铁路信号设备智能防雷系统研究与应用实践

来源：核心期刊咨询网时间：2019-12-03 11:5512

摘要：【摘 要】铁路信号设备是指挥列车运行，保证列车行驶安全的重要运输基础设备，在遭受雷击时，将直接威胁铁路正常的安全生产。为了及时发现安全隐患，实时监测铁路信号防雷设备的工作状态，降低雷电灾害对铁路信号设备正常工作的影响，本文研究了一套智能防雷

　　【摘 要】铁路信号设备是指挥列车运行，保证列车行驶安全的重要运输基础设备，在遭受雷击时，将直接威胁铁路正常的安全生产。为了及时发现安全隐患，实时监测铁路信号防雷设备的工作状态，降低雷电灾害对铁路信号设备正常工作的影响，本文研究了一套智能防雷系统，不仅可对信号设备的供电状态、防雷模块的工作状态、雷击次数、雷击电流、接地电阻等信息进行实时监测，还可在本地及远程监测平台给出报警提示信息，通过本套智能防雷系统的现场应用，实现了对防雷设备的实时监测，减轻了设备维护人员的劳动强度，节约了故障排查时间，具有实际应用价值。

　　【关键字】信号设备;智能;雷电防护;数据分析

　　《石家庄铁路职业技术学院学报》(季刊)创刊于2002年，由石家庄铁路职业技术学院主办。是经国家科技部、国家新闻出版总署批准的国内外公开发行的综合性学术期刊。

　　0 引言

　　隨着我国铁路客运和货运的大幅增长，截止2018年年底，我国铁路营业里程达到13.1万公里以上，其中高铁里程超2.9万公里，是世界上运营里程最长、规模最大的高速铁路网络。同时我国地处温带和亚热带地区，雷电活动十分频繁，属于雷电高发的国家。铁路信号设备是保证列车安全行驶的重要运输基础设备，因此及时发现铁路信号防雷设备的安全隐患，降低雷电灾害发生时对铁路信号设备的影响，对保障列车安全高效的运行有着重要意义。

　　传统的铁路信号防雷设备仅起到雷电防护的作用，无法实现对防雷设备的运行状态及对雷电流泄放起重要作用的机房接地电阻阻值等相关参数的监测功能，因此需要维护人员对防雷设备进行定期巡检或重点检查，上述检查工作是非常必要的安全防护手段，但存在一些状态指示参数人工测量困难，且不容易及时发现安全隐患等问题，同时由于维护人员个人能力的参差不齐，导致对防雷设备的检查结果容易受到维护人员的主观影响，因此针对上述问题，本文通过传感器应用、电子电路设计及网络搭建技术，设计了一套智能防雷系统，不仅可实现本地及远程对防雷设备运行状态的实时监测功能，还能对机房接地电阻阻值、雷击电流、雷击峰值等相关参数的实时监测，并将所有监测数据统一存储在系统的数据服务器中，为雷电灾害影响、接地电阻阻值变化等研究提供数据支持。

　　1 系统组成

　　图1 智能防雷系统结构图

　　系统包括4部分：传感器单元、智能防护单元、数据中心和监测平台。传感器单元与智能防护单元安装在信号机械室内，在满足信号设备基本雷电防护功能的基础上，实现对防雷设备的实时监测与远程通信功能，采集到的状态信息通过铁路数据网上传至数据中心进行存储与数据处理，监测平台通过应用程序从数据中心的Oracle数据库获取所需数据，实现对管辖范围内防雷设备的查看与管理。

　　(1)传感器单元。传感器单元主要由无源的雷电采集线圈、机箱温度传感器和在线接地电阻测试仪构成。可以实时监测防雷设备经受雷电或浪涌过电压次数、雷击电流峰值、机箱温度、接地电阻阻值等参数，并将采集到的数据传送至智能防护单元，由防护单元进行数据处理。

　　(2)智能防护单元。智能防护单元是自主研发设计，利用Altium Designer 19制作的智能主控板，该主控板内包括数据运算单元、电源状态采集单元、浪涌保护器状态采集单元、雷电信息采集单元、接地电阻通信接口，网络接口、RS485通信接口、显示屏接口等。智能防护单元不仅会对各采集数据进行逻辑处理与分析，还会通过网络接口上传至数据中心，实现防雷设备状态的远程监测功能。

　　(3)数据中心。由数据服务器、应用服务器和服务器端软件构成，服务器端软件负责与各智能防护单元通信，接收各智能防护单元上传的数据信息，应用服务器负责对接收到的数据进行逻辑分析和运算处理，数据服务器用于存储结果数据，供系统的监测平台读取与显示。数据中心可实现信息的共享、数据的交互等功能，同时还预留了数据通信接口，便于扩展。

　　(4)监测平台。监测平台主要是指智能防雷系统的监测软件，监测软件基于Visual Studio 2010开发软件，采用C#语言开发，可根据用户需要安装于路局、电务段、车间等管控室内，用户可根据登录的帐户权限查看各自管辖范围内智能防护单元的实时状态数据，包括设备名称、数据的采集时间、电源状态、浪涌保护器工作状态、接地电阻阻值、雷击次数、雷击峰值等信息。

　　2 系统功能及优点

　　系统开发方案充分考虑了监测内容的全面性与现场应用的实用性，不仅可实时监测防雷设备的工作状态，还具有设备故障提示及故障点迅速定位的功能，减少设备维护难度，使系统具有以下功能及优点。

　　(1)浪涌保护器实时监测功能。系统内浪涌保护器数量众多，在其发生松动或故障时不易被及时发现，智能防雷系统可对每一个浪涌保护器的工作状态进行实时监测，在浪涌保护器遭到雷击失效翻红牌或安装松动时，系统发出声光报警并将精确的浪涌保护器故障信息传输至数据中心，维护人员可在监测平台对故障浪涌保护器进行迅速定位，节省故障点处理时间。

　　(2)双路电源状态实时监测功能。系统可对双路单相或三相电进行实时监测，不仅可对双路电是否掉电进行实时监测，还可对缺相故障进行实时监测，在出现掉电或缺相等故障时，系统会出发声光报警并将详细的故障信息传输至数据中心，提示维护人员进行相应故障处理。

　　(3)防火功能。由于防雷器中含有压敏电阻，存在遭受多次雷击失效、发热引起火灾的事故隐患。因此在智能防雷系统中设置有温度传感器，可对现场工作温度进行实时监测，当工作温度超过80度时，系统会发出声光报警并将报警信息传输至数据中心，使维护人员及时查看到火灾隐患。

　　(4)雷电信息采集功能。智能防雷系统带有无源的雷电采集线圈，不仅可以监测系统经受雷击或浪涌过电压次数，还可以记录每次的雷击峰值，同时在系统的数据服务器中为现场保留详细的雷击数据，可对现场的雷击情况进行数据分析。

　　(5)接地电阻实时监测功能。智能防雷系统带有在线接地电阻测试仪，可实时监测接地电阻数值，当接地电阻阻值超过预设阀值时，智能防护单元会将地阻值异常信息传输至数据中心，及时提示维护人员进行故障处理，保证雷电防护设备在遭受雷击时，雷击电流可正常泄放，保障铁路信号設备的正常工作。

　　(6)通信监测功能。系统具备通信检查功能，在智能防护单元与数据中心通信中断时，智能防护单元会主动与数据中心进行网络重连，在超过最大重连次数时，智能防护单元与数据中心会做出通信超时判断，及时对系统运维人员进行通信故障的提示，实现系统通信自检功能。

　　(7)历史数据可追溯。系统存储了智能防护单元上传的所有数据，包含工作温度、接地电阻、雷击次数、雷击电流峰值、雷击时间和防雷模块状态等信息，便于以后对数据的浏览和分析，为实施更有效的设备防护方案提供有效的数据支撑。

　　3 系统应用及数据分析

　　系统于2016年9月开始应用于某铁路局的信号设备防护中，截至2019年5月止，该铁路局已应用本智能防雷系统的车站机房达298处，安装智能防雷系统的监测平台27处，本系统利用该局铁路数据网实现了如上图2所示的从路局、段、车间和车站之间的三层四级组网。

　　路局(电务处)、电务段、车间的27处监测平台通过铁路数据网接入到系统设置在该铁路局的数据中心，根据自身登录的帐户权限查看各自管辖范围内的车站监测数据。智能防雷系统从应用至今，不仅为该路局提供了直观、良好的防雷设备工作状态监测手段，还使维护人员实时获得了各机房接地电阻阻值及信号设备供电状态等信息，减轻了设备维护人员的工作强度，减少了故障排查时间。

　　系统在应用过程中也发现了类如防雷设备工作状态改变，而监测平台信息显示延时等问题，系统已在应用过程中结合用户提出的宝贵建议，进行了相应的系统升级，解决了现已发现的故障难题。智能防雷系统既具有防护设备运行状态的本地显示，如图3所示，还具有监测平台，可实现远端查看及维护的功能，如图4所示。

　　智能防雷系统不仅可对所有站的防雷设备进行实时监测，还可对各站上传的数据进行存储，用于对相关课题的研究提供数据支持，下面以研究接地电阻变化为例进行数据的分析与讨论，选取该局同一车间的A、B、C、D、E、F六个站的2019年2月至2019年7月之间的接地电阻数据对该地区接地电阻值变化规律及趋势进行简单分析，各站接地电阻值随时间变化曲线如下图5、图6、图7、图8、图9、图10所示。

　　数据分析

　　(1)通过图5～图10可知，各站在同一时间段内的接地电阻值变化各不相同，C站接地电阻值变化幅度最大，D站接地电阻值变化幅度最小，已知各站地理位置相距不大，气候条件的影响因素较小，且接地电阻测量仪器与方法一至，分析造成接地电阻值变化幅度不同的主要影响因素应是各站的土质条件，即土壤电阻率不同所致。

　　(2)通过图5～图10可知，各站均是在3月初达到各站地阻值的最大值，从3月中旬后，各站地阻值均呈下降趋势，分析主要原因是该区域从3月中旬开始温度升高，地表解冻，开始形成降雨，使地表湿润，土壤湿度增高，使得该区域各站的接地电阻值减小。

　　(3)通过图7、图10可知，C站、F站最大的接地电阻值在3月均超过了铁路对信号机房接地电阻最大值1欧姆的要求，需要维护人员到现场查看导致C站与F站地阻值偏大的主要原因并进行整改，保证机房信号设备的运行安全。

　　4 结束语

　　保证铁路信号设备安全稳定的运行，就是保证铁路行车安全。智能防雷系统具有远程数据查看、故障迅速定位、历史数据可追溯等特点，是改善电务部门运维水平的重要系统，具有实际应用价值。同时还需对系统进行不断的完善与升级，为系统加入程序的远程升级功能，实现系统程序远程批量化升级，为系统增加手持监测平台，使维护人员可更加及时的对防雷设备故障隐患进行修复，减少因雷害造成的铁路信号设备故障，为铁路行车安全保驾护航。

　　【参考文献】

　　[1]铁运.铁路信号设备雷电及电磁兼容综合防护实施指导意见(2006)26号[Z].

　　[2]GB7450-1987电子设备雷击保护导则.

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

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