物聯網在5T系統防雷的應用探索

趙海明 劉賢禎

摘 ?要：近年來，隨著全國鐵路建設，加快推進鐵路探測站數量和物聯網技術的應用，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（鐵路車輛運行安全監控系統）中采用了大量的聲學、光學、電子、紅外監測等技術，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，包括電源電涌保護器和信號電涌保護器等一系列防雷設備安裝在探測站5T系統中，大大的提升了5T系統的安全保護等級，有效延長5T系統的使用壽命，抑制了故障率的發生。但由于探測站的地理位置的特殊性無法實現長期派駐人員，在雷擊發生后電涌保護器件損壞，卻無法向其負責人員發出及時的響應信號，使綜合防雷系統出現安全漏洞。因此，加強防雷系統智能化就顯得非常有必要。為了使5T探測站防雷設備有效工作和集中管理，通過采用“物聯網”技術。使數以千計的雷電流、SPD、電源及接地系統狀態信息通過無線網絡發送到信息管理平臺。5T系統維護人員和鐵路集團公司管理人員可以實時獲得5T探測站防雷設備工作狀態信息，大大提高了運維人員的工作效率和設備的工作狀態，進一步減少因雷擊造成的損害。

關鍵詞：鐵路5T系統站;防雷現狀監測;集中管理;物聯網

1 5T系統防雷分析

根據鐵路貨運安全的關鍵因素，利用機械、聲學、光學、電子、紅外監測技術，共同組成了車輛運行安全監控系統（5T系統），動態監測列車運行，確保運營安全。

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

5T系統建成于2002年8月，2018年12月底，5T系統探測站已經覆蓋到全國18個鐵路集團公司，超過七千個探測站，5T系統設備的大量投入，確保了鐵路運輸的安全，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濟損失，具體情況如下：5T探測站數量如表1所示，雷擊的損失如表2所示。

經過多年的研究分析，大規模雷電災害的原因是由以下原因造成：（1）自然環境。目前，中國鐵路建設里程已達130000公里，而5T系統是全線路安裝。5T探測站大多分布在曠野、山區、濕地、海岸等貧瘠的環境。這些都是雷電災害的高風險地區。（2）不良電源系統。至于鐵路供電，情況更復雜。特別是在山區，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過電壓的風險。（3）敏感的軌道傳感器。5T系統是與多個子系統共同組成，其技術包含：力學、聲學、光學、電子、紅外監測等。每個子系統的信息采集均是由安裝在軌道處的高靈敏傳感設備完成。然而，鐵路軌道是一個巨大的金屬導體。極有可能發生直接雷擊并誘發感應過電壓。在這種情況下，這些傳感器往往會嚴重損壞或通過其線纜造成探測站內設備大面積損壞。由傳感系統引起的雷擊如圖1所示。（4）沒有派駐人員。大多數情況下，探測站不具有維護條件。值班人員通常每月只進行一到兩次例行維護。因此，當發生雷擊和系統設備發生損壞時，缺乏即時響應。（5）龐大的建設規模。截止2018年底，全路5T探測站已經超過7000個，并由于鐵路建設加快推進，預計這個數字每年以300個左右快速增長。

2 物聯網

物聯網（簡稱物聯網）是指在Internet結構中唯一可識別對象及其虛擬表示的網絡。物聯網的典型架構分為3層，從底層到上層，分別是感知層、網絡層和應用層。感知層中的關鍵元素更準確、更全面的感知。網絡層主要是以移動通信網絡覆蓋為基礎，形成系統感知網絡的關鍵要素。應用層提供豐富的應用，結合物聯網技術和行業需求。

大多數的雷電監測和檢測系統均為傳感層。如監測雷電流、溫度、濕度、電磁環境、檢測SPD等，網絡層和應用層依賴于鐵路用戶的特殊管理。

3 物聯網在5T系統防雷的應用

3.1 雷電電流采樣

采用Rogowski線圈，該線圈將雷電流產生的電磁轉換為電壓信號進行捕獲和分析實現測量。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換的方式實現。根據采樣定理，當采樣頻率大于信號最高頻率的兩倍時，采樣的數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系統探測站的SPD通常具有遙信的功能。監控裝置可獲得SPD直接發送的信號。

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

3.4 接地信息采樣

接地電阻是雷電防護的重要因素之一，但測量是鐵路的一大難題。維修人員沒有專業和客觀的接地電阻測量技術，惡劣的環境導致接地電阻測量不準確。

將接地電阻測量的電壓極和電流極預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行測量，其具有遠程數據傳輸和命令發布功能。

3.5 如何實現網絡層和應用層

對于網絡層，使用TD-LTE模塊并兼容GPRS功能。當4G信號可用時，系統可以使用4G進行數據傳輸，通信效率更高。如圖5所示。

對于應用層，本系統采用B/S結構設計，通過傳感層和網絡層進行數據采集。此外，該系統支持實時通知或查詢數據，使數據的存儲，管理，記錄，共享。

4 案例研究

從2010年開始，通過研究雷電保護和物聯網之間的關系。基于物聯網中的應用，目前有5T系統防雷保護站約2例。根據這2種情況，我們發現SPD的性能趨勢是基于閃電時間和雷電電流，此外電能質量差也是影響SPD的壽命的重要因素。

4.1 例1：交流浪涌保護器

表3所示的交流電涌保護器的電氣特性，表4所示的檢測和監測數據以及SPD的性能趨勢如圖6。

本交流電涌保護器的正常范圍是：壓敏電阻電壓值從630v到770v，漏電流是0到20μA從最后一組數據明顯說明電涌保護器在2012年9月1日前已經損壞。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器

直流信號電涌保護器的技術參數如表5所示檢測和監測數據如表6所示和SPD的生活趨勢如圖7所示。

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

5 結論

隨著物聯網在雷電防護方面的深入應用，越來越多的數據將被積累起來。對如何提高一些特殊地區的SPD性能研究有著巨大的參考價值。

在鐵路行業隨著5T系統物聯網應用的逐漸擴大，系統維護人員和鐵路集團公司安全管理部門可以在任何時候查詢綜合防雷保護信息，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濟損壞。

我們有理由相信，應用了物聯網技術的雷電防護系統能夠為鐵路帶來更大的創新。當更多這樣的應用程序繼續發展，它將有利于各種工業領域。

參考文獻

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