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境，雷區分布差異較大，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控系統綜合防雷技術與應用的研究（2016YJ061）。全文發表在《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定的工作，避免雷災困擾。

目前鐵路行業常見的運營維護模式為定期巡檢、故障更換。但從雷區分布圖上看，不同的地理環境（位置），雷區分布差異較大，同一區域內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。

為了解決現有問題，中國鐵道科學研究院通信信號研究所自主研發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每一路單獨防雷單元所經受的雷擊次數，當達到其預計使用次數時，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據傳輸模塊，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受的雷擊次數。

1 裝置構成及主要功能

該監測預警型智能防雷裝置由供電模塊、防雷單元、采集單元、主控單元和網絡通信設備構成，內部結構如圖1所示。該裝置目前搭載了6套防雷單元，還可根據實際情況擴展至8套。配套開發了相關應用軟件，可用于本地或遠程實時監測設備當前雷擊次數。

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）的耐壓水平，尤其防護微電子設備。每路防護單元板內置獨立的微型雷電流傳感器，可分別監測信號傳輸線纜遭受的雷擊次數，由處理主板對數據進行集中采集處理。防護單元板設置狀態警示燈，達到閾值時主控系統點亮報警燈，上傳報警數據至服務器，提示值班人員防雷單元當前狀態，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，實時監測雷擊過程，并通過硬件電路實現濾波、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。

2)電源部分選用AC220V/DC、5V2A 開關電源模塊，為主控板及串口網口輸出板供電，具有工作穩定可靠、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定工作，確保了預警功能的連續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據，控制報警燈。配套串口網口輸出板，提供數據上傳以及本地查詢功能。

4)串口網口輸出板提供RS－485串口和RJ－45網口2種通信接口，實時傳輸信號防雷箱當前狀態，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獨立區分，現場可根據各路防雷單元不同狀況的工作狀態和防護等級設定告警閾值，實現精準預警。配套測試軟件提供本地處理或遠程操作，方便作業人員隨時查看及修改相關參數，掌握實時數據。

3 試驗數據

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，試驗數據如表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。

以上試驗數據充分表明：該防雷裝置滿足設計要求，各項防護參數指標良好，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沖擊試驗。首先，針對每一路防雷單元單獨沖擊固定次數，并通過軟件逐路監測沖擊次數；之后，通過多路同步沖擊試驗，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，并不受鄰近防雷單元的干擾，故障預警功能穩定可靠。

4 結束語

該監測預警型智能防雷設備主要是根據鐵路標準，并針對鐵路電氣化特點和鐵路車輛安全運行監控系統的特點而設計的，可同時對多路信號設備遭受雷電流侵襲的次數進行遠程采集與監測，提供接入組網的接口條件，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的防護要求，并能對防護設備進行實時在線監測，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。

目前該產品作為哈爾濱鐵路局管內的鐵路車輛運行安全監控系統（“5T”系統）配套防雷產品運用，一百余套產品在線運行已超過6個月（包含了一個完整的雷雨季），經過了實際運行環境檢驗，產品質量穩定，監測數據可靠，現場反饋良好。

參考文獻

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