智能雷電防護(hù)與運(yùn)維系統(tǒng)在鐵路車(chē)輛軸溫智能探測(cè)方面的應(yīng)用

郭浩

（中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司 豐臺(tái)車(chē)輛段，北京 100070）

1 概述

鐵路車(chē)輛軸溫智能探測(cè)系統(tǒng)（THDS）實(shí)時(shí)采集運(yùn)行車(chē)輛的軸承溫度、環(huán)境溫度、軸數(shù)等信息，通過(guò)綜合評(píng)估、診斷、預(yù)警來(lái)確保車(chē)輛運(yùn)行安全[1-3]。從1980年第一代載波傳輸描筆式軸溫探測(cè)儀大規(guī)模投入使用，發(fā)展到現(xiàn)今的THDS，其電子元器件電路集成度越來(lái)越高，而絕緣強(qiáng)度低、過(guò)電壓和過(guò)電流耐受能力差、電磁干擾敏感的特點(diǎn)越來(lái)越突出，一旦設(shè)備受到直接雷擊或其附近發(fā)生雷擊，雷電過(guò)電壓、過(guò)電流和脈沖電磁場(chǎng)會(huì)通過(guò)電源線、信號(hào)線等途徑到達(dá)設(shè)備，造成控制設(shè)備損壞或信號(hào)錯(cuò)誤，從而影響設(shè)備的正常工作[4-6]。THDS采取外部防雷裝置+內(nèi)部防雷裝置相結(jié)合的基礎(chǔ)雷電防雷方式（見(jiàn)圖1），為保證防雷裝置的有效性，需人工定期對(duì)浪涌保護(hù)器（SPD）、地網(wǎng)等核心裝置進(jìn)行檢測(cè)維護(hù)[7-8]。

圖1 THDS基礎(chǔ)防雷結(jié)構(gòu)

2 既有防雷裝置及人工定期巡檢的不足

2.1 地網(wǎng)阻值測(cè)量不符合標(biāo)準(zhǔn)

機(jī)房基本建在鐵路沿線，一側(cè)是鋼軌，另一側(cè)或是山坡、溝壑、民宅、公路等處所，較差的環(huán)境使得測(cè)量距離很難符合國(guó)際三極法的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)要求，造成測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。

2.2 無(wú)法獲得準(zhǔn)確而有效的地網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)

機(jī)房周?chē)姶怒h(huán)境復(fù)雜：上方是高壓接觸網(wǎng)，周?chē)卿撥壖敖徊娣笤O(shè)的各種入戶(hù)電纜。復(fù)雜的電磁環(huán)境會(huì)對(duì)接地電阻測(cè)量產(chǎn)生感性與容性耦合，同時(shí)也存在阻性耦合影響[9-10]。當(dāng)接觸網(wǎng)電流經(jīng)鋼軌回流時(shí)，會(huì)有部分電流沿鋼軌漏泄入地，在散流入地點(diǎn)周?chē)鄬?duì)于遠(yuǎn)處大地間的電位升高，且通過(guò)大地阻性耦合，在監(jiān)測(cè)設(shè)備機(jī)房接地裝置間產(chǎn)生電位差，同樣也會(huì)對(duì)接地電阻的測(cè)量造成影響（見(jiàn)圖2）。因此，在不采取一定抗干擾措施下進(jìn)行測(cè)量難以獲得準(zhǔn)確有效的地網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。

圖2 機(jī)房環(huán)境對(duì)接地體電阻耦合的影響

2.3 存在安全隱患

設(shè)備與接地裝置斷開(kāi)及手搖式地阻表測(cè)量方式（見(jiàn)圖3）使得人和設(shè)備都置于無(wú)保護(hù)狀態(tài)，存在一定安全隱患（尤其在雷雨季節(jié)）。

圖3 手搖式地阻表測(cè)量方式

2.4 檢測(cè)方式被動(dòng)

作為防雷裝置重要組成部分的SPD，限制浪涌電流沿配電線路侵入，對(duì)保護(hù)后備設(shè)備及人員安全起著關(guān)鍵性作用，SPD的劣化將直接導(dǎo)致防雷防護(hù)的失效。由于SPD劣化的隨機(jī)性和損壞時(shí)間的不確定性，每年6次的低頻定期巡檢（春檢春鑒、秋檢秋鑒、季度例行檢查）的檢測(cè)方式略顯被動(dòng)。

2.5 勞動(dòng)強(qiáng)度大，耗時(shí)低效

豐臺(tái)車(chē)輛段擁有105個(gè)THDS探測(cè)站，擁有156套設(shè)備，既有規(guī)程規(guī)定：防雷裝置每年春檢春鑒、秋檢秋鑒進(jìn)行全面檢查整修，每個(gè)季度進(jìn)行1次例行檢查（見(jiàn)表1）。

表1 豐臺(tái)車(chē)輛段THDS防雷裝置正常檢修時(shí)間

從表1可以看出，既有檢修方式存在以下不足：

（1）整體檢修時(shí)間25 803.0 h，其中：用于檢修的時(shí)間為1 575.0 h。真正檢修時(shí)間占全部時(shí)間的6.1%，其余均為輔助（往返、就位）時(shí)間（如張家口動(dòng)態(tài)維修車(chē)間管轄的李家營(yíng)THDS，汽車(chē)往返就需要14 h，必須在外過(guò)夜住宿）。

（2）人均月工作時(shí)間430.05 h（5 160.6/12），人均日工作時(shí)間19.77 h（430.05/21.75，國(guó)家規(guī)定每月平均工作日為21.75 d），遠(yuǎn)大于國(guó)家規(guī)定的每天8 h工作量。

2.6 存在行車(chē)安全隱患

豐臺(tái)車(chē)輛段THDS所布設(shè)的京滬線、京九線、京廣線地處北京干旱地帶，土壤電阻率高，普通接地普遍效果不佳；THDS所布設(shè)的京承線、唐呼線處于山區(qū)，屬雷電高發(fā)地區(qū)。2016年因雷擊造成THDS停機(jī)377.48 h；2017年因雷擊造成THDS停機(jī)1 032.99 h。

THDS停機(jī)被列為車(chē)輛系統(tǒng)故障中的行車(chē)設(shè)備故障。在此期間運(yùn)行的鐵路車(chē)輛存在故障高溫軸時(shí)，會(huì)因停機(jī)漏探無(wú)法預(yù)報(bào)，處置不及時(shí)會(huì)造成危及行車(chē)安全的事故（如車(chē)軸熱切）。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，遭受雷擊損壞的THDS中，有80%是因防雷裝置狀態(tài)不良造成的。因此，實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確掌握防雷裝置運(yùn)行狀態(tài)已成為T(mén)HDS亟待解決的問(wèn)題。

3 智能雷電防護(hù)與運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)

智能雷電防護(hù)與運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)：對(duì)THDS雷電防護(hù)裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量、監(jiān)測(cè)，經(jīng)分析進(jìn)行預(yù)警，開(kāi)展預(yù)防性、針對(duì)性維護(hù)，確保其雷電防護(hù)能力得到有效、可靠保障。

智能雷電防護(hù)與運(yùn)維系統(tǒng)工作原理：以傳統(tǒng)雷電防護(hù)裝置為基礎(chǔ)，通過(guò)增加地網(wǎng)智能檢測(cè)終端、智能型電源防雷箱、雷電智能監(jiān)測(cè)終端等智能傳感測(cè)量裝置，完成對(duì)THDS地網(wǎng)接地電阻阻值狀態(tài)、電源防雷箱供電狀態(tài)、SPD劣化狀態(tài)、機(jī)房雷擊情況與各終端工作狀態(tài)等信息的實(shí)時(shí)采集。各傳感和測(cè)量終端通過(guò)RS485將地網(wǎng)阻值狀態(tài)、SPD劣化狀態(tài)和探測(cè)站雷擊信息等數(shù)據(jù)集中傳給防雷數(shù)據(jù)管理終端，數(shù)據(jù)管理終端對(duì)全部防雷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和打包后，在THDS非接車(chē)監(jiān)測(cè)時(shí)段，經(jīng)RS232/RS485/LAN等多種傳輸途徑將數(shù)據(jù)傳給THDS，數(shù)據(jù)本地不解析，僅通過(guò)光纖將數(shù)據(jù)傳至鐵路計(jì)算機(jī)網(wǎng)，最終數(shù)據(jù)在各復(fù)示終端進(jìn)行解析、顯示及應(yīng)用。

智能雷電防護(hù)與運(yùn)維系統(tǒng)從宏觀角度上分為應(yīng)用層、傳輸層和感知層3個(gè)層面，從構(gòu)成上分為信息管理系統(tǒng)（應(yīng)用層）、防雷數(shù)據(jù)管理及傳輸裝置（傳輸層）、智能傳感和測(cè)量裝置（感知層）及基礎(chǔ)雷電防護(hù)裝置（感知層）4部分（見(jiàn)圖4）。

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 信息管理系統(tǒng)

信息管理系統(tǒng)由復(fù)示端平臺(tái)軟件、機(jī)房監(jiān)控設(shè)備軟件組成，用于車(chē)輛段復(fù)示站、車(chē)輛檢測(cè)所復(fù)示站和列檢所復(fù)示站進(jìn)行相關(guān)信息顯示（見(jiàn)圖5）。工作人員通過(guò)進(jìn)行隸屬單位、報(bào)警類(lèi)型（7 d內(nèi)遭受雷擊、地阻超標(biāo)、SPD劣化）、監(jiān)測(cè)位置（地網(wǎng)、引下線、防雷箱）的選擇，可以完成實(shí)時(shí)查看、遠(yuǎn)程測(cè)量、定時(shí)測(cè)量、統(tǒng)計(jì)圖表等工作，系統(tǒng)自動(dòng)完成定時(shí)測(cè)量、地阻超標(biāo)報(bào)警、SPD劣化報(bào)警、雷擊參數(shù)采集和系統(tǒng)故障自行診斷等工作。

圖5 信息管理系統(tǒng)主界面

3.2 防雷數(shù)據(jù)管理與傳輸裝置

防雷數(shù)據(jù)管理與傳輸裝置完成現(xiàn)場(chǎng)雷電防護(hù)數(shù)據(jù)收集、緩存、處理、壓縮傳輸、自檢、監(jiān)控與各傳感測(cè)量硬件的通信狀態(tài)以及監(jiān)控與THDS間的通信狀態(tài)等工作。當(dāng)出現(xiàn)通信異常時(shí)，及時(shí)在本地顯示并反饋給信息管理平臺(tái)。

3.3 智能傳感與測(cè)量裝置

智能傳感與測(cè)量裝置由地網(wǎng)智能檢測(cè)終端、智能電源防雷箱、雷電智能監(jiān)測(cè)終端3部分組成，其中：

（1）地網(wǎng)智能檢測(cè)終端利用物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字微處理、自動(dòng)頻率控制（AFC）等多項(xiàng)新技術(shù)，完成實(shí)時(shí)/定時(shí)測(cè)量、阻值超標(biāo)報(bào)警等工作。

（2）智能電源防雷箱實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)電壓（電流）、SPD劣化狀態(tài)、雷擊計(jì)數(shù)、雷擊強(qiáng)度、雷擊發(fā)生時(shí)間、SPD全生命周期測(cè)算、故障保護(hù)空開(kāi)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。

（3）雷電智能監(jiān)測(cè)終端對(duì)雷電流的特性參數(shù)（雷擊次數(shù)、時(shí)間、峰值、能量、極性等）進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

智能傳感與測(cè)量裝置各部分的主要監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

3.4 基礎(chǔ)雷電防護(hù)裝置

基礎(chǔ)雷電防護(hù)裝置分為內(nèi)部防雷裝置和外部防雷裝置，內(nèi)部防雷裝置由內(nèi)部屏蔽、等電位連接、電源防護(hù)、信號(hào)防護(hù)、SPD等組成，外部防雷裝置由接閃器、引下線和接地裝置組成。

（1）外部防雷裝置的主要作用是將雷擊產(chǎn)生的雷電流順利引入大地。

（2）內(nèi)部防雷裝置的主要作用是盡可能地將可能進(jìn)入的雷電流阻擋在機(jī)房外，并將因雷擊使機(jī)房?jī)?nèi)THDS電磁效應(yīng)所產(chǎn)生的雷電流安全泄放入大地，防止反擊、接觸電壓、跨步電壓等二次雷擊傷害。

4 智能雷電防護(hù)與運(yùn)維系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

4.1 接地電阻自動(dòng)測(cè)量技術(shù)

將三極法測(cè)量方式與異頻電阻測(cè)量技術(shù)進(jìn)行有機(jī)組合，實(shí)現(xiàn)接地電阻的自動(dòng)測(cè)量。

4.1.1 三級(jí)法測(cè)量方式

按照標(biāo)準(zhǔn)要求，系統(tǒng)接地裝置采用水平埋設(shè)（距地面0.8 m深）的一字形鍍銅鋼絞線（規(guī)格：95 mm2、長(zhǎng)10 m），每隔3 m焊接鍍銅鋼棒（規(guī)格：20 mm2、長(zhǎng)1.5 m），共3～4根垂直埋設(shè)的方案。

測(cè)量方式：測(cè)量用電流極A距被測(cè)接地裝置G邊緣的距離為40 m，測(cè)量用電壓極B距被測(cè)接地裝置G邊緣的距離為20 m；電壓極和接地裝置等效中心的連接線與電流極和接地裝置等效中心的連接線重和（即夾角θ=0°）。

4.1.2 異頻電阻測(cè)量技術(shù)

鑒于鐵路線路周?chē)ゎl干擾嚴(yán)重，直接采用頻率為94 Hz的AC 12 V交流電進(jìn)行測(cè)量，最大測(cè)量電流（Imax）不超過(guò)20 mA，若發(fā)現(xiàn)頻率干擾時(shí)，通過(guò)自動(dòng)控制頻率技術(shù)（AFC）切換至105 Hz或111 Hz或128 Hz進(jìn)行測(cè)量，最后通過(guò)軟件將測(cè)量的電阻值轉(zhuǎn)化為工頻下的接地電阻值。

異頻測(cè)量方法通過(guò)濾波濾除掉干擾影響，有效消除接地體中的工頻及高頻干擾，準(zhǔn)確測(cè)出地網(wǎng)接地電阻值。

4.2 峰值采集技術(shù)

采用羅氏線圈+數(shù)字量輸出積分器的電流測(cè)量系統(tǒng)采集雷電流峰值，可進(jìn)行毫安到兆安范圍的電流測(cè)試，具有線性度良好、帶寬范圍大、響應(yīng)速度快、無(wú)二次開(kāi)路危險(xiǎn)、過(guò)電流能力強(qiáng)、低功耗、可測(cè)量不規(guī)則導(dǎo)體、安裝方便，無(wú)須破壞導(dǎo)體、質(zhì)量輕、輸出信號(hào)與電流頻率無(wú)直接關(guān)系（相位差小于0.1°）、可測(cè)量波形復(fù)雜的電流信號(hào)（如瞬態(tài)沖擊電流）等特點(diǎn)。

其理論依據(jù)是法拉第電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律，當(dāng)被測(cè)電流沿軸線通過(guò)羅氏線圈中心時(shí)，在環(huán)形繞組所包圍的體積內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)變化的磁場(chǎng)。

羅氏線圈的輸出電壓與被測(cè)電流的微分（di/dt）成正比，只要將其輸出經(jīng)過(guò)積分器，即可得到與輸入一次電流成正比的輸出電壓。

數(shù)字量輸出積分器在內(nèi)部即完成了羅氏線圈輸出電壓信號(hào)的積分及AD采樣，并將AD采樣結(jié)果以光纖為介質(zhì)上傳至二次儀表或上位機(jī)，有效避免傳輸過(guò)程中的損耗及干擾。

套在機(jī)房等電位聯(lián)結(jié)箱總地線上的羅氏線圈測(cè)量機(jī)房整體雷擊情況。通過(guò)對(duì)機(jī)房雷電流泄放通道上雷電參數(shù)的峰值采集、還原和計(jì)算，得到每次雷擊時(shí)間、能量、峰值和極性等參數(shù)，便于雷擊事故分析并及時(shí)采取針對(duì)性的防護(hù)措施。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

采用物聯(lián)網(wǎng)DCM三層架構(gòu)（感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層），將地網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)、電源防雷箱SPD劣化狀態(tài)和機(jī)房各通道雷電泄放數(shù)據(jù)等防雷數(shù)據(jù)與THDS信息整合，以數(shù)字化的形式呈現(xiàn)給用戶(hù)，通過(guò)對(duì)感知層提供數(shù)據(jù)的分析和處理，實(shí)現(xiàn)智能化的決策和管理。

4.4 預(yù)埋裝置防腐技術(shù)

預(yù)埋裝置采用抗腐蝕和耐壓強(qiáng)度較高的高壓膠管（見(jiàn)圖6）對(duì)測(cè)試線進(jìn)行防護(hù)；采用不銹鋼做成的四通連接器實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試線與測(cè)試電極連接點(diǎn)的可靠防護(hù)；高壓膠管與觀察箱之間采用銅質(zhì)防水堵頭連接；測(cè)試電極采用抗腐蝕性較強(qiáng)的鍍銅鋼材質(zhì)，防腐技術(shù)及合理的安裝工藝保證了該裝置能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)使用壽命要求。

圖6 地網(wǎng)智能檢測(cè)預(yù)埋裝置

4.5 全生命周期算法技術(shù)

通過(guò)對(duì)SPD裝配時(shí)間、安裝環(huán)境、浪涌頻度和泄放能量等數(shù)據(jù)的采集與計(jì)算，定量判斷SPD劣化指數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)SPD劣化的提前報(bào)警，提示運(yùn)維人員采取針對(duì)性維護(hù)，既保證防護(hù)裝置的實(shí)時(shí)有效性，又大幅降低盲目檢測(cè)造成的成本、時(shí)間浪費(fèi)。

5 實(shí)施效果

目前，豐臺(tái)車(chē)輛段新建、改建了50套設(shè)備，逐步形成了一個(gè)小型化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。使用以來(lái)，取得了良好效果。

（1）智能化監(jiān)測(cè)，針對(duì)性運(yùn)維。2018年春季，根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到13套站點(diǎn)中7個(gè)地網(wǎng)阻值超標(biāo)站點(diǎn)預(yù)警提示，及時(shí)制定了針對(duì)性的整改措施，保障接地裝置的實(shí)時(shí)有效性，降低了雷雨季節(jié)THDS免遭雷擊損壞的風(fēng)險(xiǎn)。2018年雷雨季節(jié)，對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到遭受雷擊但未造成THDS損害的15個(gè)處所及時(shí)進(jìn)行針對(duì)性維修，提供確保THDS正常運(yùn)行的雷電防護(hù)保障能力。

（2）改變傳統(tǒng)運(yùn)維作業(yè)模式，降低維護(hù)成本。對(duì)已安裝系統(tǒng)的THDS采取每年1次的春檢春鑒定期檢修，其余時(shí)間依據(jù)預(yù)警信息進(jìn)行針對(duì)性、預(yù)防性維修，實(shí)現(xiàn)了部分修程修制的改革嘗試。與傳統(tǒng)每年6次定檢檢修方式相比，縮短了檢修時(shí)間，縮減了檢修工作量，減少了83.33%的定檢所涉及的人工及交通成本。

（3）提升防護(hù)效能，保障車(chē)輛安全。2018年度，豐臺(tái)車(chē)輛段THDS停機(jī)時(shí)間縮短至289.16 h，出現(xiàn)了一定幅度的下降。其中：安裝系統(tǒng)處停機(jī)時(shí)間為30.15 h，占2018年全部停機(jī)時(shí)間的10.43%；歷史同期該處所停機(jī)時(shí)間46.72 h，相比減少了54.96%。

6 結(jié)論與展望

智能雷電防護(hù)與運(yùn)維系統(tǒng)與既有THDS設(shè)備集成，2套數(shù)據(jù)統(tǒng)一由既有THDS專(zhuān)用數(shù)據(jù)通道上傳至服務(wù)器，提高了設(shè)備利用率和勞動(dòng)生產(chǎn)率，減少了設(shè)備投入。實(shí)現(xiàn)人工定期巡檢向?qū)崟r(shí)測(cè)量、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警的質(zhì)的轉(zhuǎn)變，大幅提升雷電防護(hù)能力，將雷擊損失降到最低程度，減少THDS停機(jī)時(shí)間、節(jié)省維修費(fèi)用，確保鐵路行車(chē)安全；為預(yù)防性、針對(duì)性維護(hù)方式的修程修制改革提供了硬件保障，符合THDS“智能化和無(wú)人化”的未來(lái)發(fā)展方向。

下一步，通過(guò)對(duì)不同制造商生產(chǎn)的內(nèi)部防雷裝置性能、壽命進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，確定合格供應(yīng)商名單，從質(zhì)量源頭上把關(guān)，降低企業(yè)的成本支出。對(duì)外部防雷裝置采用的材質(zhì)、規(guī)格、安裝方式進(jìn)行運(yùn)行考驗(yàn)分析，找出不同地質(zhì)地貌條件下最佳防護(hù)能力與最佳投入成本的結(jié)合點(diǎn)。對(duì)THDS區(qū)域地阻季節(jié)性變化、雷擊地點(diǎn)特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找出相應(yīng)規(guī)律，對(duì)既有THDS制定積極有效的預(yù)防性、針對(duì)性解決措施，盡最大程度提升雷擊防護(hù)能力；同時(shí)，可為新建THDS時(shí)提供更加科學(xué)的指導(dǎo)借鑒。智能雷電防護(hù)與運(yùn)維系統(tǒng)可應(yīng)用于其他鐵路車(chē)輛安全監(jiān)控設(shè)備（TPDS、TFDS、TADS、TCDS）、集控式脫軌器及類(lèi)似的通信基站等場(chǎng)合。