靳邵云，肖桐，王州龍，徐金鵬

雷電是一種瞬間釋放的強(qiáng)烈電磁脈沖，具有非常高的電壓和電流，能夠?qū)﹁F路通信、信號(hào)設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p壞，甚至引發(fā)火災(zāi)，影響運(yùn)輸安全［1］。浪涌保護(hù)器（Surge Protection Device，SPD）是一種應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)的防雷裝置，用于吸收或泄放浪涌，實(shí)現(xiàn)對(duì)線(xiàn)路或設(shè)備的防護(hù)［2］。由于SPD的應(yīng)用十分廣泛，且數(shù)量巨大，因此其自身的工作狀態(tài)將直接影響設(shè)備的防護(hù)效果。

而目前SPD脫扣裝置的動(dòng)作條件并未與SPD的使用壽命直接相關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)防雷器件已經(jīng)損壞但脫扣裝置未動(dòng)作的情況。若不將SPD取下進(jìn)行參數(shù)測(cè)量，則現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)已損壞的SPD，造成已失效的SPD仍然連接在電路中，雷電防護(hù)存在失效風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，還可能造成由SPD自身故障引發(fā)的其他事故。

隨著傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和電子信息技術(shù)的發(fā)展，小型化、低成本的監(jiān)測(cè)方案越來(lái)越成熟和完善，這為SPD的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和壽命預(yù)測(cè)提供了條件。鐘林等［3］設(shè)計(jì)了一種雷電流識(shí)別與在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)雷電流的幅度、斜率、半峰值時(shí)間等，實(shí)現(xiàn)雷電流識(shí)別和循環(huán)觸發(fā)，以提高觸發(fā)的可靠性和波形檢測(cè)的完整性；張雷等［4］研究了一種嵌入式雷擊在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線(xiàn)路的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高了雷擊監(jiān)測(cè)裝置的便捷性和經(jīng)濟(jì)性。

壽命研究對(duì)于裝備的運(yùn)維保障具有重要意義，準(zhǔn)確的壽命預(yù)測(cè)可以顯著提升運(yùn)維管理的質(zhì)量和水平。張繼軍等［5］針對(duì)機(jī)載設(shè)備剩余使用壽命預(yù)測(cè)中存在的不確定性因素，建立了基于狀態(tài)條件概率分布的機(jī)載設(shè)備剩余壽命模型；李章楊等［6］采用層次分析法與模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)合的方式，分析影響鐵路信號(hào)設(shè)備使用壽命的眾多因素，建立起信號(hào)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備使用壽命的評(píng)估流程。

本文在綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，充分借鑒相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，利用流經(jīng)SPD的雷電流，研發(fā)專(zhuān)門(mén)針對(duì)SPD的壽命自監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)和壽命計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)SPD的壽命自感知，具備狀態(tài)指示和通信的能力，可接入集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，便于現(xiàn)場(chǎng)人員巡檢，為實(shí)現(xiàn)防雷設(shè)備故障預(yù)診斷及智能化監(jiān)測(cè)提供支撐。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

SPD壽命自監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括傳感模塊、微控制器（Micro Controller Unit，MCU）模塊、顯示模塊和通信模塊4個(gè)部分。系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖1。

圖1 SPD壽命自監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

1）傳感模塊用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)SPD經(jīng)受的雷電流及其脫扣狀態(tài)。其中空心線(xiàn)圈、積分電路和電壓調(diào)理電路用于雷電流的監(jiān)測(cè)，脫扣狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路用于脫扣狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

2）微控制器模塊的主體是一款集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog to Digital Converter，ADC）、通用輸入輸出端口（General Purpose Input/Output Port，GPIO）、集成電路互聯(lián)總線(xiàn)（Inter-Integrated Circuit，I2C）和控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）控制器等外設(shè)的工業(yè)級(jí)低功耗MCU，采用32位的精簡(jiǎn)指令集，將內(nèi)核、仲裁單元、DMA模塊、SRAM存儲(chǔ)等通過(guò)多組總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)交互。作為系統(tǒng)的核心，微控制器模塊實(shí)現(xiàn)傳感模塊的信息采集和SPD的壽命模型計(jì)算，同時(shí)驅(qū)動(dòng)顯示模塊和通信模塊。

3）顯示模塊由綠、黃、紅三色燈組成，使用MCU控制，可直觀表示SPD的當(dāng)前狀態(tài)。綠燈表示正常；黃燈表示告警；紅燈表示失效。

4）通信模塊中同時(shí)包含近距離無(wú)線(xiàn)通信（Near Field Communication，NFC）和CAN總線(xiàn)通信2種方式。其中，NFC可通過(guò)讀取裝置以非接觸方式實(shí)現(xiàn)信息交互，將SPD詳細(xì)的信息展示給用戶(hù)，便于現(xiàn)場(chǎng)人員的巡檢；預(yù)留的CAN總線(xiàn)接口可以使SPD接入集中監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)［7］。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 雷電流監(jiān)測(cè)

由于雷電流能夠在瞬間釋放大量能量，具有破壞性［8］，除了不能直接將其接入電路外，還需考慮雷電流采集電路在浪涌保護(hù)器中安裝時(shí)體積受限的問(wèn)題，因此本系統(tǒng)采用柔性空心線(xiàn)圈，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電流的間接測(cè)量［9-10］?？招木€(xiàn)圈又名羅氏線(xiàn)圈，不用直接接觸被測(cè)量對(duì)象，只需將其套在被測(cè)量的導(dǎo)體上，即可實(shí)現(xiàn)電流的采集?？招木€(xiàn)圈具有測(cè)量范圍大、精度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于雷電流測(cè)量中。

當(dāng)被監(jiān)測(cè)的導(dǎo)線(xiàn)中有電流經(jīng)過(guò)時(shí)，電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律在空心線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)過(guò)積分電路后，即可得到與被測(cè)電流值呈比例的電壓值。但此時(shí)輸出的電壓值與ADC的采樣范圍不匹配，還需經(jīng)過(guò)電壓調(diào)理電路將該電壓值按照幅值比例，線(xiàn)性調(diào)整到ADC的采樣范圍內(nèi)。MCU控制ADC進(jìn)行采集，并實(shí)時(shí)進(jìn)行分析和存儲(chǔ)。

由于雷電流引起的磁場(chǎng)變化十分迅速，持續(xù)時(shí)間僅為數(shù)百微秒。為實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電波形更好的采樣，設(shè)置ADC的采樣頻率為1 MHz，采樣時(shí)間間隔為1 μs。若每次采樣觸發(fā)時(shí)均占用CPU資源，則影響其他程序的執(zhí)行。為此，引入DMA（直接內(nèi)存操作）機(jī)制，提供在外設(shè)和存儲(chǔ)器之間，或存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)需CPU干預(yù)，數(shù)據(jù)可以通過(guò)DMA快速地移動(dòng)。

雷電流采集的硬件數(shù)據(jù)流見(jiàn)圖2。配置MCU的控制寄存器，將電壓調(diào)理電路的輸出信號(hào)掛載到ADC采樣通道上。啟用DMA控制器，使ADC的采樣值直接存儲(chǔ)到512個(gè)采樣點(diǎn)的RAM之中。ADC為12位，采樣1次即產(chǎn)生2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，512個(gè)采樣點(diǎn)所需的存儲(chǔ)空間為1 KB。由于雷電流需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為不使數(shù)據(jù)丟失，引入了乒乓操作機(jī)制［11］，開(kāi)辟了RAM1和RAM2 2塊存儲(chǔ)空間，當(dāng)其中一塊RAM存滿(mǎn)后立刻切換到另一塊RAM，如此往復(fù)［12］。當(dāng)其中一個(gè)RAM存儲(chǔ)結(jié)束后，將該RAM中的數(shù)據(jù)作為一幀，識(shí)別該幀內(nèi)有無(wú)有效數(shù)據(jù)，即是否包含雷電電流波形。若數(shù)據(jù)無(wú)效，則下次寫(xiě)入時(shí)直接覆蓋；若檢測(cè)到有效數(shù)據(jù)，則即刻將該幀數(shù)據(jù)寫(xiě)入空間為2 KB的RAM3中。等待另一個(gè)RAM的數(shù)據(jù)幀存儲(chǔ)完成后，再將RAM3中RAM1和RAM2的中心數(shù)據(jù)幀拼接，以防止出現(xiàn)不完整的波形。最后RAM3中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至ROM中，以供查詢(xún)和壽命值計(jì)算。

圖2 雷電流采集的硬件數(shù)據(jù)流

2.2 脫扣狀態(tài)監(jiān)測(cè)

浪涌保護(hù)器中脫扣裝置的作用為：①實(shí)時(shí)表示當(dāng)前的脫扣狀態(tài)；②當(dāng)脫扣發(fā)生時(shí)，及時(shí)切斷與被保護(hù)線(xiàn)路的電氣連接；③當(dāng)脫扣發(fā)生后，及時(shí)發(fā)布信息，表示脫扣裝置已動(dòng)作。

目前，脫扣裝置是采用一套相互聯(lián)動(dòng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)，當(dāng)SPD中流經(jīng)電流并持續(xù)一段時(shí)間時(shí)，防雷器件會(huì)發(fā)熱，促使SPD的溫度升高。當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，脫扣裝置中的焊錫融化，使機(jī)械裝置脫開(kāi)，驅(qū)動(dòng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)彈開(kāi)。微動(dòng)開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉狀態(tài)，即為SPD脫扣狀態(tài)的表征?？墒褂肕CU的I/O引腳監(jiān)測(cè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)SPD脫扣狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

3 通信方式

3.1 CAN通信

隨著鐵路智能運(yùn)維的推進(jìn)和發(fā)展，使SPD具備接入集中監(jiān)測(cè)平臺(tái)和遠(yuǎn)程狀態(tài)感知的能力十分必要。CAN總線(xiàn)是一種實(shí)時(shí)應(yīng)用的串行通信協(xié)議總線(xiàn)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域，可在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信［13］。

壽命自監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)留了CAN總線(xiàn)通信接口，并制定了專(zhuān)用的通信協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)SPD歷次的壽命值、雷擊電流波形、雷擊幅值、雷擊時(shí)刻和雷擊計(jì)數(shù)等查詢(xún)。同時(shí)，還具備告警信息和失效信息的主動(dòng)發(fā)送功能。

MCU中集成了CAN控制器，可通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)CAN通信協(xié)議。將MCU中CAN控制器的輸出引腳與CAN驅(qū)動(dòng)器的輸入引腳連接，由CAN驅(qū)動(dòng)器的輸出引腳通過(guò)匹配電阻接入CAN總線(xiàn)。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可將安裝位置較近的多個(gè)SPD采用就近原則掛載在CAN總線(xiàn)上，實(shí)現(xiàn)多個(gè)SPD壽命自監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之間的通信。

3.2 NFC通信

為方便現(xiàn)場(chǎng)人員巡檢時(shí)能夠隨時(shí)讀取SPD的詳細(xì)信息，系統(tǒng)還采用了NFC通信機(jī)制［14］。NFC通信采用動(dòng)態(tài)電子標(biāo)簽，其一端與MCU的I2C接口相連，另一端與通信天線(xiàn)連接。MCU的I2C接口和天線(xiàn)接口均可以對(duì)存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)，從而實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)與MCU的雙向通信。

4 系統(tǒng)軟件

4.1 劣化核計(jì)算

流經(jīng)SPD的雷電流是導(dǎo)致SPD損壞的直接原因，溫度和漏流是SPD劣化過(guò)程中的間接表征。浪涌保護(hù)器每經(jīng)受一次雷擊都將對(duì)其壽命產(chǎn)生影響。為描述這種影響程度，本文引入劣化核的概念。

一般情況下，雷電流的幅值越大、變化越劇烈，雷擊時(shí)間間隔越小，對(duì)SPD造成的損壞就越大。本文將流經(jīng)SPD的雷電流作為其壽命評(píng)價(jià)的依據(jù)，把雷電流的波形、幅值和2次雷電流間的沖擊時(shí)間間隔作為壽命模型的輸入?yún)?shù)。其中，雷電流的波形用于計(jì)算能量值，幅值用于表征在相同能量值下雷電流強(qiáng)度變化的劇烈程度。將上述3個(gè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算融合，即可得到用于浪涌保護(hù)器壽命狀態(tài)切換的劣化核。

當(dāng)SPD經(jīng)受雷擊時(shí)，系統(tǒng)中的傳感模塊能夠采集并存儲(chǔ)雷擊的波形；隨后，在MCU中運(yùn)行處理程序，對(duì)該雷擊波形進(jìn)行中值濾波，剔除掉異常的數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到平滑的雷電波形；在處理后的雷電波形中，尋找其最大值作為雷電流峰值I；將雷電波形在時(shí)間上進(jìn)行積分，得到能量值E；此次雷擊與上次雷擊之間的時(shí)間間隔為T(mén)。將E、I、T按式（1）進(jìn)行計(jì)算，得到劣化核KN為

式中：EN為第N次雷擊的能量值；IN為第N次雷電流幅值，單位kA；TN為第N-1次雷擊與第N次雷擊之間的時(shí)間間隔，單位min；η為型號(hào)參數(shù)，采用標(biāo)定法以表征不同型號(hào)浪涌保護(hù)器的差異。

SPD經(jīng)受首次雷擊時(shí)，由于不具備2次雷擊之間的雷電流沖擊間隔，此時(shí)的劣化核K1為

劣化核是后續(xù)SPD壽命計(jì)算的基礎(chǔ)，其計(jì)算輸出結(jié)果的值域?yàn)椋?，1）。

4.2 壽命值計(jì)算

SPD的壽命值是一個(gè)變化量，其變化過(guò)程從SPD全新持續(xù)到失效報(bào)廢的整個(gè)生命周期。每當(dāng)SPD經(jīng)受一次雷電沖擊，壽命計(jì)算模型就根據(jù)輸入的雷電沖擊進(jìn)行一次壽命計(jì)算。

定義全新的SPD為初始狀態(tài)，其壽命值為100%。以第N次沖擊為例，SPD經(jīng)受雷電沖擊后，將參數(shù)代入式（1）中，計(jì)算生成劣化核KN。將狀態(tài)N-1的壽命值與劣化核相乘，即可得到狀態(tài)N的壽命值［15］。SPD壽命值計(jì)算原理見(jiàn)圖3。

圖3 SPD壽命值計(jì)算原理

5 SPD狀態(tài)顯示及報(bào)警發(fā)布流程

SPD經(jīng)受多次雷擊后，其壽命值逐漸衰減，直至失效報(bào)廢。SPD的狀態(tài)顯示及報(bào)警發(fā)布流程見(jiàn)圖4。

圖4 SPD狀態(tài)顯示及信息發(fā)布流程

Step 1當(dāng)計(jì)算出的壽命值高于告警閾值時(shí)，SPD的指示燈亮綠燈，表明SPD可以正常使用，處于健康的狀態(tài)。此時(shí)，通過(guò)CAN通信接口發(fā)送正常信息。

Step 2當(dāng)計(jì)算出的壽命值低于告警閾值，且高于失效閾值時(shí)，SPD的指示燈亮黃燈，表明SPD不建議繼續(xù)使用，處于告警的狀態(tài)，需盡快更換。此時(shí)，通過(guò)CAN通信接口發(fā)送告警信息。

Step 3當(dāng)計(jì)算出的壽命值低于失效閾值時(shí)，SPD的指示燈亮紅燈，表明SPD處于失效狀態(tài)，需立即更換。此時(shí)，通過(guò)CAN通信接口發(fā)送失效信息。

Step 4當(dāng)監(jiān)測(cè)到脫扣裝置已經(jīng)脫扣時(shí)，此時(shí)SPD已經(jīng)與被保護(hù)電路斷開(kāi)，失去防護(hù)作用，同樣發(fā)布失效信息，并將指示燈切換為紅燈。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

將本系統(tǒng)與一款SPD適配組裝，把空心線(xiàn)圈套裝在SPD的線(xiàn)路上，并連接脫扣裝置的微動(dòng)開(kāi)關(guān)，使該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集雷電沖擊波形和監(jiān)測(cè)脫扣裝置的狀態(tài)，形成具有壽命自監(jiān)測(cè)功能的SPD。

對(duì)適配后的SPD進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，直至其損壞。試驗(yàn)采用25 kA的8/20 μs波形進(jìn)行沖擊，設(shè)定告警閾值為20%，失效閾值為5%，沖擊試驗(yàn)共執(zhí)行了43次。前21次沖擊后，系統(tǒng)輸出的壽命值從100%下降至21.5%，表征該階段的SPD處于健康狀態(tài)；在第22次沖擊后，計(jì)算得到壽命值為19.1%，達(dá)到告警閾值，標(biāo)志著SPD從健康狀態(tài)轉(zhuǎn)至告警狀態(tài)；在第23～38次沖擊后，系統(tǒng)輸出的壽命值從19.1%下降至5.2%，表征該階段的SPD處于告警狀態(tài)；第39次沖擊后，系統(tǒng)輸出的壽命值為4.8%，達(dá)到失效閾值，標(biāo)志著SPD從告警狀態(tài)轉(zhuǎn)至失效狀態(tài)；后續(xù)繼續(xù)執(zhí)行了第40～43次沖擊，直至SPD器件損壞。

對(duì)適配后的SPD進(jìn)行脫扣試驗(yàn)，按照規(guī)定施加工頻電流，直至SPD脫扣。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可感知SPD脫扣前后的狀態(tài)變化，能及時(shí)給出SPD脫扣裝置的監(jiān)測(cè)結(jié)果，并根據(jù)結(jié)果判斷SPD是否失效。

在上述試驗(yàn)過(guò)程中，整個(gè)系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)定的閾值，按SPD狀態(tài)顯示并發(fā)布信息，同時(shí)，也可使用手持終端進(jìn)行信息查詢(xún)。

7 結(jié)論

本文研制開(kāi)發(fā)的SPD壽命自監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在SPD中引入雷電流測(cè)量機(jī)制，并基于歷次雷電流沖擊數(shù)據(jù)構(gòu)建了壽命模型，相比于單純依據(jù)是否脫扣作為壽命判別的條件更科學(xué)、準(zhǔn)確；相比于使用漏流進(jìn)行壽命表征的方法具有更廣泛的適用性。

將具備壽命自監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的SPD應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，既能夠提高雷電防護(hù)的可靠等級(jí)，還可以使運(yùn)維更加便捷。及時(shí)更換壽命告警的SPD，在降低運(yùn)維人員勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，提升了SPD的使用效果，也能將原本“一刀切”式的防雷故障修升級(jí)為更加科學(xué)的狀態(tài)修。