浪涌保護器壽命自監測系統研究

靳邵云，肖桐，王州龍，徐金鵬

雷電是一種瞬間釋放的強烈電磁脈沖，具有非常高的電壓和電流，能夠對鐵路通信、信號設備造成嚴重損壞，甚至引發火災，影響運輸安全［1］。浪涌保護器（Surge Protection Device，SPD）是一種應用在現場的防雷裝置，用于吸收或泄放浪涌，實現對線路或設備的防護［2］。由于SPD的應用十分廣泛，且數量巨大，因此其自身的工作狀態將直接影響設備的防護效果。

而目前SPD脫扣裝置的動作條件并未與SPD的使用壽命直接相關，在實際應用時，可能會出現防雷器件已經損壞但脫扣裝置未動作的情況。若不將SPD取下進行參數測量，則現場運維人員難以及時發現已損壞的SPD，造成已失效的SPD仍然連接在電路中，雷電防護存在失效風險的同時，還可能造成由SPD自身故障引發的其他事故。

隨著傳感技術、數據處理技術和電子信息技術的發展，小型化、低成本的監測方案越來越成熟和完善，這為SPD的實時監測和壽命預測提供了條件。鐘林等［3］設計了一種雷電流識別與在線監測系統，根據雷電流的幅度、斜率、半峰值時間等，實現雷電流識別和循環觸發，以提高觸發的可靠性和波形檢測的完整性；張雷等［4］研究了一種嵌入式雷擊在線監測系統，可以實現對輸電線路的實時監測，提高了雷擊監測裝置的便捷性和經濟性。

壽命研究對于裝備的運維保障具有重要意義，準確的壽命預測可以顯著提升運維管理的質量和水平。張繼軍等［5］針對機載設備剩余使用壽命預測中存在的不確定性因素，建立了基于狀態條件概率分布的機載設備剩余壽命模型；李章楊等［6］采用層次分析法與模糊綜合評價結合的方式，分析影響鐵路信號設備使用壽命的眾多因素，建立起信號系統關鍵設備使用壽命的評估流程。

本文在綜合考慮經濟因素和現場環境，充分借鑒相關研究成果的基礎上，利用流經SPD的雷電流，研發專門針對SPD的壽命自監測系統。該系統基于傳感監測技術和壽命計算模型，實現對SPD的壽命自感知，具備狀態指示和通信的能力，可接入集中監測系統，便于現場人員巡檢，為實現防雷設備故障預診斷及智能化監測提供支撐。

1 系統構成

SPD壽命自監測系統主要包括傳感模塊、微控制器（Micro Controller Unit，MCU）模塊、顯示模塊和通信模塊4個部分。系統構成見圖1。

圖1 SPD壽命自監測系統構成

1）傳感模塊用于實時監測SPD經受的雷電流及其脫扣狀態。其中空心線圈、積分電路和電壓調理電路用于雷電流的監測，脫扣狀態監測電路用于脫扣狀態監測。

2）微控制器模塊的主體是一款集成了模數轉換（Analog to Digital Converter，ADC）、通用輸入輸出端口（General Purpose Input/Output Port，GPIO）、集成電路互聯總線（Inter-Integrated Circuit，I2C）和控制器局域網（Controller Area Network，CAN）控制器等外設的工業級低功耗MCU，采用32位的精簡指令集，將內核、仲裁單元、DMA模塊、SRAM存儲等通過多組總線實現交互。作為系統的核心，微控制器模塊實現傳感模塊的信息采集和SPD的壽命模型計算，同時驅動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的當前狀態。綠燈表示正常；黃燈表示告警；紅燈表示失效。

4）通信模塊中同時包含近距離無線通信（Near Field Communication，NFC）和CAN總線通信2種方式。其中，NFC可通過讀取裝置以非接觸方式實現信息交互，將SPD詳細的信息展示給用戶，便于現場人員的巡檢；預留的CAN總線接口可以使SPD接入集中監測平臺，實現遠程監測［7］。

2 系統硬件

2.1 雷電流監測

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器中安裝時體積受限的問題，因此本系統采用柔性空心線圈，實現對雷電流的間接測量［9-10］。空心線圈又名羅氏線圈，不用直接接觸被測量對象，只需將其套在被測量的導體上，即可實現電流的采集。空心線圈具有測量范圍大、精度高、響應速度快的特點，已廣泛應用于雷電流測量中。

當被監測的導線中有電流經過時，電流產生磁場，根據電磁感應定律在空心線圈中產生感應電動勢。該感應電動勢經過積分電路后，即可得到與被測電流值呈比例的電壓值。但此時輸出的電壓值與ADC的采樣范圍不匹配，還需經過電壓調理電路將該電壓值按照幅值比例，線性調整到ADC的采樣范圍內。MCU控制ADC進行采集，并實時進行分析和存儲。

由于雷電流引起的磁場變化十分迅速，持續時間僅為數百微秒。為實現對雷電波形更好的采樣，設置ADC的采樣頻率為1 MHz，采樣時間間隔為1 μs。若每次采樣觸發時均占用CPU資源，則影響其他程序的執行。為此，引入DMA（直接內存操作）機制，提供在外設和存儲器之間，或存儲器和存儲器之間的高速數據傳輸，無需CPU干預，數據可以通過DMA快速地移動。

雷電流采集的硬件數據流見圖2。配置MCU的控制寄存器，將電壓調理電路的輸出信號掛載到ADC采樣通道上。啟用DMA控制器，使ADC的采樣值直接存儲到512個采樣點的RAM之中。ADC為12位，采樣1次即產生2個字節的數據，512個采樣點所需的存儲空間為1 KB。由于雷電流需要實時監測，為不使數據丟失，引入了乒乓操作機制［11］，開辟了RAM1和RAM2 2塊存儲空間，當其中一塊RAM存滿后立刻切換到另一塊RAM，如此往復［12］。當其中一個RAM存儲結束后，將該RAM中的數據作為一幀，識別該幀內有無有效數據，即是否包含雷電電流波形。若數據無效，則下次寫入時直接覆蓋；若檢測到有效數據，則即刻將該幀數據寫入空間為2 KB的RAM3中。等待另一個RAM的數據幀存儲完成后，再將RAM3中RAM1和RAM2的中心數據幀拼接，以防止出現不完整的波形。最后RAM3中的數據轉存至ROM中，以供查詢和壽命值計算。

圖2 雷電流采集的硬件數據流

2.2 脫扣狀態監測

浪涌保護器中脫扣裝置的作用為：①實時表示當前的脫扣狀態；②當脫扣發生時，及時切斷與被保護線路的電氣連接；③當脫扣發生后，及時發布信息，表示脫扣裝置已動作。

目前，脫扣裝置是采用一套相互聯動的機械機構，當SPD中流經電流并持續一段時間時，防雷器件會發熱，促使SPD的溫度升高。當溫度升高到一定程度時，脫扣裝置中的焊錫融化，使機械裝置脫開，驅動微動開關彈開。微動開關的開閉狀態，即為SPD脫扣狀態的表征。可使用MCU的I/O引腳監測微動開關的變化，進而實現SPD脫扣狀態的監測。

3 通信方式

3.1 CAN通信

隨著鐵路智能運維的推進和發展，使SPD具備接入集中監測平臺和遠程狀態感知的能力十分必要。CAN總線是一種實時應用的串行通信協議總線，廣泛應用于各個行業和領域，可在各節點之間實現自由通信［13］。

壽命自監測系統預留了CAN總線通信接口，并制定了專用的通信協議，能夠實現SPD歷次的壽命值、雷擊電流波形、雷擊幅值、雷擊時刻和雷擊計數等查詢。同時，還具備告警信息和失效信息的主動發送功能。

MCU中集成了CAN控制器，可通過程序實現CAN通信協議。將MCU中CAN控制器的輸出引腳與CAN驅動器的輸入引腳連接，由CAN驅動器的輸出引腳通過匹配電阻接入CAN總線。

在實際應用時，可將安裝位置較近的多個SPD采用就近原則掛載在CAN總線上，實現多個SPD壽命自監測系統與監測系統之間的通信。

3.2 NFC通信

為方便現場人員巡檢時能夠隨時讀取SPD的詳細信息，系統還采用了NFC通信機制［14］。NFC通信采用動態電子標簽，其一端與MCU的I2C接口相連，另一端與通信天線連接。MCU的I2C接口和天線接口均可以對存儲區的數據進行讀寫，從而實現天線與MCU的雙向通信。

4 系統軟件

4.1 劣化核計算

流經SPD的雷電流是導致SPD損壞的直接原因，溫度和漏流是SPD劣化過程中的間接表征。浪涌保護器每經受一次雷擊都將對其壽命產生影響。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，雷擊時間間隔越小，對SPD造成的損壞就越大。本文將流經SPD的雷電流作為其壽命評價的依據，把雷電流的波形、幅值和2次雷電流間的沖擊時間間隔作為壽命模型的輸入參數。其中，雷電流的波形用于計算能量值，幅值用于表征在相同能量值下雷電流強度變化的劇烈程度。將上述3個參數進行計算融合，即可得到用于浪涌保護器壽命狀態切換的劣化核。

當SPD經受雷擊時，系統中的傳感模塊能夠采集并存儲雷擊的波形；隨后，在MCU中運行處理程序，對該雷擊波形進行中值濾波，剔除掉異常的數據點，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；將雷電波形在時間上進行積分，得到能量值E；此次雷擊與上次雷擊之間的時間間隔為T。將E、I、T按式（1）進行計算，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次雷擊之間的時間間隔，單位min；η為型號參數，采用標定法以表征不同型號浪涌保護器的差異。

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

劣化核是后續SPD壽命計算的基礎，其計算輸出結果的值域為（0，1）。

4.2 壽命值計算

SPD的壽命值是一個變化量，其變化過程從SPD全新持續到失效報廢的整個生命周期。每當SPD經受一次雷電沖擊，壽命計算模型就根據輸入的雷電沖擊進行一次壽命計算。

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

圖3 SPD壽命值計算原理

5 SPD狀態顯示及報警發布流程

SPD經受多次雷擊后，其壽命值逐漸衰減，直至失效報廢。SPD的狀態顯示及報警發布流程見圖4。

圖4 SPD狀態顯示及信息發布流程

Step 1當計算出的壽命值高于告警閾值時，SPD的指示燈亮綠燈，表明SPD可以正常使用，處于健康的狀態。此時，通過CAN通信接口發送正常信息。

Step 2當計算出的壽命值低于告警閾值，且高于失效閾值時，SPD的指示燈亮黃燈，表明SPD不建議繼續使用，處于告警的狀態，需盡快更換。此時，通過CAN通信接口發送告警信息。

Step 3當計算出的壽命值低于失效閾值時，SPD的指示燈亮紅燈，表明SPD處于失效狀態，需立即更換。此時，通過CAN通信接口發送失效信息。

Step 4當監測到脫扣裝置已經脫扣時，此時SPD已經與被保護電路斷開，失去防護作用，同樣發布失效信息，并將指示燈切換為紅燈。

6 試驗驗證

將本系統與一款SPD適配組裝，把空心線圈套裝在SPD的線路上，并連接脫扣裝置的微動開關，使該系統能夠實時采集雷電沖擊波形和監測脫扣裝置的狀態，形成具有壽命自監測功能的SPD。

對適配后的SPD進行沖擊試驗，直至其損壞。試驗采用25 kA的8/20 μs波形進行沖擊，設定告警閾值為20%，失效閾值為5%，沖擊試驗共執行了43次。前21次沖擊后，系統輸出的壽命值從100%下降至21.5%，表征該階段的SPD處于健康狀態；在第22次沖擊后，計算得到壽命值為19.1%，達到告警閾值，標志著SPD從健康狀態轉至告警狀態；在第23～38次沖擊后，系統輸出的壽命值從19.1%下降至5.2%，表征該階段的SPD處于告警狀態；第39次沖擊后，系統輸出的壽命值為4.8%，達到失效閾值，標志著SPD從告警狀態轉至失效狀態；后續繼續執行了第40～43次沖擊，直至SPD器件損壞。

對適配后的SPD進行脫扣試驗，按照規定施加工頻電流，直至SPD脫扣。試驗表明，該系統可感知SPD脫扣前后的狀態變化，能及時給出SPD脫扣裝置的監測結果，并根據結果判斷SPD是否失效。

在上述試驗過程中，整個系統能夠根據設定的閾值，按SPD狀態顯示并發布信息，同時，也可使用手持終端進行信息查詢。

7 結論

本文研制開發的SPD壽命自監測系統，在SPD中引入雷電流測量機制，并基于歷次雷電流沖擊數據構建了壽命模型，相比于單純依據是否脫扣作為壽命判別的條件更科學、準確；相比于使用漏流進行壽命表征的方法具有更廣泛的適用性。

將具備壽命自監測系統的SPD應用在現場設備中，既能夠提高雷電防護的可靠等級，還可以使運維更加便捷。及時更換壽命告警的SPD，在降低運維人員勞動強度的同時，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為更加科學的狀態修。