关于铁路信号综合防雷智能监测系统的研究

王 坤

(中国铁路太原局集团有限公司电务处，太原 030013)

1 概述

随着铁路信号专业信息化设备的增多，现代化水平的提高，信号设备从车站联锁为核心的点式布局向着信息化、数据化、智能化、网络化的全面承载行车指挥、列车控制的系统布局方向发展，改善信号设备运用电磁环境，全面提升信号专业雷电安全防护水平，避免因雷击或大电流侵入造成设备损坏甚至行车事故就显得尤为重要。

针对这种情况，如何在降低维护人员工作强度的同时，有效地强化防雷设备的在线监测，成为一个新课题。2017年铁路总公司下发《中国铁路总公司关于印发铁路大数据应用实施方案的通知》（铁总信息[2017]155号），明确提出“推进铁路运输各专业监测监控以及设备设施状态分析应用建设”的要求，此举为铁路信号综合防雷系统智能化提供政策支持。

2 信号综合防雷现状分析

2.1 防雷模块报警信息模糊

电源防雷箱处于I级防雷处所，箱中设置防雷模块劣化的声光报警装置，当有模块劣化时发出报警提示。如：中国铁路太原局集团有限公司（简称太原局）大西高铁线所采用XLY-380/40型电源防雷箱中电源防雷模块的型号有两种，模块数量有6或14个，多个不同型号的电源模块共用一个报警回路，当有声光报警产生时，无法判定报警的电源模块的型号、位置和数量。

防雷分线柜是保护室内设备不受室外电磁干扰的关键设备，如：太原局大西高铁线所使用的GFL2型防雷分线柜采用10层13列的方式设置防雷模块，设计最多可安装信号防雷器的型号有11种、数量为390。目前防雷分线柜的劣化报警装置，只能定位到某一层，无法明确报警的具体位置、模块型号和数量。

2.2 防雷模块状态缺少监管

现行2015版《铁路信号维护规则》明确带劣化指示防雷模块不需测试后，防雷模块运行状态的日常监管，主要靠劣化报警和人工巡检完成。不能主动掌握报警信息，中继站、线路所等无人站巡查不易，造成间隔周期长，防雷设备损坏劣化得不到及时的发现与处理。

2.3 防雷模块更换流程繁琐

失效的防雷模块需要及时的更换，而目前备品备件集中在段、车间中，特别是大量无人值守车站（中继站）备品备件并不充分。日常巡检中又不可能随身携带大量备品备件，即使携带，也存在和现场损坏防雷器件型号匹配不一的问题。因此对于车站损坏防雷器的更换，需要巡查人员第一次发现记录，然后第二次前往时携带更换，这样造成人员工作量、费用增加的同时，也存在安全隐患。

2.4 雷电或大电流侵入故障分析无依据

因雷击或大电流造成的信号设备故障，往往因瞬时发生或环境已发生变化，要找出真实故障原因还存在很大的困难。现有的防雷设备设施，无法提供故障分析的数据，仅依据经验和理论推导，事故分析报告缺乏数据支撑，可信度不能得到广泛认同，同时也不利于事故后期处理及现场存在问题的改进。

2.5 信号楼综合地网阻值测试繁琐

车站信号楼综合地网阻值测试，主要靠人员按期检测。需要携带设备，现场打桩拉线、手工记录，耗费日常工作时间，增加了工作人员的工作量。由于地阻的测试值与环境、地形、打桩位置、测试方法、测试人员素质有关，因此地阻测试对测试人员的素质，也有比较高的要求。

2.6 设备管理单位对信号防雷设备无法有效管理

在段、车间、工区三级维修管理模式下，对车站防雷设备现状的日常巡查及模块劣化更换、日常设备工作状态报表，都还停留在人工统计阶段。上级部门无法主动得知下级单位管理的设备是否存在问题、存在问题的严重性以及存在的问题是否已得到解决的信息,存在监管的盲点。

2.7 信号集中监测系统无法监测电源、分线柜处防雷设备

目前电源、分线柜处的防雷设备运用状态，游离于信号集中监测系统之外。信号集中监测系统无法监测到电源、分线柜等防雷设备的运行、故障状态等情况。

3 解决方案

针对以上存在的问题，2017年路内首套铁路信号综合防雷智能监测系统在太原局阳高、华岩、半坡村3个车站投入试用。

3.1 综合防雷智能监测系统构成

如图1所示，系统主要由4个子系统组成：分别为防雷箱子系统、分线柜子系统、代理服务器、站级监测子系统。

智能防雷系统实现对电源防雷箱、防雷分线柜、地网阻值的一体化监测和管理，并将信息上传至信号集中监测系统，实现防雷设备的远程组网和管理。

图1 综合防雷智能监测系统构成图Fig.1 Intelligent monitoring system composition of integrated lightning protection

防雷箱子系统和分线柜子系统分别监测电源防雷箱和防雷分线柜，并保存各自的数据到本地数据库。经监测数据信息的分析，对于故障数据，通过TCP/IP上传至代理服务器。

站级监测子系统用于综合监测多个防雷箱子系统和防雷分线柜子系统。目前支持最大4路防雷箱子系统和最大6路分线柜子系统。可扩展至最大1024路防雷箱子系统和最大1024路分线柜系统。

代理服务器监听多个防雷箱子系统、多个防雷分线柜子系统和单个信号集中监测系统。代理服务器接收到防雷箱和分线柜上传的数据之后，经过再组包处理下发给信号集中监测系统。

智能防雷系统软件是为实现对防雷设备的网络化监控而设计开发，通过该系统，实现管辖范围内所有车站防雷设备的全天候监控。智能防雷系统软件主要安装在车站、电务段、铁路局3个地点的PC机上。3个地点使用同一软件，利用网点身份管理，实现铁路局、电务段、车站三级权限管理。

3.2 电源防雷箱及防雷分线柜子系统

如图2、3所示，电源防雷箱及防雷分线柜雷击监测系统由模块状态采集、雷电信息采集模块、过电压采集模块、地阻测试模块、电源采集模块、监控系统主机、触摸显示屏七大部分组成。

模块状态采集：用来采集防雷箱内安装的防雷模块的劣化状态和防雷回路中的后备保护开关的通断状态。采集信号为常开或常闭触点。

雷电信息采集模块：用来采集防雷箱经过地线泄放或遭受地电位反击时，雷电流的大小。采集的雷电流具备正负极性判断。

过电压采集模块：用来采集防雷箱模块输入端产生的工频过电压，采集模块具备RS-485通讯接口，方便产品的使用。

图2 电源防雷箱子系统架构图Fig.2 Power lightning protection box subsystem architecture

图3 防雷分线柜子系统架构图Fig.3 Distributing cabinet lightning protection subsystem architecture

地阻测试模块：可对车站需要进行接地地阻测试的测试点进行测试，测试分为自动和手动方式。可人为设置自动测试的时间。针对需要断开测试的地阻，可增加自动断开闭合装置。实现无人值守车站地阻的自动测试。

电源采集模块：用来采集电源防雷箱输入端口的电源信息，采集数据包括相电压、线电压、电流、功率、频率等电源参数，通过模块内置算法分析电源数据，经RS-485总线给出电源参数数据和错序、瞬间断电信息。

4 技术要求

监控系统主机：可稳定运行MYSQL数据库及开发的电源防雷箱的应用程序LPCSub。

触摸显示屏：触摸屏满足人机交互的功能要求，外形尺寸为12寸，屏幕分辨率800×600，屏幕比率4∶3。

采集模块：对地泄放回路中雷电流的幅值、时间、极性、次数，采用标准的Modbus RTU通讯协议，可以通过RS-485总线将采集的数据上传至中央处理器。

5 系统功能

5.1 劣化报警

防雷箱中SPD/SCB发生劣化时，提供界面颜色变化提示、报警声音提示、记录报警发生及恢复时间、位置、型号等信息。

5.2 雷击监测

监测界面显示最近一次发生的雷击时间、峰值以及总的雷击次数，进入下级界面后，通过时间、参数查询的条件，查询满足条件的雷击信息。

二级界面显示最近一次及最大一次的雷击信息，查询结果按照时间顺序进行排列。

5.3 地阻测试

监测界面中的地阻测试单元包含测试管理、历史记录和设置3个子功能。

测试管理：可以对8个通道的测试回路，进行手动和自动测试。测试选择可单个或多个通道进行组合测试，测试完成后，显示测试值。进行操作时，提供必须的颜色状态提示、测试完成的文字提示。

历史记录：记录每个通道的测试值、测试时间、测试方式。

设置：可对通道的名称进行设置更改，可设置自动测试的时间。

5.4 SPD/SCB管理

实现对安装在防雷设备内的SPD/SCB信息的管理，记录其型号、安装位置、序列号、劣化记录、更换记录。设置灵活，可更改。

5.5 设备统计

自动统计系统中安装使用的模块型号、数量。当有模块故障时，自动统计故障模块的型号、数量。

5.6 断相记录

自动记录电源断相的位置、发生时间、恢复时间。

5.7 过电压监测

对电源防雷箱输入端的电源进行采集，采集其在电源异常时，产生的过电压。采样周期为20 ms，电压范围500～5 000 V。

过电压数据可以时间和次数的方式进行查询，并以曲线图的形式记录，同时给出过电压发生的时间、峰值及次数。

5.8 故障分析诊断

如图4所示，当SPD发生故障，自动判断SPD的故障原因。通过时间进行查询，查询结果列表显示。显示内容包括故障位置、模块型号、建议处理方式、故障原因分析、故障时间、恢复时间。故障原因分为雷击、过电压、自然劣化3种。

图4 故障分析逻辑判断原理图Fig.4 Schematic diagram of fault analysis and logic judgement

5.9 配置图纸

按照台账图纸电子化管理需要，可将防雷竣工图等资料直接配置在软件中，便于查看或更新改造时调阅，防止纸质图纸的丢失、变色、模糊。

5.10 设置

设备管理：对名称、型号、厂家和备注进行设置。

密码管理：对原始密码、新密码、确认密码进行设置。

阈值管理：对雷击报警、过电压报警、地阻报警阈值进行设置，雷击及过电压报警设置值作为故障分析判断的依据。同时设置的报警阈值，作为数据上传的依据，超出阈值时，上传数据至上一级系统。

网络管理：对设备地址、子网掩码、网关地址、服务器地址进行设置。

6 总结

如果说承载着全局行车指挥和列车控制的信号系统是铁路“神经网络”的话，那么信号综合防雷系统便是保证“神经网络”不被外界（雷击或大电流侵入）刺激的“安全帽”。通过智能型综合防雷系统在太原局的首次运用，真正做到减轻现场设备维护人员的负担、又有效地提升“安全帽”的保护强度，并为铁路固定设备监测系统的大数据融合发展提供又一支点。