鐵路信號(hào)設(shè)備智能防雷系統(tǒng)研究與應(yīng)用實(shí)踐

范景祥

【摘 要】鐵路信號(hào)設(shè)備是指揮列車運(yùn)行，保證列車行駛安全的重要運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)備，在遭受雷擊時(shí)，將直接威脅鐵路正常的安全生產(chǎn)。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鐵路信號(hào)防雷設(shè)備的工作狀態(tài)，降低雷電災(zāi)害對(duì)鐵路信號(hào)設(shè)備正常工作的影響，本文研究了一套智能防雷系統(tǒng)，不僅可對(duì)信號(hào)設(shè)備的供電狀態(tài)、防雷模塊的工作狀態(tài)、雷擊次數(shù)、雷擊電流、接地電阻等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還可在本地及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)給出報(bào)警提示信息，通過本套智能防雷系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)防雷設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，減輕了設(shè)備維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了故障排查時(shí)間，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵字】信號(hào)設(shè)備;智能;雷電防護(hù);數(shù)據(jù)分析

中圖分類號(hào)： G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）32-0009-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.32.003

Research and Application of Intelligent Lightning Protection System for Railway Signal Equipment

FAN Jing-xiang

（China railway communication & signal Shanghai engineering bureau group co.， LTD.， Shanghai 200000， China）

【Abstract】Railway signaling equipment is an important transport infrastructure equipment to direct train operation and ensure the safety of train operation. When lightning strikes， it will directly threaten the safety of railway production.In order to detect potential safety hazards in time， monitor the working status of railway signal lightning protection equipment in real time， and reduce the impact of lightning disasters on the work of railway signal equipment.This paper studies an intelligent lightning protection system，It can not only monitor the power supply status of signal equipment， the working status of lightning protection module， the number of lightning strikes， lightning current， grounding resistance and other information in real time， but also give alarm information at local and remote monitoring terminals.Through the field application of this intelligent lightning protection system， the real-time monitoring of lightning protection equipment is realized， the labor intensity of equipment maintenance personnel is reduced， It saves the time of troubleshooting and has practical application value.

【Key words】Signal device; Intelligence; Lightning protection; Data analysis

0 引言

隨著我國(guó)鐵路客運(yùn)和貨運(yùn)的大幅增長(zhǎng)，截止2018年年底，我國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到13.1萬(wàn)公里以上，其中高鐵里程超2.9萬(wàn)公里，是世界上運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)、規(guī)模最大的高速鐵路網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)我國(guó)地處溫帶和亞熱帶地區(qū)，雷電活動(dòng)十分頻繁，屬于雷電高發(fā)的國(guó)家。鐵路信號(hào)設(shè)備是保證列車安全行駛的重要運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)備，因此及時(shí)發(fā)現(xiàn)鐵路信號(hào)防雷設(shè)備的安全隱患，降低雷電災(zāi)害發(fā)生時(shí)對(duì)鐵路信號(hào)設(shè)備的影響，對(duì)保障列車安全高效的運(yùn)行有著重要意義。

傳統(tǒng)的鐵路信號(hào)防雷設(shè)備僅起到雷電防護(hù)的作用，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)防雷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及對(duì)雷電流泄放起重要作用的機(jī)房接地電阻阻值等相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測(cè)功能，因此需要維護(hù)人員對(duì)防雷設(shè)備進(jìn)行定期巡檢或重點(diǎn)檢查，上述檢查工作是非常必要的安全防護(hù)手段，但存在一些狀態(tài)指示參數(shù)人工測(cè)量困難，且不容易及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患等問題，同時(shí)由于維護(hù)人員個(gè)人能力的參差不齊，導(dǎo)致對(duì)防雷設(shè)備的檢查結(jié)果容易受到維護(hù)人員的主觀影響，因此針對(duì)上述問題，本文通過傳感器應(yīng)用、電子電路設(shè)計(jì)及網(wǎng)絡(luò)搭建技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套智能防雷系統(tǒng)，不僅可實(shí)現(xiàn)本地及遠(yuǎn)程對(duì)防雷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，還能對(duì)機(jī)房接地電阻阻值、雷擊電流、雷擊峰值等相關(guān)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器中，為雷電災(zāi)害影響、接地電阻阻值變化等研究提供數(shù)據(jù)支持。

1 系統(tǒng)組成

圖1 智能防雷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)包括4部分：傳感器單元、智能防護(hù)單元、數(shù)據(jù)中心和監(jiān)測(cè)平臺(tái)。傳感器單元與智能防護(hù)單元安裝在信號(hào)機(jī)械室內(nèi)，在滿足信號(hào)設(shè)備基本雷電防護(hù)功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)防雷設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程通信功能，采集到的狀態(tài)信息通過鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)上傳至數(shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)處理，監(jiān)測(cè)平臺(tái)通過應(yīng)用程序從數(shù)據(jù)中心的Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)獲取所需數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管轄范圍內(nèi)防雷設(shè)備的查看與管理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）傳感器單元。傳感器單元主要由無(wú)源的雷電采集線圈、機(jī)箱溫度傳感器和在線接地電阻測(cè)試儀構(gòu)成?？梢詫?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)防雷設(shè)備經(jīng)受雷電或浪涌過電壓次數(shù)、雷擊電流峰值、機(jī)箱溫度、接地電阻阻值等參數(shù)，并將采集到的數(shù)據(jù)傳送至智能防護(hù)單元，由防護(hù)單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

（2）智能防護(hù)單元。智能防護(hù)單元是自主研發(fā)設(shè)計(jì)，利用Altium Designer 19制作的智能主控板，該主控板內(nèi)包括數(shù)據(jù)運(yùn)算單元、電源狀態(tài)采集單元、浪涌保護(hù)器狀態(tài)采集單元、雷電信息采集單元、接地電阻通信接口，網(wǎng)絡(luò)接口、RS485通信接口、顯示屏接口等。智能防護(hù)單元不僅會(huì)對(duì)各采集數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯處理與分析，還會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)接口上傳至數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)防雷設(shè)備狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能。

（3）數(shù)據(jù)中心。由數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和服務(wù)器端軟件構(gòu)成，服務(wù)器端軟件負(fù)責(zé)與各智能防護(hù)單元通信，接收各智能防護(hù)單元上傳的數(shù)據(jù)信息，應(yīng)用服務(wù)器負(fù)責(zé)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯分析和運(yùn)算處理，數(shù)據(jù)服務(wù)器用于存儲(chǔ)結(jié)果數(shù)據(jù)，供系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)平臺(tái)讀取與顯示。數(shù)據(jù)中心可實(shí)現(xiàn)信息的共享、數(shù)據(jù)的交互等功能，同時(shí)還預(yù)留了數(shù)據(jù)通信接口，便于擴(kuò)展。

（4）監(jiān)測(cè)平臺(tái)。監(jiān)測(cè)平臺(tái)主要是指智能防雷系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)軟件，監(jiān)測(cè)軟件基于Visual Studio 2010開發(fā)軟件，采用C#語(yǔ)言開發(fā)，可根據(jù)用戶需要安裝于路局、電務(wù)段、車間等管控室內(nèi)，用戶可根據(jù)登錄的帳戶權(quán)限查看各自管轄范圍內(nèi)智能防護(hù)單元的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括設(shè)備名稱、數(shù)據(jù)的采集時(shí)間、電源狀態(tài)、浪涌保護(hù)器工作狀態(tài)、接地電阻阻值、雷擊次數(shù)、雷擊峰值等信息。

2 系統(tǒng)功能及優(yōu)點(diǎn)

系統(tǒng)開發(fā)方案充分考慮了監(jiān)測(cè)內(nèi)容的全面性與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)用性，不僅可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)防雷設(shè)備的工作狀態(tài)，還具有設(shè)備故障提示及故障點(diǎn)迅速定位的功能，減少設(shè)備維護(hù)難度，使系統(tǒng)具有以下功能及優(yōu)點(diǎn)。

（1）浪涌保護(hù)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。系統(tǒng)內(nèi)浪涌保護(hù)器數(shù)量眾多，在其發(fā)生松動(dòng)或故障時(shí)不易被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，智能防雷系統(tǒng)可對(duì)每一個(gè)浪涌保護(hù)器的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在浪涌保護(hù)器遭到雷擊失效翻紅牌或安裝松動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警并將精確的浪涌保護(hù)器故障信息傳輸至數(shù)據(jù)中心，維護(hù)人員可在監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)故障浪涌保護(hù)器進(jìn)行迅速定位，節(jié)省故障點(diǎn)處理時(shí)間。

（2）雙路電源狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。系統(tǒng)可對(duì)雙路單相或三相電進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不僅可對(duì)雙路電是否掉電進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還可對(duì)缺相故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在出現(xiàn)掉電或缺相等故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出發(fā)聲光報(bào)警并將詳細(xì)的故障信息傳輸至數(shù)據(jù)中心，提示維護(hù)人員進(jìn)行相應(yīng)故障處理。

（3）防火功能。由于防雷器中含有壓敏電阻，存在遭受多次雷擊失效、發(fā)熱引起火災(zāi)的事故隱患。因此在智能防雷系統(tǒng)中設(shè)置有溫度傳感器，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)工作溫度超過80度時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警并將報(bào)警信息傳輸至數(shù)據(jù)中心，使維護(hù)人員及時(shí)查看到火災(zāi)隱患。

（4）雷電信息采集功能。智能防雷系統(tǒng)帶有無(wú)源的雷電采集線圈，不僅可以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)經(jīng)受雷擊或浪涌過電壓次數(shù)，還可以記錄每次的雷擊峰值，同時(shí)在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器中為現(xiàn)場(chǎng)保留詳細(xì)的雷擊數(shù)據(jù)，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的雷擊情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

（5）接地電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。智能防雷系統(tǒng)帶有在線接地電阻測(cè)試儀，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接地電阻數(shù)值，當(dāng)接地電阻阻值超過預(yù)設(shè)閥值時(shí)，智能防護(hù)單元會(huì)將地阻值異常信息傳輸至數(shù)據(jù)中心，及時(shí)提示維護(hù)人員進(jìn)行故障處理，保證雷電防護(hù)設(shè)備在遭受雷擊時(shí)，雷擊電流可正常泄放，保障鐵路信號(hào)設(shè)備的正常工作。

（6）通信監(jiān)測(cè)功能。系統(tǒng)具備通信檢查功能，在智能防護(hù)單元與數(shù)據(jù)中心通信中斷時(shí)，智能防護(hù)單元會(huì)主動(dòng)與數(shù)據(jù)中心進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重連，在超過最大重連次數(shù)時(shí)，智能防護(hù)單元與數(shù)據(jù)中心會(huì)做出通信超時(shí)判斷，及時(shí)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)維人員進(jìn)行通信故障的提示，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通信自檢功能。

（7）歷史數(shù)據(jù)可追溯。系統(tǒng)存儲(chǔ)了智能防護(hù)單元上傳的所有數(shù)據(jù)，包含工作溫度、接地電阻、雷擊次數(shù)、雷擊電流峰值、雷擊時(shí)間和防雷模塊狀態(tài)等信息，便于以后對(duì)數(shù)據(jù)的瀏覽和分析，為實(shí)施更有效的設(shè)備防護(hù)方案提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

3 系統(tǒng)應(yīng)用及數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)于2016年9月開始應(yīng)用于某鐵路局的信號(hào)設(shè)備防護(hù)中，截至2019年5月止，該鐵路局已應(yīng)用本智能防雷系統(tǒng)的車站機(jī)房達(dá)298處，安裝智能防雷系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)平臺(tái)27處，本系統(tǒng)利用該局鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了如上圖2所示的從路局、段、車間和車站之間的三層四級(jí)組網(wǎng)。

路局（電務(wù)處）、電務(wù)段、車間的27處監(jiān)測(cè)平臺(tái)通過鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)接入到系統(tǒng)設(shè)置在該鐵路局的數(shù)據(jù)中心，根據(jù)自身登錄的帳戶權(quán)限查看各自管轄范圍內(nèi)的車站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。智能防雷系統(tǒng)從應(yīng)用至今，不僅為該路局提供了直觀、良好的防雷設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段，還使維護(hù)人員實(shí)時(shí)獲得了各機(jī)房接地電阻阻值及信號(hào)設(shè)備供電狀態(tài)等信息，減輕了設(shè)備維護(hù)人員的工作強(qiáng)度，減少了故障排查時(shí)間。

系統(tǒng)在應(yīng)用過程中也發(fā)現(xiàn)了類如防雷設(shè)備工作狀態(tài)改變，而監(jiān)測(cè)平臺(tái)信息顯示延時(shí)等問題，系統(tǒng)已在應(yīng)用過程中結(jié)合用戶提出的寶貴建議，進(jìn)行了相應(yīng)的系統(tǒng)升級(jí)，解決了現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的故障難題。智能防雷系統(tǒng)既具有防護(hù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的本地顯示，如圖3所示，還具有監(jiān)測(cè)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端查看及維護(hù)的功能，如圖4所示。

智能防雷系統(tǒng)不僅可對(duì)所有站的防雷設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還可對(duì)各站上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，用于對(duì)相關(guān)課題的研究提供數(shù)據(jù)支持，下面以研究接地電阻變化為例進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與討論，選取該局同一車間的A、B、C、D、E、F六個(gè)站的2019年2月至2019年7月之間的接地電阻數(shù)據(jù)對(duì)該地區(qū)接地電阻值變化規(guī)律及趨勢(shì)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，各站接地電阻值隨時(shí)間變化曲線如下圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10所示。

數(shù)據(jù)分析

（1）通過圖5～圖10可知，各站在同一時(shí)間段內(nèi)的接地電阻值變化各不相同，C站接地電阻值變化幅度最大，D站接地電阻值變化幅度最小，已知各站地理位置相距不大，氣候條件的影響因素較小，且接地電阻測(cè)量?jī)x器與方法一至，分析造成接地電阻值變化幅度不同的主要影響因素應(yīng)是各站的土質(zhì)條件，即土壤電阻率不同所致。

（2）通過圖5～圖10可知，各站均是在3月初達(dá)到各站地阻值的最大值，從3月中旬后，各站地阻值均呈下降趨勢(shì)，分析主要原因是該區(qū)域從3月中旬開始溫度升高，地表解凍，開始形成降雨，使地表濕潤(rùn)，土壤濕度增高，使得該區(qū)域各站的接地電阻值減小。

（3）通過圖7、圖10可知，C站、F站最大的接地電阻值在3月均超過了鐵路對(duì)信號(hào)機(jī)房接地電阻最大值1歐姆的要求，需要維護(hù)人員到現(xiàn)場(chǎng)查看導(dǎo)致C站與F站地阻值偏大的主要原因并進(jìn)行整改，保證機(jī)房信號(hào)設(shè)備的運(yùn)行安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

保證鐵路信號(hào)設(shè)備安全穩(wěn)定的運(yùn)行，就是保證鐵路行車安全。智能防雷系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查看、故障迅速定位、歷史數(shù)據(jù)可追溯等特點(diǎn)，是改善電務(wù)部門運(yùn)維水平的重要系統(tǒng)，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)還需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行不斷的完善與升級(jí)，為系統(tǒng)加入程序的遠(yuǎn)程升級(jí)功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)程序遠(yuǎn)程批量化升級(jí)，為系統(tǒng)增加手持監(jiān)測(cè)平臺(tái)，使維護(hù)人員可更加及時(shí)的對(duì)防雷設(shè)備故障隱患進(jìn)行修復(fù)，減少因雷害造成的鐵路信號(hào)設(shè)備故障，為鐵路行車安全保駕護(hù)航。

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