带雷击故障预警功能的智能防雷装置在铁路上的应用研究

铁路通信信号设备分布于不同的地理环境，雷区分布差异较大，定期巡检无法满足防雷设备的及时更换，整体缺乏精细化防雷方案。为此，提出了一种具有雷击故障预警功能的智能防雷装置，可针对每一路防雷单元实时采集、独立监测，保证了设备的正常工作，减轻了巡检人员的工作量。

作者：中国铁道科学研究院通信信号研究所：肖桐（助理研究员）、阮小飞（副研究员）、付茂金（研究员）

本文是中国铁道科学研究院科研项目：铁路车辆运行安全监控系统综合防雷技术与应用的研究（2016YJ061）。全文发表在《铁路通信信号》2018.3

随着高速铁路建设和铁路运营设备全电子化和智能化的发展，雷电灾害成为影响铁路安全运行的重要危险源，急需从根本上确保铁路通信信号设备能够正常稳定的工作，避免雷灾困扰。

目前铁路行业常见的运营维护模式为定期巡检、故障更换。但从雷区分布图上看，不同的地理环境（位置），雷区分布差异较大，同一区域内不同车站间差异亦较大。而通信信号设备一旦遭受雷击损坏，修复难度很大，如若设备瘫痪或长时间停机，不仅经济损失巨大，也会给铁路运输带来很大的安全隐患。

为了解决现有问题，中国铁道科学研究院通信信号研究所自主研发了一种具有雷击故障预警功能的智能防雷装置，用于克服现有技术的缺点和不足，对防雷模块的使用寿命进行量化分析，精准采集整套设备内每一路单独防雷单元所经受的雷击次数，当达到其预计使用次数时，通知用户尽快更换，保障铁路通信信号设备的安全使用。该装置配套报警模块和数据传输模块，分别为本地和远程提供告警功能，支持多种通信接口及标准化协议，用户也可采用即插即用式设备及配套软件，随时检查设备当前经受的雷击次数。

1 装置构成及主要功能

该监测预警型智能防雷装置由供电模块、防雷单元、采集单元、主控单元和网络通信设备构成，内部结构如图1所示。该装置目前搭载了6套防雷单元，还可根据实际情况扩展至8套。配套开发了相关应用软件，可用于本地或远程实时监测设备当前雷击次数。

2 设计原理

防雷单元采用3级防护电路，第1级将侵入线路的大部分大电流、高电压泄放入地；第2级、第3级是对第1级的残压进行二次箝位，使输出端的残存雷电压低于设备（系统）的耐压水平，尤其防护微电子设备。每路防护单元板内置独立的微型雷电流传感器，可分别监测信号传输线缆遭受的雷击次数，由处理主板对数据进行集中采集处理。防护单元板设置状态警示灯，达到阈值时主控系统点亮报警灯，上传报警数据至服务器，提示值班人员防雷单元当前状态，建议更换防雷单元等。
1)采集单元选用空心线圈式电流传感器作为非接触式无源传感器，套设在连接防雷单元与防雷接地排的导线上，实时监测雷击过程，并通过硬件电路实现滤波、隔离功能，避免多套采集设备间的相互干扰，精准采集当前防雷单元的雷击次数。

2)电源部分选用AC220V/DC、5V2A 开关电源模块，为主控板及串口网口输出板供电，具有工作稳定可靠、输出电流电压精度高等特点。电源部分的硬件设计充分考虑了抗雷击以及抗干扰的能力，当设备遭受雷击时可保证电源稳定工作，确保了预警功能的连续性和整套装置的可靠性。

3)处理主板可以实时采集处理传感器数据，控制报警灯。配套串口网口输出板，提供数据上传以及本地查询功能。

4)串口网口输出板提供RS－485串口和RJ－45网口2种通信接口，实时传输信号防雷箱当前状态，具备本地查询及远程传输功能。

5)结合设备硬件设计，软件部分将每一路的阈值与采集计数独立区分，现场可根据各路防雷单元不同状况的工作状态和防护等级设定告警阈值，实现精准预警。配套测试软件提供本地处理或远程操作，方便作业人员随时查看及修改相关参数，掌握实时数据。

3 试验数据

该防雷装置分别针对通信和信号二类设备配置了不同的防雷单元，依据中华人民共和国国家铁路局（TB/T3074－2017）《铁道信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件》的标准要求，分别进行了以下冲击试验。

1)限制电压采用波形为10/700μS的冲击电流波进行测试，试验结果如表1所示。冲击放电电压采用上升速率为1ｋV/μS的电压波进行冲击试验，试验结果如表1所示（横屏阅览）。

2)标称放电电流采用8/20μS电流波进行冲击试验，试验数据如表2所示（横屏阅览），将测量波的电流幅值从1ｋA逐渐增大到5ｋA。

由试验可以验证，信号防雷部分的技术参数满足如下要求：额定工作电压UN为24V，基础限制电压UB （1ｋV/μS）≤60V，标称放电电流（8/20μS）In为5ｋA，信号防护单元限制电压约为（31±1）V，小于标准要求的60V，冲击放电电压UIｍp小于500V。

通信防雷部分的技术参数满足如下要求：额定工作电压UN为120V，额定工作电流IN为300ｍA，标称放电电流（8/20μS）In为5ｋA，电压保护水平Up ≤ 300V，限制电压约为（60±3）V，满足标准要求的限制电压小于190V，冲击放电电压UIｍp小于500V。

以上试验数据充分表明：该防雷装置满足设计要求，各项防护参数指标良好，各项测量结果远小于标准要求。

针对故障预警功能，还分别设计了单路多次冲击试验和多路同步冲击试验。首先，针对每一路防雷单元单独冲击固定次数，并通过软件逐路监测冲击次数；之后，通过多路同步冲击试验，验证采集主板同时处理多路雷击的使用效果。试验结果表明：该装置可准确捕捉到当前防雷单元遭受的雷击次数，并不受邻近防雷单元的干扰，故障预警功能稳定可靠。

4 结束语

该监测预警型智能防雷设备主要是根据铁路标准，并针对铁路电气化特点和铁路车辆安全运行监控系统的特点而设计的，可同时对多路信号设备遭受雷电流侵袭的次数进行远程采集与监测，提供接入组网的接口条件，8/20μS雷电限流波5ｋV防护保护，保证了通流容量和限制电压都满足标准要求，同时在实际试验中不影响设备传输，并能可靠保护传感器。

该设备工作电压范围宽、频率范围宽、雷电限制电压低、通流容量大，满足了铁路通信信号系统的防护要求，并能对防护设备进行实时在线监测，很大程度上保证了设备的正常工作，降低维修概率，减轻了巡检人员的工作量。

目前该产品作为哈尔滨铁路局管内的铁路车辆运行安全监控系统（“5T”系统）配套防雷产品运用，一百余套产品在线运行已超过6个月（包含了一个完整的雷雨季），经过了实际运行环境检验，产品质量稳定，监测数据可靠，现场反馈良好。

参考文献

［1］付茂金，阮小飞．高速铁路通信信号综合防雷技术［Ｍ］．北京：科学出版社，2014．ZVD中为防雷www.zvspd.com

［2］中华人民共和国国家铁路局．TB/T3074－2017．铁道信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件［S］．2017．

［3］（美）内格尔NAｇel．C＃高级编程［Ｍ］．北京：清华大学出版社，2008．

［4］李喜平，陈庆国，王吉涛．氧化锌避雷器远程状态监测系统［J］．黑龙江科技信息，2009（14）．

［5］戚捷．通信机房设备与接地系统研究［D］．中国海洋大学，2007．

ZVD中为防雷 https://www.zvspd.com/knowledge/100992.html