鐵路信號設備智能防雷系統研究與應用實踐

范景祥

【摘 要】鐵路信號設備是指揮列車運行，保證列車行駛安全的重要運輸基礎設備，在遭受雷擊時，將直接威脅鐵路正常的安全生產。為了及時發現安全隱患，實時監測鐵路信號防雷設備的工作狀態，降低雷電災害對鐵路信號設備正常工作的影響，本文研究了一套智能防雷系統，不僅可對信號設備的供電狀態、防雷模塊的工作狀態、雷擊次數、雷擊電流、接地電阻等信息進行實時監測，還可在本地及遠程監測平臺給出報警提示信息，通過本套智能防雷系統的現場應用，實現了對防雷設備的實時監測，減輕了設備維護人員的勞動強度，節約了故障排查時間，具有實際應用價值。

【關鍵字】信號設備;智能;雷電防護;數據分析

中圖分類號： G434 文獻標識碼： A 文章編號： 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

隨著我國鐵路客運和貨運的大幅增長，截止2018年年底，我國鐵路營業里程達到13.1萬公里以上，其中高鐵里程超2.9萬公里，是世界上運營里程最長、規模最大的高速鐵路網絡。同時我國地處溫帶和亞熱帶地區，雷電活動十分頻繁，屬于雷電高發的國家。鐵路信號設備是保證列車安全行駛的重要運輸基礎設備，因此及時發現鐵路信號防雷設備的安全隱患，降低雷電災害發生時對鐵路信號設備的影響，對保障列車安全高效的運行有著重要意義。

傳統的鐵路信號防雷設備僅起到雷電防護的作用，無法實現對防雷設備的運行狀態及對雷電流泄放起重要作用的機房接地電阻阻值等相關參數的監測功能，因此需要維護人員對防雷設備進行定期巡檢或重點檢查，上述檢查工作是非常必要的安全防護手段，但存在一些狀態指示參數人工測量困難，且不容易及時發現安全隱患等問題，同時由于維護人員個人能力的參差不齊，導致對防雷設備的檢查結果容易受到維護人員的主觀影響，因此針對上述問題，本文通過傳感器應用、電子電路設計及網絡搭建技術，設計了一套智能防雷系統，不僅可實現本地及遠程對防雷設備運行狀態的實時監測功能，還能對機房接地電阻阻值、雷擊電流、雷擊峰值等相關參數的實時監測，并將所有監測數據統一存儲在系統的數據服務器中，為雷電災害影響、接地電阻阻值變化等研究提供數據支持。

1 系統組成

圖1 智能防雷系統結構圖

系統包括4部分：傳感器單元、智能防護單元、數據中心和監測平臺。傳感器單元與智能防護單元安裝在信號機械室內，在滿足信號設備基本雷電防護功能的基礎上，實現對防雷設備的實時監測與遠程通信功能，采集到的狀態信息通過鐵路數據網上傳至數據中心進行存儲與數據處理，監測平臺通過應用程序從數據中心的Oracle數據庫獲取所需數據，實現對管轄范圍內防雷設備的查看與管理。系統結構如圖1所示。

（1）傳感器單元。傳感器單元主要由無源的雷電采集線圈、機箱溫度傳感器和在線接地電阻測試儀構成。可以實時監測防雷設備經受雷電或浪涌過電壓次數、雷擊電流峰值、機箱溫度、接地電阻阻值等參數，并將采集到的數據傳送至智能防護單元，由防護單元進行數據處理。

（2）智能防護單元。智能防護單元是自主研發設計，利用Altium Designer 19制作的智能主控板，該主控板內包括數據運算單元、電源狀態采集單元、浪涌保護器狀態采集單元、雷電信息采集單元、接地電阻通信接口，網絡接口、RS485通信接口、顯示屏接口等。智能防護單元不僅會對各采集數據進行邏輯處理與分析，還會通過網絡接口上傳至數據中心，實現防雷設備狀態的遠程監測功能。

（3）數據中心。由數據服務器、應用服務器和服務器端軟件構成，服務器端軟件負責與各智能防護單元通信，接收各智能防護單元上傳的數據信息，應用服務器負責對接收到的數據進行邏輯分析和運算處理，數據服務器用于存儲結果數據，供系統的監測平臺讀取與顯示。數據中心可實現信息的共享、數據的交互等功能，同時還預留了數據通信接口，便于擴展。

（4）監測平臺。監測平臺主要是指智能防雷系統的監測軟件，監測軟件基于Visual Studio 2010開發軟件，采用C#語言開發，可根據用戶需要安裝于路局、電務段、車間等管控室內，用戶可根據登錄的帳戶權限查看各自管轄范圍內智能防護單元的實時狀態數據，包括設備名稱、數據的采集時間、電源狀態、浪涌保護器工作狀態、接地電阻阻值、雷擊次數、雷擊峰值等信息。

2 系統功能及優點

系統開發方案充分考慮了監測內容的全面性與現場應用的實用性，不僅可實時監測防雷設備的工作狀態，還具有設備故障提示及故障點迅速定位的功能，減少設備維護難度，使系統具有以下功能及優點。

（1）浪涌保護器實時監測功能。系統內浪涌保護器數量眾多，在其發生松動或故障時不易被及時發現，智能防雷系統可對每一個浪涌保護器的工作狀態進行實時監測，在浪涌保護器遭到雷擊失效翻紅牌或安裝松動時，系統發出聲光報警并將精確的浪涌保護器故障信息傳輸至數據中心，維護人員可在監測平臺對故障浪涌保護器進行迅速定位，節省故障點處理時間。

（2）雙路電源狀態實時監測功能。系統可對雙路單相或三相電進行實時監測，不僅可對雙路電是否掉電進行實時監測，還可對缺相故障進行實時監測，在出現掉電或缺相等故障時，系統會出發聲光報警并將詳細的故障信息傳輸至數據中心，提示維護人員進行相應故障處理。

（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、發熱引起火災的事故隱患。因此在智能防雷系統中設置有溫度傳感器，可對現場工作溫度進行實時監測，當工作溫度超過80度時，系統會發出聲光報警并將報警信息傳輸至數據中心，使維護人員及時查看到火災隱患。

（4）雷電信息采集功能。智能防雷系統帶有無源的雷電采集線圈，不僅可以監測系統經受雷擊或浪涌過電壓次數，還可以記錄每次的雷擊峰值，同時在系統的數據服務器中為現場保留詳細的雷擊數據，可對現場的雷擊情況進行數據分析。

（5）接地電阻實時監測功能。智能防雷系統帶有在線接地電阻測試儀，可實時監測接地電阻數值，當接地電阻阻值超過預設閥值時，智能防護單元會將地阻值異常信息傳輸至數據中心，及時提示維護人員進行故障處理，保證雷電防護設備在遭受雷擊時，雷擊電流可正常泄放，保障鐵路信號設備的正常工作。

（6）通信監測功能。系統具備通信檢查功能，在智能防護單元與數據中心通信中斷時，智能防護單元會主動與數據中心進行網絡重連，在超過最大重連次數時，智能防護單元與數據中心會做出通信超時判斷，及時對系統運維人員進行通信故障的提示，實現系統通信自檢功能。

（7）歷史數據可追溯。系統存儲了智能防護單元上傳的所有數據，包含工作溫度、接地電阻、雷擊次數、雷擊電流峰值、雷擊時間和防雷模塊狀態等信息，便于以后對數據的瀏覽和分析，為實施更有效的設備防護方案提供有效的數據支撐。

3 系統應用及數據分析

系統于2016年9月開始應用于某鐵路局的信號設備防護中，截至2019年5月止，該鐵路局已應用本智能防雷系統的車站機房達298處，安裝智能防雷系統的監測平臺27處，本系統利用該局鐵路數據網實現了如上圖2所示的從路局、段、車間和車站之間的三層四級組網。

路局（電務處）、電務段、車間的27處監測平臺通過鐵路數據網接入到系統設置在該鐵路局的數據中心，根據自身登錄的帳戶權限查看各自管轄范圍內的車站監測數據。智能防雷系統從應用至今，不僅為該路局提供了直觀、良好的防雷設備工作狀態監測手段，還使維護人員實時獲得了各機房接地電阻阻值及信號設備供電狀態等信息，減輕了設備維護人員的工作強度，減少了故障排查時間。

系統在應用過程中也發現了類如防雷設備工作狀態改變，而監測平臺信息顯示延時等問題，系統已在應用過程中結合用戶提出的寶貴建議，進行了相應的系統升級，解決了現已發現的故障難題。智能防雷系統既具有防護設備運行狀態的本地顯示，如圖3所示，還具有監測平臺，可實現遠端查看及維護的功能，如圖4所示。

智能防雷系統不僅可對所有站的防雷設備進行實時監測，還可對各站上傳的數據進行存儲，用于對相關課題的研究提供數據支持，下面以研究接地電阻變化為例進行數據的分析與討論，選取該局同一車間的A、B、C、D、E、F六個站的2019年2月至2019年7月之間的接地電阻數據對該地區接地電阻值變化規律及趨勢進行簡單分析，各站接地電阻值隨時間變化曲線如下圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10所示。

數據分析

（1）通過圖5～圖10可知，各站在同一時間段內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，且接地電阻測量儀器與方法一至，分析造成接地電阻值變化幅度不同的主要影響因素應是各站的土質條件，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，分析主要原因是該區域從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，土壤濕度增高，使得該區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月均超過了鐵路對信號機房接地電阻最大值1歐姆的要求，需要維護人員到現場查看導致C站與F站地阻值偏大的主要原因并進行整改，保證機房信號設備的運行安全。

4 結束語

保證鐵路信號設備安全穩定的運行，就是保證鐵路行車安全。智能防雷系統具有遠程數據查看、故障迅速定位、歷史數據可追溯等特點，是改善電務部門運維水平的重要系統，具有實際應用價值。同時還需對系統進行不斷的完善與升級，為系統加入程序的遠程升級功能，實現系統程序遠程批量化升級，為系統增加手持監測平臺，使維護人員可更加及時的對防雷設備故障隱患進行修復，減少因雷害造成的鐵路信號設備故障，為鐵路行車安全保駕護航。

【參考文獻】

[1]鐵運.鐵路信號設備雷電及電磁兼容綜合防護實施指導意見（2006）26號[Z].

[2]GB7450-1987電子設備雷擊保護導則.

[3]（美）內格爾Nagel.C#高級編程[M].北京：清華大學出版社，2008.