完整的雷雨季），經(jīng)過了實際運行環(huán)境檢驗，產(chǎn)品質量穩(wěn)定，監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠，現(xiàn)場反饋良好。

參考文獻

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