物聯(lián)網(wǎng)在5T系統(tǒng)防雷的應(yīng)用探索

趙海明 劉賢禎

摘 ?要：近年來，隨著全國鐵路建設(shè)，加快推進(jìn)鐵路探測站數(shù)量和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，使鐵路防雷變得更加智能化和信息化。尤其是在全路5T系統(tǒng)（鐵路車輛運行安全監(jiān)控系統(tǒng)）中采用了大量的聲學(xué)、光學(xué)、電子、紅外監(jiān)測等技術(shù)，使行車安全得到了極大提高。目前全路5T探測站超過6000個，這些探測站大多位于曠野、山脈、濕地、海岸等惡劣環(huán)境。因此，雷擊損壞和維修費用金額每年超過5000萬元。自2003年以來，包括電源電涌保護(hù)器和信號電涌保護(hù)器等一系列防雷設(shè)備安裝在探測站5T系統(tǒng)中，大大的提升了5T系統(tǒng)的安全保護(hù)等級，有效延長5T系統(tǒng)的使用壽命，抑制了故障率的發(fā)生。但由于探測站的地理位置的特殊性無法實現(xiàn)長期派駐人員，在雷擊發(fā)生后電涌保護(hù)器件損壞，卻無法向其負(fù)責(zé)人員發(fā)出及時的響應(yīng)信號，使綜合防雷系統(tǒng)出現(xiàn)安全漏洞。因此，加強防雷系統(tǒng)智能化就顯得非常有必要。為了使5T探測站防雷設(shè)備有效工作和集中管理，通過采用“物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)。使數(shù)以千計的雷電流、SPD、電源及接地系統(tǒng)狀態(tài)信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到信息管理平臺。5T系統(tǒng)維護(hù)人員和鐵路集團(tuán)公司管理人員可以實時獲得5T探測站防雷設(shè)備工作狀態(tài)信息，大大提高了運維人員的工作效率和設(shè)備的工作狀態(tài)，進(jìn)一步減少因雷擊造成的損害。

關(guān)鍵詞：鐵路5T系統(tǒng)站;防雷現(xiàn)狀監(jiān)測;集中管理;物聯(lián)網(wǎng)

1 5T系統(tǒng)防雷分析

根據(jù)鐵路貨運安全的關(guān)鍵因素，利用機械、聲學(xué)、光學(xué)、電子、紅外監(jiān)測技術(shù)，共同組成了車輛運行安全監(jiān)控系統(tǒng)（5T系統(tǒng)），動態(tài)監(jiān)測列車運行，確保運營安全。

5T系統(tǒng)包括：車輛軸溫智能檢測系統(tǒng)（THDS），車輛運行品質(zhì)軌邊動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（TPDS），貨車滾動軸承故障軌邊聲學(xué)檢測系統(tǒng)（TADS），貨車故障軌邊圖像檢測系統(tǒng)（TFDS），客車運行安全監(jiān)控系統(tǒng)（TCDS），鐵路客車故障軌旁圖像檢測系統(tǒng)（TVDS），動車組運行故障圖像檢測系統(tǒng)。

5T系統(tǒng)建成于2002年8月，2018年12月底，5T系統(tǒng)探測站已經(jīng)覆蓋到全國18個鐵路集團(tuán)公司，超過七千個探測站，5T系統(tǒng)設(shè)備的大量投入，確保了鐵路運輸?shù)陌踩?，但隨之而來的雷擊事故卻急劇增加。近年來，全路5T探測站因受累計造成了重大經(jīng)濟(jì)損失，具體情況如下：5T探測站數(shù)量如表1所示，雷擊的損失如表2所示。

經(jīng)過多年的研究分析，大規(guī)模雷電災(zāi)害的原因是由以下原因造成：（1）自然環(huán)境。目前，中國鐵路建設(shè)里程已達(dá)130000公里，而5T系統(tǒng)是全線路安裝。5T探測站大多分布在曠野、山區(qū)、濕地、海岸等貧瘠的環(huán)境。這些都是雷電災(zāi)害的高風(fēng)險地區(qū)。（2）不良電源系統(tǒng)。至于鐵路供電，情況更復(fù)雜。特別是在山區(qū)，5T探測站的供電模式多為架空直供模式，大大增加了電源線感應(yīng)過電壓的風(fēng)險。（3）敏感的軌道傳感器。5T系統(tǒng)是與多個子系統(tǒng)共同組成，其技術(shù)包含：力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電子、紅外監(jiān)測等。每個子系統(tǒng)的信息采集均是由安裝在軌道處的高靈敏傳感設(shè)備完成。然而，鐵路軌道是一個巨大的金屬導(dǎo)體。極有可能發(fā)生直接雷擊并誘發(fā)感應(yīng)過電壓。在這種情況下，這些傳感器往往會嚴(yán)重?fù)p壞或通過其線纜造成探測站內(nèi)設(shè)備大面積損壞。由傳感系統(tǒng)引起的雷擊如圖1所示。（4）沒有派駐人員。大多數(shù)情況下，探測站不具有維護(hù)條件。值班人員通常每月只進(jìn)行一到兩次例行維護(hù)。因此，當(dāng)發(fā)生雷擊和系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生損壞時，缺乏即時響應(yīng)。（5）龐大的建設(shè)規(guī)模。截止2018年底，全路5T探測站已經(jīng)超過7000個，并由于鐵路建設(shè)加快推進(jìn)，預(yù)計這個數(shù)字每年以300個左右快速增長。

2 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)（簡稱物聯(lián)網(wǎng)）是指在Internet結(jié)構(gòu)中唯一可識別對象及其虛擬表示的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的典型架構(gòu)分為3層，從底層到上層，分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層中的關(guān)鍵元素更準(zhǔn)確、更全面的感知。網(wǎng)絡(luò)層主要是以移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋為基礎(chǔ)，形成系統(tǒng)感知網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵要素。應(yīng)用層提供豐富的應(yīng)用，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和行業(yè)需求。

大多數(shù)的雷電監(jiān)測和檢測系統(tǒng)均為傳感層。如監(jiān)測雷電流、溫度、濕度、電磁環(huán)境、檢測SPD等，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層依賴于鐵路用戶的特殊管理。

3 物聯(lián)網(wǎng)在5T系統(tǒng)防雷的應(yīng)用

3.1 雷電電流采樣

采用Rogowski線圈，該線圈將雷電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)換為電壓信號進(jìn)行捕獲和分析實現(xiàn)測量。雷電電流波形和輸出波形如圖2所示。

3.2 電力信息采樣

測量電流信號的處理方法是利用電流互感器，通過采樣電阻隔離信號轉(zhuǎn)換的方式實現(xiàn)。根據(jù)采樣定理，當(dāng)采樣頻率大于信號最高頻率的兩倍時，采樣的數(shù)字信號完整性保留原始信號中的信息。測量電流信號如圖3所示，電路處理后的波形如圖4所示。

3.3 SPD信息采樣

5T系統(tǒng)探測站的SPD通常具有遙信的功能。監(jiān)控裝置可獲得SPD直接發(fā)送的信號。

但是通過我們的研究，該功能僅僅是一個開關(guān)量信號，很難準(zhǔn)確獲得SPD的運行狀態(tài)，所以定期測試是5T系統(tǒng)所必要的。

3.4 接地信息采樣

接地電阻是雷電防護(hù)的重要因素之一，但測量是鐵路的一大難題。維修人員沒有專業(yè)和客觀的接地電阻測量技術(shù)，惡劣的環(huán)境導(dǎo)致接地電阻測量不準(zhǔn)確。

將接地電阻測量的電壓極和電流極預(yù)先嵌入到合理的測量位置。然后采用智能接地電阻測試儀進(jìn)行測量，其具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和命令發(fā)布功能。

3.5 如何實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層

對于網(wǎng)絡(luò)層，使用TD-LTE模塊并兼容GPRS功能。當(dāng)4G信號可用時，系統(tǒng)可以使用4G進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通信效率更高。如圖5所示。

對于應(yīng)用層，本系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過傳感層和網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。此外，該系統(tǒng)支持實時通知或查詢數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)的存儲，管理，記錄，共享。

4 案例研究

從2010年開始，通過研究雷電保護(hù)和物聯(lián)網(wǎng)之間的關(guān)系?；谖锫?lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，目前有5T系統(tǒng)防雷保護(hù)站約2例。根據(jù)這2種情況，我們發(fā)現(xiàn)SPD的性能趨勢是基于閃電時間和雷電電流，此外電能質(zhì)量差也是影響SPD的壽命的重要因素。

4.1 例1：交流浪涌保護(hù)器

表3所示的交流電涌保護(hù)器的電氣特性，表4所示的檢測和監(jiān)測數(shù)據(jù)以及SPD的性能趨勢如圖6。

本交流電涌保護(hù)器的正常范圍是：壓敏電阻電壓值從630v到770v，漏電流是0到20μA從最后一組數(shù)據(jù)明顯說明電涌保護(hù)器在2012年9月1日前已經(jīng)損壞。但SPD的熱脫扣器沒有改變。

4.2 例2，直流信號線路浪涌保護(hù)器

直流信號電涌保護(hù)器的技術(shù)參數(shù)如表5所示檢測和監(jiān)測數(shù)據(jù)如表6所示和SPD的生活趨勢如圖7所示。

該直流信號浪涌保護(hù)器的正常范圍是：直流點火電壓72v到108v。從數(shù)據(jù)中可以明確的看出，該電涌保護(hù)器于2012年3月1號前已經(jīng)損壞。

5 結(jié)論

隨著物聯(lián)網(wǎng)在雷電防護(hù)方面的深入應(yīng)用，越來越多的數(shù)據(jù)將被積累起來。對如何提高一些特殊地區(qū)的SPD性能研究有著巨大的參考價值。

在鐵路行業(yè)隨著5T系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的逐漸擴大，系統(tǒng)維護(hù)人員和鐵路集團(tuán)公司安全管理部門可以在任何時候查詢綜合防雷保護(hù)信息，因此大大提高了運維人員的工作效率同時也降低雷害造成的經(jīng)濟(jì)損壞。

我們有理由相信，應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的雷電防護(hù)系統(tǒng)能夠為鐵路帶來更大的創(chuàng)新。當(dāng)更多這樣的應(yīng)用程序繼續(xù)發(fā)展，它將有利于各種工業(yè)領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1]陳磊，趙長波.鐵路貨車安全監(jiān)測與應(yīng)用概論[M].中國鐵道出版社，第1-10頁，2010年4月.