浪涌保護器壽命自監(jiān)測系統(tǒng)研究

靳邵云，肖桐，王州龍，徐金鵬

雷電是一種瞬間釋放的強烈電磁脈沖，具有非常高的電壓和電流，能夠?qū)﹁F路通信、信號設(shè)備造成嚴重損壞，甚至引發(fā)火災(zāi)，影響運輸安全［1］。浪涌保護器（Surge Protection Device，SPD）是一種應(yīng)用在現(xiàn)場的防雷裝置，用于吸收或泄放浪涌，實現(xiàn)對線路或設(shè)備的防護［2］。由于SPD的應(yīng)用十分廣泛，且數(shù)量巨大，因此其自身的工作狀態(tài)將直接影響設(shè)備的防護效果。

而目前SPD脫扣裝置的動作條件并未與SPD的使用壽命直接相關(guān)，在實際應(yīng)用時，可能會出現(xiàn)防雷器件已經(jīng)損壞但脫扣裝置未動作的情況。若不將SPD取下進行參數(shù)測量，則現(xiàn)場運維人員難以及時發(fā)現(xiàn)已損壞的SPD，造成已失效的SPD仍然連接在電路中，雷電防護存在失效風(fēng)險的同時，還可能造成由SPD自身故障引發(fā)的其他事故。

隨著傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和電子信息技術(shù)的發(fā)展，小型化、低成本的監(jiān)測方案越來越成熟和完善，這為SPD的實時監(jiān)測和壽命預(yù)測提供了條件。鐘林等［3］設(shè)計了一種雷電流識別與在線監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)雷電流的幅度、斜率、半峰值時間等，實現(xiàn)雷電流識別和循環(huán)觸發(fā)，以提高觸發(fā)的可靠性和波形檢測的完整性；張雷等［4］研究了一種嵌入式雷擊在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對輸電線路的實時監(jiān)測，提高了雷擊監(jiān)測裝置的便捷性和經(jīng)濟性。

壽命研究對于裝備的運維保障具有重要意義，準(zhǔn)確的壽命預(yù)測可以顯著提升運維管理的質(zhì)量和水平。張繼軍等［5］針對機載設(shè)備剩余使用壽命預(yù)測中存在的不確定性因素，建立了基于狀態(tài)條件概率分布的機載設(shè)備剩余壽命模型；李章楊等［6］采用層次分析法與模糊綜合評價結(jié)合的方式，分析影響鐵路信號設(shè)備使用壽命的眾多因素，建立起信號系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備使用壽命的評估流程。

本文在綜合考慮經(jīng)濟因素和現(xiàn)場環(huán)境，充分借鑒相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，利用流經(jīng)SPD的雷電流，研發(fā)專門針對SPD的壽命自監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于傳感監(jiān)測技術(shù)和壽命計算模型，實現(xiàn)對SPD的壽命自感知，具備狀態(tài)指示和通信的能力，可接入集中監(jiān)測系統(tǒng)，便于現(xiàn)場人員巡檢，為實現(xiàn)防雷設(shè)備故障預(yù)診斷及智能化監(jiān)測提供支撐。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

SPD壽命自監(jiān)測系統(tǒng)主要包括傳感模塊、微控制器（Micro Controller Unit，MCU）模塊、顯示模塊和通信模塊4個部分。系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。

圖1 SPD壽命自監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

1）傳感模塊用于實時監(jiān)測SPD經(jīng)受的雷電流及其脫扣狀態(tài)。其中空心線圈、積分電路和電壓調(diào)理電路用于雷電流的監(jiān)測，脫扣狀態(tài)監(jiān)測電路用于脫扣狀態(tài)監(jiān)測。

2）微控制器模塊的主體是一款集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog to Digital Converter，ADC）、通用輸入輸出端口（General Purpose Input/Output Port，GPIO）、集成電路互聯(lián)總線（Inter-Integrated Circuit，I2C）和控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）控制器等外設(shè)的工業(yè)級低功耗MCU，采用32位的精簡指令集，將內(nèi)核、仲裁單元、DMA模塊、SRAM存儲等通過多組總線實現(xiàn)交互。作為系統(tǒng)的核心，微控制器模塊實現(xiàn)傳感模塊的信息采集和SPD的壽命模型計算，同時驅(qū)動顯示模塊和通信模塊。

3）顯示模塊由綠、黃、紅三色燈組成，使用MCU控制，可直觀表示SPD的當(dāng)前狀態(tài)。綠燈表示正常；黃燈表示告警；紅燈表示失效。

4）通信模塊中同時包含近距離無線通信（Near Field Communication，NFC）和CAN總線通信2種方式。其中，NFC可通過讀取裝置以非接觸方式實現(xiàn)信息交互，將SPD詳細的信息展示給用戶，便于現(xiàn)場人員的巡檢；預(yù)留的CAN總線接口可以使SPD接入集中監(jiān)測平臺，實現(xiàn)遠程監(jiān)測［7］。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 雷電流監(jiān)測

由于雷電流能夠在瞬間釋放大量能量，具有破壞性［8］，除了不能直接將其接入電路外，還需考慮雷電流采集電路在浪涌保護器中安裝時體積受限的問題，因此本系統(tǒng)采用柔性空心線圈，實現(xiàn)對雷電流的間接測量［9-10］。空心線圈又名羅氏線圈，不用直接接觸被測量對象，只需將其套在被測量的導(dǎo)體上，即可實現(xiàn)電流的采集?？招木€圈具有測量范圍大、精度高、響應(yīng)速度快的特點，已廣泛應(yīng)用于雷電流測量中。

當(dāng)被監(jiān)測的導(dǎo)線中有電流經(jīng)過時，電流產(chǎn)生磁場，根據(jù)電磁感應(yīng)定律在空心線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。該感應(yīng)電動勢經(jīng)過積分電路后，即可得到與被測電流值呈比例的電壓值。但此時輸出的電壓值與ADC的采樣范圍不匹配，還需經(jīng)過電壓調(diào)理電路將該電壓值按照幅值比例，線性調(diào)整到ADC的采樣范圍內(nèi)。MCU控制ADC進行采集，并實時進行分析和存儲。

由于雷電流引起的磁場變化十分迅速，持續(xù)時間僅為數(shù)百微秒。為實現(xiàn)對雷電波形更好的采樣，設(shè)置ADC的采樣頻率為1 MHz，采樣時間間隔為1 μs。若每次采樣觸發(fā)時均占用CPU資源，則影響其他程序的執(zhí)行。為此，引入DMA（直接內(nèi)存操作）機制，提供在外設(shè)和存儲器之間，或存儲器和存儲器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，無需CPU干預(yù)，數(shù)據(jù)可以通過DMA快速地移動。

雷電流采集的硬件數(shù)據(jù)流見圖2。配置MCU的控制寄存器，將電壓調(diào)理電路的輸出信號掛載到ADC采樣通道上。啟用DMA控制器，使ADC的采樣值直接存儲到512個采樣點的RAM之中。ADC為12位，采樣1次即產(chǎn)生2個字節(jié)的數(shù)據(jù)，512個采樣點所需的存儲空間為1 KB。由于雷電流需要實時監(jiān)測，為不使數(shù)據(jù)丟失，引入了乒乓操作機制［11］，開辟了RAM1和RAM2 2塊存儲空間，當(dāng)其中一塊RAM存滿后立刻切換到另一塊RAM，如此往復(fù)［12］。當(dāng)其中一個RAM存儲結(jié)束后，將該RAM中的數(shù)據(jù)作為一幀，識別該幀內(nèi)有無有效數(shù)據(jù)，即是否包含雷電電流波形。若數(shù)據(jù)無效，則下次寫入時直接覆蓋；若檢測到有效數(shù)據(jù)，則即刻將該幀數(shù)據(jù)寫入空間為2 KB的RAM3中。等待另一個RAM的數(shù)據(jù)幀存儲完成后，再將RAM3中RAM1和RAM2的中心數(shù)據(jù)幀拼接，以防止出現(xiàn)不完整的波形。最后RAM3中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至ROM中，以供查詢和壽命值計算。

圖2 雷電流采集的硬件數(shù)據(jù)流

2.2 脫扣狀態(tài)監(jiān)測

浪涌保護器中脫扣裝置的作用為：①實時表示當(dāng)前的脫扣狀態(tài)；②當(dāng)脫扣發(fā)生時，及時切斷與被保護線路的電氣連接；③當(dāng)脫扣發(fā)生后，及時發(fā)布信息，表示脫扣裝置已動作。

目前，脫扣裝置是采用一套相互聯(lián)動的機械機構(gòu)，當(dāng)SPD中流經(jīng)電流并持續(xù)一段時間時，防雷器件會發(fā)熱，促使SPD的溫度升高。當(dāng)溫度升高到一定程度時，脫扣裝置中的焊錫融化，使機械裝置脫開，驅(qū)動微動開關(guān)彈開。微動開關(guān)的開閉狀態(tài)，即為SPD脫扣狀態(tài)的表征?？墒褂肕CU的I/O引腳監(jiān)測微動開關(guān)的變化，進而實現(xiàn)SPD脫扣狀態(tài)的監(jiān)測。

3 通信方式

3.1 CAN通信

隨著鐵路智能運維的推進和發(fā)展，使SPD具備接入集中監(jiān)測平臺和遠程狀態(tài)感知的能力十分必要。CAN總線是一種實時應(yīng)用的串行通信協(xié)議總線，廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)和領(lǐng)域，可在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信［13］。

壽命自監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)留了CAN總線通信接口，并制定了專用的通信協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)SPD歷次的壽命值、雷擊電流波形、雷擊幅值、雷擊時刻和雷擊計數(shù)等查詢。同時，還具備告警信息和失效信息的主動發(fā)送功能。

MCU中集成了CAN控制器，可通過程序?qū)崿F(xiàn)CAN通信協(xié)議。將MCU中CAN控制器的輸出引腳與CAN驅(qū)動器的輸入引腳連接，由CAN驅(qū)動器的輸出引腳通過匹配電阻接入CAN總線。

在實際應(yīng)用時，可將安裝位置較近的多個SPD采用就近原則掛載在CAN總線上，實現(xiàn)多個SPD壽命自監(jiān)測系統(tǒng)與監(jiān)測系統(tǒng)之間的通信。

3.2 NFC通信

為方便現(xiàn)場人員巡檢時能夠隨時讀取SPD的詳細信息，系統(tǒng)還采用了NFC通信機制［14］。NFC通信采用動態(tài)電子標(biāo)簽，其一端與MCU的I2C接口相連，另一端與通信天線連接。MCU的I2C接口和天線接口均可以對存儲區(qū)的數(shù)據(jù)進行讀寫，從而實現(xiàn)天線與MCU的雙向通信。

4 系統(tǒng)軟件

4.1 劣化核計算

流經(jīng)SPD的雷電流是導(dǎo)致SPD損壞的直接原因，溫度和漏流是SPD劣化過程中的間接表征。浪涌保護器每經(jīng)受一次雷擊都將對其壽命產(chǎn)生影響。為描述這種影響程度，本文引入劣化核的概念。

一般情況下，雷電流的幅值越大、變化越劇烈，雷擊時間間隔越小，對SPD造成的損壞就越大。本文將流經(jīng)SPD的雷電流作為其壽命評價的依據(jù)，把雷電流的波形、幅值和2次雷電流間的沖擊時間間隔作為壽命模型的輸入?yún)?shù)。其中，雷電流的波形用于計算能量值，幅值用于表征在相同能量值下雷電流強度變化的劇烈程度。將上述3個參數(shù)進行計算融合，即可得到用于浪涌保護器壽命狀態(tài)切換的劣化核。

當(dāng)SPD經(jīng)受雷擊時，系統(tǒng)中的傳感模塊能夠采集并存儲雷擊的波形；隨后，在MCU中運行處理程序，對該雷擊波形進行中值濾波，剔除掉異常的數(shù)據(jù)點，得到平滑的雷電波形；在處理后的雷電波形中，尋找其最大值作為雷電流峰值I；將雷電波形在時間上進行積分，得到能量值E；此次雷擊與上次雷擊之間的時間間隔為T。將E、I、T按式（1）進行計算，得到劣化核KN為

式中：EN為第N次雷擊的能量值；IN為第N次雷電流幅值，單位kA；TN為第N-1次雷擊與第N次雷擊之間的時間間隔，單位min；η為型號參數(shù)，采用標(biāo)定法以表征不同型號浪涌保護器的差異。

SPD經(jīng)受首次雷擊時，由于不具備2次雷擊之間的雷電流沖擊間隔，此時的劣化核K1為

劣化核是后續(xù)SPD壽命計算的基礎(chǔ)，其計算輸出結(jié)果的值域為（0，1）。

4.2 壽命值計算

SPD的壽命值是一個變化量，其變化過程從SPD全新持續(xù)到失效報廢的整個生命周期。每當(dāng)SPD經(jīng)受一次雷電沖擊，壽命計算模型就根據(jù)輸入的雷電沖擊進行一次壽命計算。

定義全新的SPD為初始狀態(tài)，其壽命值為100%。以第N次沖擊為例，SPD經(jīng)受雷電沖擊后，將參數(shù)代入式（1）中，計算生成劣化核KN。將狀態(tài)N-1的壽命值與劣化核相乘，即可得到狀態(tài)N的壽命值［15］。SPD壽命值計算原理見圖3。

圖3 SPD壽命值計算原理

5 SPD狀態(tài)顯示及報警發(fā)布流程

SPD經(jīng)受多次雷擊后，其壽命值逐漸衰減，直至失效報廢。SPD的狀態(tài)顯示及報警發(fā)布流程見圖4。

圖4 SPD狀態(tài)顯示及信息發(fā)布流程

Step 1當(dāng)計算出的壽命值高于告警閾值時，SPD的指示燈亮綠燈，表明SPD可以正常使用，處于健康的狀態(tài)。此時，通過CAN通信接口發(fā)送正常信息。

Step 2當(dāng)計算出的壽命值低于告警閾值，且高于失效閾值時，SPD的指示燈亮黃燈，表明SPD不建議繼續(xù)使用，處于告警的狀態(tài)，需盡快更換。此時，通過CAN通信接口發(fā)送告警信息。

Step 3當(dāng)計算出的壽命值低于失效閾值時，SPD的指示燈亮紅燈，表明SPD處于失效狀態(tài)，需立即更換。此時，通過CAN通信接口發(fā)送失效信息。

Step 4當(dāng)監(jiān)測到脫扣裝置已經(jīng)脫扣時，此時SPD已經(jīng)與被保護電路斷開，失去防護作用，同樣發(fā)布失效信息，并將指示燈切換為紅燈。

6 試驗驗證

將本系統(tǒng)與一款SPD適配組裝，把空心線圈套裝在SPD的線路上，并連接脫扣裝置的微動開關(guān)，使該系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集雷電沖擊波形和監(jiān)測脫扣裝置的狀態(tài)，形成具有壽命自監(jiān)測功能的SPD。

對適配后的SPD進行沖擊試驗，直至其損壞。試驗采用25 kA的8/20 μs波形進行沖擊，設(shè)定告警閾值為20%，失效閾值為5%，沖擊試驗共執(zhí)行了43次。前21次沖擊后，系統(tǒng)輸出的壽命值從100%下降至21.5%，表征該階段的SPD處于健康狀態(tài)；在第22次沖擊后，計算得到壽命值為19.1%，達到告警閾值，標(biāo)志著SPD從健康狀態(tài)轉(zhuǎn)至告警狀態(tài)；在第23～38次沖擊后，系統(tǒng)輸出的壽命值從19.1%下降至5.2%，表征該階段的SPD處于告警狀態(tài)；第39次沖擊后，系統(tǒng)輸出的壽命值為4.8%，達到失效閾值，標(biāo)志著SPD從告警狀態(tài)轉(zhuǎn)至失效狀態(tài)；后續(xù)繼續(xù)執(zhí)行了第40～43次沖擊，直至SPD器件損壞。

對適配后的SPD進行脫扣試驗，按照規(guī)定施加工頻電流，直至SPD脫扣。試驗表明，該系統(tǒng)可感知SPD脫扣前后的狀態(tài)變化，能及時給出SPD脫扣裝置的監(jiān)測結(jié)果，并根據(jù)結(jié)果判斷SPD是否失效。

在上述試驗過程中，整個系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)定的閾值，按SPD狀態(tài)顯示并發(fā)布信息，同時，也可使用手持終端進行信息查詢。

7 結(jié)論

本文研制開發(fā)的SPD壽命自監(jiān)測系統(tǒng)，在SPD中引入雷電流測量機制，并基于歷次雷電流沖擊數(shù)據(jù)構(gòu)建了壽命模型，相比于單純依據(jù)是否脫扣作為壽命判別的條件更科學(xué)、準(zhǔn)確；相比于使用漏流進行壽命表征的方法具有更廣泛的適用性。

將具備壽命自監(jiān)測系統(tǒng)的SPD應(yīng)用在現(xiàn)場設(shè)備中，既能夠提高雷電防護的可靠等級，還可以使運維更加便捷。及時更換壽命告警的SPD，在降低運維人員勞動強度的同時，提升了SPD的使用效果，也能將原本“一刀切”式的防雷故障修升級為更加科學(xué)的狀態(tài)修。