王 坤

(中國(guó)鐵路太原局集團(tuán)有限公司電務(wù)處，太原 030013)

1 概述

隨著鐵路信號(hào)專業(yè)信息化設(shè)備的增多，現(xiàn)代化水平的提高，信號(hào)設(shè)備從車站聯(lián)鎖為核心的點(diǎn)式布局向著信息化、數(shù)據(jù)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的全面承載行車指揮、列車控制的系統(tǒng)布局方向發(fā)展，改善信號(hào)設(shè)備運(yùn)用電磁環(huán)境，全面提升信號(hào)專業(yè)雷電安全防護(hù)水平，避免因雷擊或大電流侵入造成設(shè)備損壞甚至行車事故就顯得尤為重要。

針對(duì)這種情況，如何在降低維護(hù)人員工作強(qiáng)度的同時(shí)，有效地強(qiáng)化防雷設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)，成為一個(gè)新課題。2017年鐵路總公司下發(fā)《中國(guó)鐵路總公司關(guān)于印發(fā)鐵路大數(shù)據(jù)應(yīng)用實(shí)施方案的通知》（鐵總信息[2017]155號(hào)），明確提出“推進(jìn)鐵路運(yùn)輸各專業(yè)監(jiān)測(cè)監(jiān)控以及設(shè)備設(shè)施狀態(tài)分析應(yīng)用建設(shè)”的要求，此舉為鐵路信號(hào)綜合防雷系統(tǒng)智能化提供政策支持。

2 信號(hào)綜合防雷現(xiàn)狀分析

2.1 防雷模塊報(bào)警信息模糊

電源防雷箱處于I級(jí)防雷處所，箱中設(shè)置防雷模塊劣化的聲光報(bào)警裝置，當(dāng)有模塊劣化時(shí)發(fā)出報(bào)警提示。如：中國(guó)鐵路太原局集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱太原局）大西高鐵線所采用XLY-380/40型電源防雷箱中電源防雷模塊的型號(hào)有兩種，模塊數(shù)量有6或14個(gè)，多個(gè)不同型號(hào)的電源模塊共用一個(gè)報(bào)警回路，當(dāng)有聲光報(bào)警產(chǎn)生時(shí)，無法判定報(bào)警的電源模塊的型號(hào)、位置和數(shù)量。

防雷分線柜是保護(hù)室內(nèi)設(shè)備不受室外電磁干擾的關(guān)鍵設(shè)備，如：太原局大西高鐵線所使用的GFL2型防雷分線柜采用10層13列的方式設(shè)置防雷模塊，設(shè)計(jì)最多可安裝信號(hào)防雷器的型號(hào)有11種、數(shù)量為390。目前防雷分線柜的劣化報(bào)警裝置，只能定位到某一層，無法明確報(bào)警的具體位置、模塊型號(hào)和數(shù)量。

2.2 防雷模塊狀態(tài)缺少監(jiān)管

現(xiàn)行2015版《鐵路信號(hào)維護(hù)規(guī)則》明確帶劣化指示防雷模塊不需測(cè)試后，防雷模塊運(yùn)行狀態(tài)的日常監(jiān)管，主要靠劣化報(bào)警和人工巡檢完成。不能主動(dòng)掌握?qǐng)?bào)警信息，中繼站、線路所等無人站巡查不易，造成間隔周期長(zhǎng)，防雷設(shè)備損壞劣化得不到及時(shí)的發(fā)現(xiàn)與處理。

2.3 防雷模塊更換流程繁瑣

失效的防雷模塊需要及時(shí)的更換，而目前備品備件集中在段、車間中，特別是大量無人值守車站（中繼站）備品備件并不充分。日常巡檢中又不可能隨身攜帶大量備品備件，即使攜帶，也存在和現(xiàn)場(chǎng)損壞防雷器件型號(hào)匹配不一的問題。因此對(duì)于車站損壞防雷器的更換，需要巡查人員第一次發(fā)現(xiàn)記錄，然后第二次前往時(shí)攜帶更換，這樣造成人員工作量、費(fèi)用增加的同時(shí)，也存在安全隱患。

2.4 雷電或大電流侵入故障分析無依據(jù)

因雷擊或大電流造成的信號(hào)設(shè)備故障，往往因瞬時(shí)發(fā)生或環(huán)境已發(fā)生變化，要找出真實(shí)故障原因還存在很大的困難?，F(xiàn)有的防雷設(shè)備設(shè)施，無法提供故障分析的數(shù)據(jù)，僅依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和理論推導(dǎo)，事故分析報(bào)告缺乏數(shù)據(jù)支撐，可信度不能得到廣泛認(rèn)同，同時(shí)也不利于事故后期處理及現(xiàn)場(chǎng)存在問題的改進(jìn)。

2.5 信號(hào)樓綜合地網(wǎng)阻值測(cè)試繁瑣

車站信號(hào)樓綜合地網(wǎng)阻值測(cè)試，主要靠人員按期檢測(cè)。需要攜帶設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)打樁拉線、手工記錄，耗費(fèi)日常工作時(shí)間，增加了工作人員的工作量。由于地阻的測(cè)試值與環(huán)境、地形、打樁位置、測(cè)試方法、測(cè)試人員素質(zhì)有關(guān)，因此地阻測(cè)試對(duì)測(cè)試人員的素質(zhì)，也有比較高的要求。

2.6 設(shè)備管理單位對(duì)信號(hào)防雷設(shè)備無法有效管理

在段、車間、工區(qū)三級(jí)維修管理模式下，對(duì)車站防雷設(shè)備現(xiàn)狀的日常巡查及模塊劣化更換、日常設(shè)備工作狀態(tài)報(bào)表，都還停留在人工統(tǒng)計(jì)階段。上級(jí)部門無法主動(dòng)得知下級(jí)單位管理的設(shè)備是否存在問題、存在問題的嚴(yán)重性以及存在的問題是否已得到解決的信息,存在監(jiān)管的盲點(diǎn)。

2.7 信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無法監(jiān)測(cè)電源、分線柜處防雷設(shè)備

目前電源、分線柜處的防雷設(shè)備運(yùn)用狀態(tài)，游離于信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之外。信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無法監(jiān)測(cè)到電源、分線柜等防雷設(shè)備的運(yùn)行、故障狀態(tài)等情況。

3 解決方案

針對(duì)以上存在的問題，2017年路內(nèi)首套鐵路信號(hào)綜合防雷智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在太原局陽高、華巖、半坡村3個(gè)車站投入試用。

3.1 綜合防雷智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，系統(tǒng)主要由4個(gè)子系統(tǒng)組成：分別為防雷箱子系統(tǒng)、分線柜子系統(tǒng)、代理服務(wù)器、站級(jí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。

智能防雷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電源防雷箱、防雷分線柜、地網(wǎng)阻值的一體化監(jiān)測(cè)和管理，并將信息上傳至信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)防雷設(shè)備的遠(yuǎn)程組網(wǎng)和管理。

圖1 綜合防雷智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1 Intelligent monitoring system composition of integrated lightning protection

防雷箱子系統(tǒng)和分線柜子系統(tǒng)分別監(jiān)測(cè)電源防雷箱和防雷分線柜，并保存各自的數(shù)據(jù)到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。經(jīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息的分析，對(duì)于故障數(shù)據(jù)，通過TCP/IP上傳至代理服務(wù)器。

站級(jí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)用于綜合監(jiān)測(cè)多個(gè)防雷箱子系統(tǒng)和防雷分線柜子系統(tǒng)。目前支持最大4路防雷箱子系統(tǒng)和最大6路分線柜子系統(tǒng)。可擴(kuò)展至最大1024路防雷箱子系統(tǒng)和最大1024路分線柜系統(tǒng)。

代理服務(wù)器監(jiān)聽多個(gè)防雷箱子系統(tǒng)、多個(gè)防雷分線柜子系統(tǒng)和單個(gè)信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。代理服務(wù)器接收到防雷箱和分線柜上傳的數(shù)據(jù)之后，經(jīng)過再組包處理下發(fā)給信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

智能防雷系統(tǒng)軟件是為實(shí)現(xiàn)對(duì)防雷設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控而設(shè)計(jì)開發(fā)，通過該系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管轄范圍內(nèi)所有車站防雷設(shè)備的全天候監(jiān)控。智能防雷系統(tǒng)軟件主要安裝在車站、電務(wù)段、鐵路局3個(gè)地點(diǎn)的PC機(jī)上。3個(gè)地點(diǎn)使用同一軟件，利用網(wǎng)點(diǎn)身份管理，實(shí)現(xiàn)鐵路局、電務(wù)段、車站三級(jí)權(quán)限管理。

3.2 電源防雷箱及防雷分線柜子系統(tǒng)

如圖2、3所示，電源防雷箱及防雷分線柜雷擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由模塊狀態(tài)采集、雷電信息采集模塊、過電壓采集模塊、地阻測(cè)試模塊、電源采集模塊、監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)、觸摸顯示屏七大部分組成。

模塊狀態(tài)采集：用來采集防雷箱內(nèi)安裝的防雷模塊的劣化狀態(tài)和防雷回路中的后備保護(hù)開關(guān)的通斷狀態(tài)。采集信號(hào)為常開或常閉觸點(diǎn)。

雷電信息采集模塊：用來采集防雷箱經(jīng)過地線泄放或遭受地電位反擊時(shí)，雷電流的大小。采集的雷電流具備正負(fù)極性判斷。

過電壓采集模塊：用來采集防雷箱模塊輸入端產(chǎn)生的工頻過電壓，采集模塊具備RS-485通訊接口，方便產(chǎn)品的使用。

圖2 電源防雷箱子系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 Power lightning protection box subsystem architecture

圖3 防雷分線柜子系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.3 Distributing cabinet lightning protection subsystem architecture

地阻測(cè)試模塊：可對(duì)車站需要進(jìn)行接地地阻測(cè)試的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試分為自動(dòng)和手動(dòng)方式。可人為設(shè)置自動(dòng)測(cè)試的時(shí)間。針對(duì)需要斷開測(cè)試的地阻，可增加自動(dòng)斷開閉合裝置。實(shí)現(xiàn)無人值守車站地阻的自動(dòng)測(cè)試。

電源采集模塊：用來采集電源防雷箱輸入端口的電源信息，采集數(shù)據(jù)包括相電壓、線電壓、電流、功率、頻率等電源參數(shù)，通過模塊內(nèi)置算法分析電源數(shù)據(jù)，經(jīng)RS-485總線給出電源參數(shù)數(shù)據(jù)和錯(cuò)序、瞬間斷電信息。

4 技術(shù)要求

監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)：可穩(wěn)定運(yùn)行MYSQL數(shù)據(jù)庫(kù)及開發(fā)的電源防雷箱的應(yīng)用程序LPCSub。

觸摸顯示屏：觸摸屏滿足人機(jī)交互的功能要求，外形尺寸為12寸，屏幕分辨率800×600，屏幕比率4∶3。

采集模塊：對(duì)地泄放回路中雷電流的幅值、時(shí)間、極性、次數(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus RTU通訊協(xié)議，可以通過RS-485總線將采集的數(shù)據(jù)上傳至中央處理器。

5 系統(tǒng)功能

5.1 劣化報(bào)警

防雷箱中SPD/SCB發(fā)生劣化時(shí)，提供界面顏色變化提示、報(bào)警聲音提示、記錄報(bào)警發(fā)生及恢復(fù)時(shí)間、位置、型號(hào)等信息。

5.2 雷擊監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)界面顯示最近一次發(fā)生的雷擊時(shí)間、峰值以及總的雷擊次數(shù)，進(jìn)入下級(jí)界面后，通過時(shí)間、參數(shù)查詢的條件，查詢滿足條件的雷擊信息。

二級(jí)界面顯示最近一次及最大一次的雷擊信息，查詢結(jié)果按照時(shí)間順序進(jìn)行排列。

5.3 地阻測(cè)試

監(jiān)測(cè)界面中的地阻測(cè)試單元包含測(cè)試管理、歷史記錄和設(shè)置3個(gè)子功能。

測(cè)試管理：可以對(duì)8個(gè)通道的測(cè)試回路，進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)測(cè)試。測(cè)試選擇可單個(gè)或多個(gè)通道進(jìn)行組合測(cè)試，測(cè)試完成后，顯示測(cè)試值。進(jìn)行操作時(shí)，提供必須的顏色狀態(tài)提示、測(cè)試完成的文字提示。

歷史記錄：記錄每個(gè)通道的測(cè)試值、測(cè)試時(shí)間、測(cè)試方式。

設(shè)置：可對(duì)通道的名稱進(jìn)行設(shè)置更改，可設(shè)置自動(dòng)測(cè)試的時(shí)間。

5.4 SPD/SCB管理

實(shí)現(xiàn)對(duì)安裝在防雷設(shè)備內(nèi)的SPD/SCB信息的管理，記錄其型號(hào)、安裝位置、序列號(hào)、劣化記錄、更換記錄。設(shè)置靈活，可更改。

5.5 設(shè)備統(tǒng)計(jì)

自動(dòng)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)中安裝使用的模塊型號(hào)、數(shù)量。當(dāng)有模塊故障時(shí)，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)故障模塊的型號(hào)、數(shù)量。

5.6 斷相記錄

自動(dòng)記錄電源斷相的位置、發(fā)生時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間。

5.7 過電壓監(jiān)測(cè)

對(duì)電源防雷箱輸入端的電源進(jìn)行采集，采集其在電源異常時(shí)，產(chǎn)生的過電壓。采樣周期為20 ms，電壓范圍500～5 000 V。

過電壓數(shù)據(jù)可以時(shí)間和次數(shù)的方式進(jìn)行查詢，并以曲線圖的形式記錄，同時(shí)給出過電壓發(fā)生的時(shí)間、峰值及次數(shù)。

5.8 故障分析診斷

如圖4所示，當(dāng)SPD發(fā)生故障，自動(dòng)判斷SPD的故障原因。通過時(shí)間進(jìn)行查詢，查詢結(jié)果列表顯示。顯示內(nèi)容包括故障位置、模塊型號(hào)、建議處理方式、故障原因分析、故障時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間。故障原因分為雷擊、過電壓、自然劣化3種。

圖4 故障分析邏輯判斷原理圖Fig.4 Schematic diagram of fault analysis and logic judgement

5.9 配置圖紙

按照臺(tái)賬圖紙電子化管理需要，可將防雷竣工圖等資料直接配置在軟件中，便于查看或更新改造時(shí)調(diào)閱，防止紙質(zhì)圖紙的丟失、變色、模糊。

5.10 設(shè)置

設(shè)備管理：對(duì)名稱、型號(hào)、廠家和備注進(jìn)行設(shè)置。

密碼管理：對(duì)原始密碼、新密碼、確認(rèn)密碼進(jìn)行設(shè)置。

閾值管理：對(duì)雷擊報(bào)警、過電壓報(bào)警、地阻報(bào)警閾值進(jìn)行設(shè)置，雷擊及過電壓報(bào)警設(shè)置值作為故障分析判斷的依據(jù)。同時(shí)設(shè)置的報(bào)警閾值，作為數(shù)據(jù)上傳的依據(jù)，超出閾值時(shí)，上傳數(shù)據(jù)至上一級(jí)系統(tǒng)。

網(wǎng)絡(luò)管理：對(duì)設(shè)備地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)地址、服務(wù)器地址進(jìn)行設(shè)置。

6 總結(jié)

如果說承載著全局行車指揮和列車控制的信號(hào)系統(tǒng)是鐵路“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”的話，那么信號(hào)綜合防雷系統(tǒng)便是保證“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”不被外界（雷擊或大電流侵入）刺激的“安全帽”。通過智能型綜合防雷系統(tǒng)在太原局的首次運(yùn)用，真正做到減輕現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備維護(hù)人員的負(fù)擔(dān)、又有效地提升“安全帽”的保護(hù)強(qiáng)度，并為鐵路固定設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)融合發(fā)展提供又一支點(diǎn)。