物联网在5T系统防雷的应用探索

赵海明 刘贤祯

摘  要：近年来，随着全国铁路建设，加快推进铁路探测站数量和物联网技术的应用，使铁路防雷变得更加智能化和信息化。尤其是在全路5T系统（铁路车辆运行安全监控系统）中采用了大量的声学、光学、电子、红外监测等技术，使行车安全得到了极大提高。目前全路5T探测站超过6000个，这些探测站大多位于旷野、山脉、湿地、海岸等恶劣环境。因此，雷击损坏和维修费用金额每年超过5000万元。自2003年以来，包括电源电涌保护器和信号电涌保护器等一系列防雷设备安装在探测站5T系统中，大大的提升了5T系统的安全保护等级，有效延长5T系统的使用寿命，抑制了故障率的发生。但由于探测站的地理位置的特殊性无法实现长期派驻人员，在雷击发生后电涌保护器件损坏，却无法向其负责人员发出及时的响应信号，使综合防雷系统出现安全漏洞。因此，加强防雷系统智能化就显得非常有必要。为了使5T探测站防雷设备有效工作和集中管理，通过采用“物联网”技术。使数以千计的雷电流、SPD、电源及接地系统状态信息通过无线网络发送到信息管理平台。5T系统维护人员和铁路集团公司管理人员可以实时获得5T探测站防雷设备工作状态信息，大大提高了运维人员的工作效率和设备的工作状态，进一步减少因雷击造成的损害。

关键词：铁路5T系统站;防雷现状监测;集中管理;物联网

1 5T系统防雷分析

根据铁路货运安全的关键因素，利用机械、声学、光学、电子、红外监测技术，共同组成了车辆运行安全监控系统（5T系统），动态监测列车运行，确保运营安全。

5T系统包括：车辆轴温智能检测系统（THDS），车辆运行品质轨边动态监测系统（TPDS），货车滚动轴承故障轨边声学检测系统（TADS），货车故障轨边图像检测系统（TFDS），客车运行安全监控系统（TCDS），铁路客车故障轨旁图像检测系统（TVDS），动车组运行故障图像检测系统。

5T系统建成于2002年8月，2018年12月底，5T系统探测站已经覆盖到全国18个铁路集团公司，超过七千个探测站，5T系统设备的大量投入，确保了铁路运输的安全，但随之而来的雷击事故却急剧增加。近年来，全路5T探测站因受累计造成了重大经济损失，具体情况如下：5T探测站数量如表1所示，雷击的损失如表2所示。

经过多年的研究分析，大规模雷电灾害的原因是由以下原因造成：（1）自然环境。目前，中国铁路建设里程已达130000公里，而5T系统是全线路安装。5T探测站大多分布在旷野、山区、湿地、海岸等贫瘠的环境。这些都是雷电灾害的高风险地区。（2）不良电源系统。至于铁路供电，情况更复杂。特别是在山区，5T探测站的供电模式多为架空直供模式，大大增加了电源线感应过电压的风险。（3）敏感的轨道传感器。5T系统是与多个子系统共同组成，其技术包含：力学、声学、光学、电子、红外监测等。每个子系统的信息采集均是由安装在轨道处的高灵敏传感设备完成。然而，铁路轨道是一个巨大的金属导体。极有可能发生直接雷击并诱发感应过电压。在这种情况下，这些传感器往往会严重损坏或通过其线缆造成探测站内设备大面积损坏。由传感系统引起的雷击如图1所示。（4）没有派驻人员。大多数情况下，探测站不具有维护条件。值班人员通常每月只进行一到两次例行维护。因此，当发生雷击和系统设备发生损坏时，缺乏即时响应。（5）庞大的建设规模。截止2018年底，全路5T探测站已经超过7000个，并由于铁路建设加快推进，预计这个数字每年以300个左右快速增长。

2 物联网

物联网（简称物联网）是指在Internet结构中唯一可识别对象及其虚拟表示的网络。物联网的典型架构分为3层，从底层到上层，分别是感知层、网络层和应用层。感知层中的关键元素更准确、更全面的感知。网络层主要是以移动通信网络覆盖为基础，形成系统感知网络的关键要素。应用层提供丰富的应用，结合物联网技术和行业需求。

大多数的雷电监测和检测系统均为传感层。如监测雷电流、温度、湿度、电磁环境、检测SPD等，网络层和应用层依赖于铁路用户的特殊管理。

3 物联网在5T系统防雷的应用

3.1 雷电电流采样

采用Rogowski线圈，该线圈将雷电流产生的电磁转换为电压信号进行捕获和分析实现测量。雷电电流波形和输出波形如图2所示。

3.2 电力信息采样

测量电流信号的处理方法是利用电流互感器，通过采样电阻隔离信号转换的方式实现。根据采样定理，当采样频率大于信号最高频率的两倍时，采样的数字信号完整性保留原始信号中的信息。测量电流信号如图3所示，电路处理后的波形如图4所示。

3.3 SPD信息采样

5T系统探测站的SPD通常具有遥信的功能。监控装置可获得SPD直接发送的信号。

但是通过我们的研究，该功能仅仅是一个开关量信号，很难准确获得SPD的运行状态，所以定期测试是5T系统所必要的。

3.4 接地信息采样

接地电阻是雷电防护的重要因素之一，但测量是铁路的一大难题。维修人员没有专业和客观的接地电阻测量技术，恶劣的环境导致接地电阻测量不准确。

将接地电阻测量的电压极和电流极预先嵌入到合理的测量位置。然后采用智能接地电阻测试仪进行测量，其具有远程数据传输和命令发布功能。

3.5 如何实现网络层和应用层

对于网络层，使用TD-LTE模块并兼容GPRS功能。当4G信号可用时，系统可以使用4G进行数据传输，通信效率更高。如图5所示。

对于应用层，本系统采用B/S结构设计，通过传感层和网络层进行数据采集。此外，该系统支持实时通知或查询数据，使数据的存储，管理，记录，共享。

4 案例研究

从2010年开始，通过研究雷电保护和物联网之间的关系。基于物联网中的应用，目前有5T系统防雷保护站约2例。根据这2种情况，我们发现SPD的性能趋势是基于闪电时间和雷电电流，此外电能质量差也是影响SPD的寿命的重要因素。

4.1 例1：交流浪涌保护器

表3所示的交流电涌保护器的电气特性，表4所示的检测和监测数据以及SPD的性能趋势如图6。

本交流电涌保护器的正常范围是：压敏电阻电压值从630v到770v，漏电流是0到20μA从最后一组数据明显说明电涌保护器在2012年9月1日前已经损坏。但SPD的热脱扣器没有改变。

4.2 例2，直流信号线路浪涌保护器

直流信号电涌保护器的技术参数如表5所示检测和监测数据如表6所示和SPD的生活趋势如图7所示。

该直流信号浪涌保护器的正常范围是：直流点火电压72v到108v。从数据中可以明确的看出，该电涌保护器于2012年3月1号前已经损坏。

5 结论

随着物联网在雷电防护方面的深入應用，越来越多的数据将被积累起来。对如何提高一些特殊地区的SPD性能研究有着巨大的参考价值。

在铁路行业随着5T系统物联网应用的逐渐扩大，系统维护人员和铁路集团公司安全管理部门可以在任何时候查询综合防雷保护信息，因此大大提高了运维人员的工作效率同时也降低雷害造成的经济损坏。

我们有理由相信，应用了物联网技术的雷电防护系统能够为铁路带来更大的创新。当更多这样的应用程序继续发展，它将有利于各种工业领域。

参考文献

[1]陈磊，赵长波.铁路货车安全监测与应用概论[M].中国铁道出版社，第1-10页，2010年4月.