铁路信号设备智能防雷系统的研究与设计

我国是雷电灾害高发的国家，雷电频率和强度较高，为了及时发现安全隐患，降低雷电灾害对行车安全和运输效率的影响，研究并设计了一套智能防雷系统供电务部门参考。

 

我国高速铁路里程达到20000ｋｍ，是世界上运营里程最长、规模最大的高速铁路网络。我国幅员辽阔，又是雷电高发的国家，雷电频度和强度比欧洲大陆及日本都高很多。铁路信号系统担负着铁路各种与行车有关信息的采集、处理和控制，是保证行车安全，提高运输效率和改善管理水平的重要基础设施。为了及时发现安全隐患，降低雷电灾害对行车安全和运输效率的影响，研究并设计了一套智能防雷系统。

 

１　系统构成

铁路信号设备智能防雷系统在传统防雷保护的基础上进行了智能化改造，运用新技术的智能防雷模块和多种传感器的组合，给系统提供参数显示、综合预警、数据查询等新功能。

通过建立可追溯的智能平台，可将原来被动的防雷保护提升为主动化的集远程监测、历史数据查看、综合预警功能于一体的智能防雷体系。该智能防雷系统由智能防护单元、传感器采集单元、数据中心、监测平台组成，如图所示。

智能防雷系统应支持权限设置，实现铁路局、电务段、车间的三层管理，系统容量可根据现场实际情况进行配置。

• 智能防护单元。由实现热脱扣和过流保护脱扣功能的电源浪涌保护器、断路装置、状态指示灯、电源状态采集模块、浪涌保护器状态采集模块、综合采集系统等组成。智能防护单元具有独立输入和输出一进二出式接线端子，并在箱体内与浪涌保护器串接的断路器进行合理布线，确保智能防护单元与被保护电路配线满足“铁标”小于0.5ｍ的要求，抑制感应雷或其他原因在供电网络和信息系统中产生的浪涌过电压和过电流，使被保护设备始终处于安全状态。智能防护单元在结构设计上，将配电部分与防雷装置隔离设置，实现了一体分室结构，满足故障－安全和防火防爆要求。

• 传感器采集单元。由高精度雷电流传感器、机箱温度传感器和非接触式接地电阻传感器构成，可以实时监测智能防护单元经受雷电或浪涌过电压次数、雷电流峰值、机箱内工作温度、接地电阻状态等，并通过智能防护单元中的综合采集系统，对传感器数据进行采集、汇总和预处理，并形成统一格式上传至数据中心。

 

• 数据中心。由数据服务器、应用服务器和系统服务端软件构成，实现对各个智能防护单元监测数据的分析、处理和存储，生成告警数据并转发至相关责任人。数据中心应满足信息交换、资源共享、故障定位、性能分析等功能；应预留与上级部门管理信息系统的通信接口，用于传送智能防护单元运用状态的告警信息。

 

• 监测平台。由智能防雷系统的监测软件构成，铁路局、电务段、车间用户可根据权限配置，查看各自权限所辖范围内智能防护单元的实时状态数据。系统软件可根据用户要求，在诸如PDA、智能手机等移动平台上使用。

 

２　系统功能

该智能防雷系统能够实时监测信号设备的雷电防护状态，并向维护单位告警，使雷电灾害造成的隐患得到及时消除，有力保障行车安全。因此，该系统应具有以下功能。

• 对双路电源状态进行采集和监控，当出现缺相等故障时，可自动激活综合采集系统发出声光报警，并传输报警信息至数据中心。

• 浪涌保护器采用独立的SPD监测装置，当防雷模块遭到雷击失效后，防雷模块翻红牌，发出声光报警，并传输报警信息至数据中心。

• 当机箱内工作温度超过８０℃时，发出声光报警，并传输报警信息至数据中心。

• 利用高精度雷电流传感器，不仅可以监测智能防雷箱经受雷电或浪涌过电压次数，也可根据用户需求提供雷电流峰值记录功能，为现场保留详实的数据资料。

• 利用非接触式接地电阻测试仪实时监测接地电阻状态，当接地电阻异常时发出声光报警，并传输报警信息至数据中心。

• 运维监控功能。系统应具备自检功能，当智能防护单元和传感器采集单元工作异常时，及时对系统运维人员进行故障提醒。

 

３　系统优点

铁路信号设备智能防雷系统符合工业化的Ｍｏｄｂｕｓ协议，可通过ＲＳ－４８５、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ方式方便组网，在监测平台上对所辖设备运用状态进行远程、实时监测，并可对历史数据进行分析和浏览。该系统相比非智能设备主要有以下优点。

• 改变原先被动的设备维护方式。原先的防雷系统只有在故障发生后才能在定期的设备巡检中发现问题，如问题发现不及时，就会对信号设备的正常运行带来较大的安全隐患。而智能防雷系统可以在故障尚未发生或者刚发生时就对故障点进行告警，及时通知维护人员来修复故障。

• 可实时监测接地电阻。利用非接触式接地电阻测试仪实时监测接地电阻状态，及时向维护人员预警，可以有效地避免因接地装置失效而引起泄雷放电流失败、反击浪涌的雷击事故发生。

• 防火功能。含有压敏电阻的防雷器，因多次雷击或过电压冲击而劣化失效、发热，有引发火灾的二次事故隐患。智能监测单元中安装有温度传感器，可以对工作温度进行实时监测，当工作温度超过预设阈值时，系统会发出相应的告警信息，提醒维护人员及时查看，消除火灾隐患。

• 对故障点精确定位。浪涌保护器数量多、安装分散，在平时运行中无法察觉其功能是否完好。智能防雷系统可实时监测每一个SPD的工作状态，若设备故障翻红牌，则会对故障点进行定位精确的告警，可节省故障点排查时间。

• 历史数据可追溯。智能防雷系统记录了其生命周期的所有数据，包含工作温度、接雷击次数、雷击电流强度、雷击时间和SPD模块状态等，便于以后对数据的浏览和分析，为实施更换设备防护方案提供有效的数据支撑。

４　技术要求

• 浪涌保护器应实现热脱扣和过流保护脱扣功能，外封装全部采用阻燃材料。

• 最大持续工作电压Ｕ_ｃ：单路275Ｖ，三路275／420Ｖ。

• 标称及最大放电电流Ｉｎ（8／20μｓ）：20ｋＡ。

• 基础限制电压Ｕ_Ｂ （３ｋＡ）：≤3300Ｖ 单相串联≤700Ｖ）。

• 采集频率：智能防护单元的最大采集频率不应小于１次／ｓ；传感器采集单元的采集频率不应小于１次／ｍｉｎ。

• 对地绝缘：对地连接的电源浪涌保护器除放电状态外，对地绝缘电阻不应小于1000ＭΩ。

• 系统误报率小于0.1‰。

• 系统符合电磁兼容的有关规定。

 

５　总结

为消除雷电灾害对铁路行车安全造成的隐患，避免出现因信号设备遭受雷击引起列车晚点、行车事故等，以及为电务维护作业及时提供有效信息，降低人力物力的大量浪费，应用智能防雷系统意义重大。铁路各级电务部门应给予足够地重视。各研制单位应根据目前铁路电务工作的实际需求，积极进行系统研发和升级改造，为铁路的安全运营提供科学保障。

 

参考文献

［１］中华人民共和国铁道部．ＴＢ／Ｔ３０７４－２００３．铁道信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件［Ｓ］．２００３．

［２］中华人民共和国铁道部．铁运［２００６］２６号．铁路信号设备雷电综合防护实施指导意见［Ｓ］．２００６．

［３］付茂金，高速铁路信号系统雷害风险评估研究［Ｊ］．中国铁路，２０１５（１１）：３４－３６．

自然界中的雷电不可能消失

人类对技术进步的向往和冲动也不可能终止

技术进步带来的潜在威胁

只能靠技术的继续进步来解决