物聯(lián)網(wǎng)在5T系統(tǒng)防雷的應(yīng)用探索

趙海明 劉賢禎

摘 ?要：近年來，隨著全國鐵路建設(shè)，加快推進鐵路探測站數(shù)量和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，使鐵路防雷變得更加智能化和信息化。尤其是在全路5T系統(tǒng)（鐵路車輛運行安全監(jiān)控系統(tǒng)）中采用了大量的聲學(xué)、光學(xué)、電子、紅外監(jiān)測等技術(shù)，使行車安全得到了極大提高。目前全路5T探測站超過6000個，這些探測站大多位于曠野、山脈、濕地、海岸等惡劣環(huán)境。因此，雷擊損壞和維修費用金額每年超過5000萬元。自2003年以來，包括電源電涌保護器和信號電涌保護器等一系列防雷設(shè)備安裝在探測站5T系統(tǒng)中，大大的提升了5T系統(tǒng)的安全保護等級，有效延長5T系統(tǒng)的使用壽命，抑制了故障率的發(fā)生。但由于探測站的地理位置的特殊性無法實現(xiàn)長期派駐人員，在雷擊發(fā)生后電涌保護器件損壞，卻無法向其負(fù)責(zé)人員發(fā)出及時的響應(yīng)信號，使綜合防雷系統(tǒng)出現(xiàn)安全漏洞。因此，加強防雷系統(tǒng)智能化就顯得非常有必要。為了使5T探測站防雷設(shè)備有效工作和集中管理，通過采用“物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)。使數(shù)以千計的雷電流、SPD、電源及接地系統(tǒng)狀態(tài)信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到信息管理平臺。5T系統(tǒng)維護人員和鐵路集團公司管理人員可以實時獲得5T探測站防雷設(shè)備工作狀態(tài)信息，大大提高了運維人員的工作效率和設(shè)備的工作狀態(tài)，進一步減少因雷擊造成的損害。

關(guān)鍵詞：鐵路5T系統(tǒng)站;防雷現(xiàn)狀監(jiān)測;集中管理;物聯(lián)網(wǎng)

1 5T系統(tǒng)防雷分析

根據(jù)鐵路貨運安全的關(guān)鍵因素，利用機械、聲學(xué)、光學(xué)、電子、紅外監(jiān)測技術(shù)，共同組成了車輛運行安全監(jiān)控系統(tǒng)（5T系統(tǒng)），動態(tài)監(jiān)測列車運行，確保運營安全。

5T系統(tǒng)包括：車輛軸溫智能檢測系統(tǒng)（THDS），車輛運行品質(zhì)軌邊動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（TPDS），貨車滾動軸承故障軌邊聲學(xué)檢測系統(tǒng)（TADS），貨車故障軌邊圖像檢測系統(tǒng)（TFDS），客車運行安全監(jiān)控系統(tǒng)（TCDS），鐵路客車故障軌旁圖像檢測系統(tǒng)（TVDS），動車組運行故障圖像檢測系統(tǒng)。

5T系統(tǒng)建成于2002年8月，2018年12月底，5T系統(tǒng)探測站已經(jīng)覆蓋到全國18個鐵路集團公司，超過七千個探測站，5T系統(tǒng)設(shè)備的大量投入，確保了鐵路運輸?shù)陌踩S之而來的雷擊事故卻急劇增加。近年來，全路5T探測站因受累計造成了重大經(jīng)濟損失，具體情況如下：5T探測站數(shù)量如表1所示，雷擊的損失如表2所示。

經(jīng)過多年的研究分析，大規(guī)模雷電災(zāi)害的原因是由以下原因造成：（1）自然環(huán)境。目前，中國鐵路建設(shè)里程已達130000公里，而5T系統(tǒng)是全線路安裝。5T探測站大多分布在曠野、山區(qū)、濕地、海岸等貧瘠的環(huán)境。這些都是雷電災(zāi)害的高風(fēng)險地區(qū)。（2）不良電源系統(tǒng)。至于鐵路供電，情況更復(fù)雜。特別是在山區(qū)，5T探測站的供電模式多為架空直供模式，大大增加了電源線感應(yīng)過電壓的風(fēng)險。（3）敏感的軌道傳感器。5T系統(tǒng)是與多個子系統(tǒng)共同組成，其技術(shù)包含：力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電子、紅外監(jiān)測等。每個子系統(tǒng)的信息采集均是由安裝在軌道處的高靈敏傳感設(shè)備完成。然而，鐵路軌道是一個巨大的金屬導(dǎo)體。極有可能發(fā)生直接雷擊并誘發(fā)感應(yīng)過電壓。在這種情況下，這些傳感器往往會嚴(yán)重?fù)p壞或通過其線纜造成探測站內(nèi)設(shè)備大面積損壞。由傳感系統(tǒng)引起的雷擊如圖1所示。（4）沒有派駐人員。大多數(shù)情況下，探測站不具有維護條件。值班人員通常每月只進行一到兩次例行維護。因此，當(dāng)發(fā)生雷擊和系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生損壞時，缺乏即時響應(yīng)。（5）龐大的建設(shè)規(guī)模。截止2018年底，全路5T探測站已經(jīng)超過7000個，并由于鐵路建設(shè)加快推進，預(yù)計這個數(shù)字每年以300個左右快速增長。

2 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)（簡稱物聯(lián)網(wǎng)）是指在Internet結(jié)構(gòu)中唯一可識別對象及其虛擬表示的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的典型架構(gòu)分為3層，從底層到上層，分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層中的關(guān)鍵元素更準(zhǔn)確、更全面的感知。網(wǎng)絡(luò)層主要是以移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋為基礎(chǔ)，形成系統(tǒng)感知網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵要素。應(yīng)用層提供豐富的應(yīng)用，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和行業(yè)需求。

大多數(shù)的雷電監(jiān)測和檢測系統(tǒng)均為傳感層。如監(jiān)測雷電流、溫度、濕度、電磁環(huán)境、檢測SPD等，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層依賴于鐵路用戶的特殊管理。

3 物聯(lián)網(wǎng)在5T系統(tǒng)防雷的應(yīng)用

3.1 雷電電流采樣

采用Rogowski線圈，該線圈將雷電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)換為電壓信號進行捕獲和分析實現(xiàn)測量。雷電電流波形和輸出波形如圖2所示。

3.2 電力信息采樣

測量電流信號的處理方法是利用電流互感器，通過采樣電阻隔離信號轉(zhuǎn)換的方式實現(xiàn)。根據(jù)采樣定理，當(dāng)采樣頻率大于信號最高頻率的兩倍時，采樣的數(shù)字信號完整性保留原始信號中的信息。測量電流信號如圖3所示，電路處理后的波形如圖4所示。

3.3 SPD信息采樣

5T系統(tǒng)探測站的SPD通常具有遙信的功能。監(jiān)控裝置可獲得SPD直接發(fā)送的信號。

但是通過我們的研究，該功能僅僅是一個開關(guān)量信號，很難準(zhǔn)確獲得SPD的運行狀態(tài)，所以定期測試是5T系統(tǒng)所必要的。

3.4 接地信息采樣

接地電阻是雷電防護的重要因素之一，但測量是鐵路的一大難題。維修人員沒有專業(yè)和客觀的接地電阻測量技術(shù)，惡劣的環(huán)境導(dǎo)致接地電阻測量不準(zhǔn)確。

將接地電阻測量的電壓極和電流極預(yù)先嵌入到合理的測量位置。然后采用智能接地電阻測試儀進行測量，其具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和命令發(fā)布功能。

3.5 如何實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層

對于網(wǎng)絡(luò)層，使用TD-LTE模塊并兼容GPRS功能。當(dāng)4G信號可用時，系統(tǒng)可以使用4G進行數(shù)據(jù)傳輸，通信效率更高。如圖5所示。

對于應(yīng)用層，本系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過傳感層和網(wǎng)絡(luò)層進行數(shù)據(jù)采集。此外，該系統(tǒng)支持實時通知或查詢數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)的存儲，管理，記錄，共享。

4 案例研究

從2010年開始，通過研究雷電保護和物聯(lián)網(wǎng)之間的關(guān)系。基于物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，目前有5T系統(tǒng)防雷保護站約2例。根據(jù)這2種情況，我們發(fā)現(xiàn)SPD的性能趨勢是基于閃電時間和雷電電流，此外電能質(zhì)量差也是影響SPD的壽命的重要因素。

4.1 例1：交流浪涌保護器

表3所示的交流電涌保護器的電氣特性，表4所示的檢測和監(jiān)測數(shù)據(jù)以及SPD的性能趨勢如圖6。

本交流電涌保護器的正常范圍是：壓敏電阻電壓值從630v到770v，漏電流是0到20μA從最后一組數(shù)據(jù)明顯說明電涌保護器在2012年9月1日前已經(jīng)損壞。但SPD的熱脫扣器沒有改變。

4.2 例2，直流信號線路浪涌保護器

直流信號電涌保護器的技術(shù)參數(shù)如表5所示檢測和監(jiān)測數(shù)據(jù)如表6所示和SPD的生活趨勢如圖7所示。

該直流信號浪涌保護器的正常范圍是：直流點火電壓72v到108v。從數(shù)據(jù)中可以明確的看出，該電涌保護器于2012年3月1號前已經(jīng)損壞。

5 結(jié)論

隨著物聯(lián)網(wǎng)在雷電防護方面的深入應(yīng)用，越來越多的數(shù)據(jù)將被積累起來。對如何提高一些特殊地區(qū)的SPD性能研究有著巨大的參考價值。

在鐵路行業(yè)隨著5T系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的逐漸擴大，系統(tǒng)維護人員和鐵路集團公司安全管理部門可以在任何時候查詢綜合防雷保護信息，因此大大提高了運維人員的工作效率同時也降低雷害造成的經(jīng)濟損壞。

我們有理由相信，應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的雷電防護系統(tǒng)能夠為鐵路帶來更大的創(chuàng)新。當(dāng)更多這樣的應(yīng)用程序繼續(xù)發(fā)展，它將有利于各種工業(yè)領(lǐng)域。

參考文獻

[1]陳磊，趙長波.鐵路貨車安全監(jiān)測與應(yīng)用概論[M].中國鐵道出版社，第1-10頁，2010年4月.