郭浩

（中國鐵路北京局集團有限公司 豐臺車輛段，北京 100070）

1 概述

鐵路車輛軸溫智能探測系統(tǒng)（THDS）實時采集運行車輛的軸承溫度、環(huán)境溫度、軸數(shù)等信息，通過綜合評估、診斷、預(yù)警來確保車輛運行安全[1-3]。從1980年第一代載波傳輸描筆式軸溫探測儀大規(guī)模投入使用，發(fā)展到現(xiàn)今的THDS，其電子元器件電路集成度越來越高，而絕緣強度低、過電壓和過電流耐受能力差、電磁干擾敏感的特點越來越突出，一旦設(shè)備受到直接雷擊或其附近發(fā)生雷擊，雷電過電壓、過電流和脈沖電磁場會通過電源線、信號線等途徑到達設(shè)備，造成控制設(shè)備損壞或信號錯誤，從而影響設(shè)備的正常工作[4-6]。THDS采取外部防雷裝置+內(nèi)部防雷裝置相結(jié)合的基礎(chǔ)雷電防雷方式（見圖1），為保證防雷裝置的有效性，需人工定期對浪涌保護器（SPD）、地網(wǎng)等核心裝置進行檢測維護[7-8]。

圖1 THDS基礎(chǔ)防雷結(jié)構(gòu)

2 既有防雷裝置及人工定期巡檢的不足

2.1 地網(wǎng)阻值測量不符合標準

機房基本建在鐵路沿線，一側(cè)是鋼軌，另一側(cè)或是山坡、溝壑、民宅、公路等處所，較差的環(huán)境使得測量距離很難符合國際三極法的測量標準要求，造成測量結(jié)果不準確。

2.2 無法獲得準確而有效的地網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)

機房周圍電磁環(huán)境復(fù)雜：上方是高壓接觸網(wǎng)，周圍是鋼軌及交叉敷設(shè)的各種入戶電纜。復(fù)雜的電磁環(huán)境會對接地電阻測量產(chǎn)生感性與容性耦合，同時也存在阻性耦合影響[9-10]。當(dāng)接觸網(wǎng)電流經(jīng)鋼軌回流時，會有部分電流沿鋼軌漏泄入地，在散流入地點周圍相對于遠處大地間的電位升高，且通過大地阻性耦合，在監(jiān)測設(shè)備機房接地裝置間產(chǎn)生電位差，同樣也會對接地電阻的測量造成影響（見圖2）。因此，在不采取一定抗干擾措施下進行測量難以獲得準確有效的地網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。

圖2 機房環(huán)境對接地體電阻耦合的影響

2.3 存在安全隱患

設(shè)備與接地裝置斷開及手搖式地阻表測量方式（見圖3）使得人和設(shè)備都置于無保護狀態(tài)，存在一定安全隱患（尤其在雷雨季節(jié)）。

圖3 手搖式地阻表測量方式

2.4 檢測方式被動

作為防雷裝置重要組成部分的SPD，限制浪涌電流沿配電線路侵入，對保護后備設(shè)備及人員安全起著關(guān)鍵性作用，SPD的劣化將直接導(dǎo)致防雷防護的失效。由于SPD劣化的隨機性和損壞時間的不確定性，每年6次的低頻定期巡檢（春檢春鑒、秋檢秋鑒、季度例行檢查）的檢測方式略顯被動。

2.5 勞動強度大，耗時低效

豐臺車輛段擁有105個THDS探測站，擁有156套設(shè)備，既有規(guī)程規(guī)定：防雷裝置每年春檢春鑒、秋檢秋鑒進行全面檢查整修，每個季度進行1次例行檢查（見表1）。

表1 豐臺車輛段THDS防雷裝置正常檢修時間

從表1可以看出，既有檢修方式存在以下不足：

（1）整體檢修時間25 803.0 h，其中：用于檢修的時間為1 575.0 h。真正檢修時間占全部時間的6.1%，其余均為輔助（往返、就位）時間（如張家口動態(tài)維修車間管轄的李家營THDS，汽車往返就需要14 h，必須在外過夜住宿）。

（2）人均月工作時間430.05 h（5 160.6/12），人均日工作時間19.77 h（430.05/21.75，國家規(guī)定每月平均工作日為21.75 d），遠大于國家規(guī)定的每天8 h工作量。

2.6 存在行車安全隱患

豐臺車輛段THDS所布設(shè)的京滬線、京九線、京廣線地處北京干旱地帶，土壤電阻率高，普通接地普遍效果不佳；THDS所布設(shè)的京承線、唐呼線處于山區(qū)，屬雷電高發(fā)地區(qū)。2016年因雷擊造成THDS停機377.48 h；2017年因雷擊造成THDS停機1 032.99 h。

THDS停機被列為車輛系統(tǒng)故障中的行車設(shè)備故障。在此期間運行的鐵路車輛存在故障高溫軸時，會因停機漏探無法預(yù)報，處置不及時會造成危及行車安全的事故（如車軸熱切）。

據(jù)不完全統(tǒng)計，遭受雷擊損壞的THDS中，有80%是因防雷裝置狀態(tài)不良造成的。因此，實時和準確掌握防雷裝置運行狀態(tài)已成為THDS亟待解決的問題。

3 智能雷電防護與運維系統(tǒng)架構(gòu)

智能雷電防護與運維系統(tǒng)設(shè)計目標：對THDS雷電防護裝置進行實時測量、監(jiān)測，經(jīng)分析進行預(yù)警，開展預(yù)防性、針對性維護，確保其雷電防護能力得到有效、可靠保障。

智能雷電防護與運維系統(tǒng)工作原理：以傳統(tǒng)雷電防護裝置為基礎(chǔ)，通過增加地網(wǎng)智能檢測終端、智能型電源防雷箱、雷電智能監(jiān)測終端等智能傳感測量裝置，完成對THDS地網(wǎng)接地電阻阻值狀態(tài)、電源防雷箱供電狀態(tài)、SPD劣化狀態(tài)、機房雷擊情況與各終端工作狀態(tài)等信息的實時采集。各傳感和測量終端通過RS485將地網(wǎng)阻值狀態(tài)、SPD劣化狀態(tài)和探測站雷擊信息等數(shù)據(jù)集中傳給防雷數(shù)據(jù)管理終端，數(shù)據(jù)管理終端對全部防雷數(shù)據(jù)進行分析、處理和打包后，在THDS非接車監(jiān)測時段，經(jīng)RS232/RS485/LAN等多種傳輸途徑將數(shù)據(jù)傳給THDS，數(shù)據(jù)本地不解析，僅通過光纖將數(shù)據(jù)傳至鐵路計算機網(wǎng)，最終數(shù)據(jù)在各復(fù)示終端進行解析、顯示及應(yīng)用。

智能雷電防護與運維系統(tǒng)從宏觀角度上分為應(yīng)用層、傳輸層和感知層3個層面，從構(gòu)成上分為信息管理系統(tǒng)（應(yīng)用層）、防雷數(shù)據(jù)管理及傳輸裝置（傳輸層）、智能傳感和測量裝置（感知層）及基礎(chǔ)雷電防護裝置（感知層）4部分（見圖4）。

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 信息管理系統(tǒng)

信息管理系統(tǒng)由復(fù)示端平臺軟件、機房監(jiān)控設(shè)備軟件組成，用于車輛段復(fù)示站、車輛檢測所復(fù)示站和列檢所復(fù)示站進行相關(guān)信息顯示（見圖5）。工作人員通過進行隸屬單位、報警類型（7 d內(nèi)遭受雷擊、地阻超標、SPD劣化）、監(jiān)測位置（地網(wǎng)、引下線、防雷箱）的選擇，可以完成實時查看、遠程測量、定時測量、統(tǒng)計圖表等工作，系統(tǒng)自動完成定時測量、地阻超標報警、SPD劣化報警、雷擊參數(shù)采集和系統(tǒng)故障自行診斷等工作。

圖5 信息管理系統(tǒng)主界面

3.2 防雷數(shù)據(jù)管理與傳輸裝置

防雷數(shù)據(jù)管理與傳輸裝置完成現(xiàn)場雷電防護數(shù)據(jù)收集、緩存、處理、壓縮傳輸、自檢、監(jiān)控與各傳感測量硬件的通信狀態(tài)以及監(jiān)控與THDS間的通信狀態(tài)等工作。當(dāng)出現(xiàn)通信異常時，及時在本地顯示并反饋給信息管理平臺。

3.3 智能傳感與測量裝置

智能傳感與測量裝置由地網(wǎng)智能檢測終端、智能電源防雷箱、雷電智能監(jiān)測終端3部分組成，其中：

（1）地網(wǎng)智能檢測終端利用物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字微處理、自動頻率控制（AFC）等多項新技術(shù)，完成實時/定時測量、阻值超標報警等工作。

（2）智能電源防雷箱實現(xiàn)了實時電壓（電流）、SPD劣化狀態(tài)、雷擊計數(shù)、雷擊強度、雷擊發(fā)生時間、SPD全生命周期測算、故障保護空開狀態(tài)監(jiān)測等功能。

（3）雷電智能監(jiān)測終端對雷電流的特性參數(shù)（雷擊次數(shù)、時間、峰值、能量、極性等）進行監(jiān)測。

智能傳感與測量裝置各部分的主要監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。

3.4 基礎(chǔ)雷電防護裝置

基礎(chǔ)雷電防護裝置分為內(nèi)部防雷裝置和外部防雷裝置，內(nèi)部防雷裝置由內(nèi)部屏蔽、等電位連接、電源防護、信號防護、SPD等組成，外部防雷裝置由接閃器、引下線和接地裝置組成。

（1）外部防雷裝置的主要作用是將雷擊產(chǎn)生的雷電流順利引入大地。

（2）內(nèi)部防雷裝置的主要作用是盡可能地將可能進入的雷電流阻擋在機房外，并將因雷擊使機房內(nèi)THDS電磁效應(yīng)所產(chǎn)生的雷電流安全泄放入大地，防止反擊、接觸電壓、跨步電壓等二次雷擊傷害。

4 智能雷電防護與運維系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

4.1 接地電阻自動測量技術(shù)

將三極法測量方式與異頻電阻測量技術(shù)進行有機組合，實現(xiàn)接地電阻的自動測量。

4.1.1 三級法測量方式

按照標準要求，系統(tǒng)接地裝置采用水平埋設(shè)（距地面0.8 m深）的一字形鍍銅鋼絞線（規(guī)格：95 mm2、長10 m），每隔3 m焊接鍍銅鋼棒（規(guī)格：20 mm2、長1.5 m），共3～4根垂直埋設(shè)的方案。

測量方式：測量用電流極A距被測接地裝置G邊緣的距離為40 m，測量用電壓極B距被測接地裝置G邊緣的距離為20 m；電壓極和接地裝置等效中心的連接線與電流極和接地裝置等效中心的連接線重和（即夾角θ=0°）。

4.1.2 異頻電阻測量技術(shù)

鑒于鐵路線路周圍工頻干擾嚴重，直接采用頻率為94 Hz的AC 12 V交流電進行測量，最大測量電流（Imax）不超過20 mA，若發(fā)現(xiàn)頻率干擾時，通過自動控制頻率技術(shù)（AFC）切換至105 Hz或111 Hz或128 Hz進行測量，最后通過軟件將測量的電阻值轉(zhuǎn)化為工頻下的接地電阻值。

異頻測量方法通過濾波濾除掉干擾影響，有效消除接地體中的工頻及高頻干擾，準確測出地網(wǎng)接地電阻值。

4.2 峰值采集技術(shù)

采用羅氏線圈+數(shù)字量輸出積分器的電流測量系統(tǒng)采集雷電流峰值，可進行毫安到兆安范圍的電流測試，具有線性度良好、帶寬范圍大、響應(yīng)速度快、無二次開路危險、過電流能力強、低功耗、可測量不規(guī)則導(dǎo)體、安裝方便，無須破壞導(dǎo)體、質(zhì)量輕、輸出信號與電流頻率無直接關(guān)系（相位差小于0.1°）、可測量波形復(fù)雜的電流信號（如瞬態(tài)沖擊電流）等特點。

其理論依據(jù)是法拉第電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律，當(dāng)被測電流沿軸線通過羅氏線圈中心時，在環(huán)形繞組所包圍的體積內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)變化的磁場。

羅氏線圈的輸出電壓與被測電流的微分（di/dt）成正比，只要將其輸出經(jīng)過積分器，即可得到與輸入一次電流成正比的輸出電壓。

數(shù)字量輸出積分器在內(nèi)部即完成了羅氏線圈輸出電壓信號的積分及AD采樣，并將AD采樣結(jié)果以光纖為介質(zhì)上傳至二次儀表或上位機，有效避免傳輸過程中的損耗及干擾。

套在機房等電位聯(lián)結(jié)箱總地線上的羅氏線圈測量機房整體雷擊情況。通過對機房雷電流泄放通道上雷電參數(shù)的峰值采集、還原和計算，得到每次雷擊時間、能量、峰值和極性等參數(shù)，便于雷擊事故分析并及時采取針對性的防護措施。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

采用物聯(lián)網(wǎng)DCM三層架構(gòu)（感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層），將地網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)、電源防雷箱SPD劣化狀態(tài)和機房各通道雷電泄放數(shù)據(jù)等防雷數(shù)據(jù)與THDS信息整合，以數(shù)字化的形式呈現(xiàn)給用戶，通過對感知層提供數(shù)據(jù)的分析和處理，實現(xiàn)智能化的決策和管理。

4.4 預(yù)埋裝置防腐技術(shù)

預(yù)埋裝置采用抗腐蝕和耐壓強度較高的高壓膠管（見圖6）對測試線進行防護；采用不銹鋼做成的四通連接器實現(xiàn)對測試線與測試電極連接點的可靠防護；高壓膠管與觀察箱之間采用銅質(zhì)防水堵頭連接；測試電極采用抗腐蝕性較強的鍍銅鋼材質(zhì)，防腐技術(shù)及合理的安裝工藝保證了該裝置能夠滿足設(shè)計使用壽命要求。

圖6 地網(wǎng)智能檢測預(yù)埋裝置

4.5 全生命周期算法技術(shù)

通過對SPD裝配時間、安裝環(huán)境、浪涌頻度和泄放能量等數(shù)據(jù)的采集與計算，定量判斷SPD劣化指數(shù)，從而實現(xiàn)對SPD劣化的提前報警，提示運維人員采取針對性維護，既保證防護裝置的實時有效性，又大幅降低盲目檢測造成的成本、時間浪費。

5 實施效果

目前，豐臺車輛段新建、改建了50套設(shè)備，逐步形成了一個小型化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。使用以來，取得了良好效果。

（1）智能化監(jiān)測，針對性運維。2018年春季，根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測到13套站點中7個地網(wǎng)阻值超標站點預(yù)警提示，及時制定了針對性的整改措施，保障接地裝置的實時有效性，降低了雷雨季節(jié)THDS免遭雷擊損壞的風(fēng)險。2018年雷雨季節(jié)，對系統(tǒng)監(jiān)測到遭受雷擊但未造成THDS損害的15個處所及時進行針對性維修，提供確保THDS正常運行的雷電防護保障能力。

（2）改變傳統(tǒng)運維作業(yè)模式，降低維護成本。對已安裝系統(tǒng)的THDS采取每年1次的春檢春鑒定期檢修，其余時間依據(jù)預(yù)警信息進行針對性、預(yù)防性維修，實現(xiàn)了部分修程修制的改革嘗試。與傳統(tǒng)每年6次定檢檢修方式相比，縮短了檢修時間，縮減了檢修工作量，減少了83.33%的定檢所涉及的人工及交通成本。

（3）提升防護效能，保障車輛安全。2018年度，豐臺車輛段THDS停機時間縮短至289.16 h，出現(xiàn)了一定幅度的下降。其中：安裝系統(tǒng)處停機時間為30.15 h，占2018年全部停機時間的10.43%；歷史同期該處所停機時間46.72 h，相比減少了54.96%。

6 結(jié)論與展望

智能雷電防護與運維系統(tǒng)與既有THDS設(shè)備集成，2套數(shù)據(jù)統(tǒng)一由既有THDS專用數(shù)據(jù)通道上傳至服務(wù)器，提高了設(shè)備利用率和勞動生產(chǎn)率，減少了設(shè)備投入。實現(xiàn)人工定期巡檢向?qū)崟r測量、動態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)警的質(zhì)的轉(zhuǎn)變，大幅提升雷電防護能力，將雷擊損失降到最低程度，減少THDS停機時間、節(jié)省維修費用，確保鐵路行車安全；為預(yù)防性、針對性維護方式的修程修制改革提供了硬件保障，符合THDS“智能化和無人化”的未來發(fā)展方向。

下一步，通過對不同制造商生產(chǎn)的內(nèi)部防雷裝置性能、壽命進行統(tǒng)計、分析，確定合格供應(yīng)商名單，從質(zhì)量源頭上把關(guān)，降低企業(yè)的成本支出。對外部防雷裝置采用的材質(zhì)、規(guī)格、安裝方式進行運行考驗分析，找出不同地質(zhì)地貌條件下最佳防護能力與最佳投入成本的結(jié)合點。對THDS區(qū)域地阻季節(jié)性變化、雷擊地點特征進行統(tǒng)計分析，找出相應(yīng)規(guī)律，對既有THDS制定積極有效的預(yù)防性、針對性解決措施，盡最大程度提升雷擊防護能力；同時，可為新建THDS時提供更加科學(xué)的指導(dǎo)借鑒。智能雷電防護與運維系統(tǒng)可應(yīng)用于其他鐵路車輛安全監(jiān)控設(shè)備（TPDS、TFDS、TADS、TCDS）、集控式脫軌器及類似的通信基站等場合。