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智能防雷監(jiān)測系統(tǒng)用于鐵路電力防雷接地系統(tǒng)的研究
1鐵路電力防雷接地技術現(xiàn)狀
雷擊是導致鐵路電力設備受到損壞的主要原因之一,在鐵路電力設計中，在高低壓開關柜、配電柜、配電箱等進出線位置安裝浪涌保護器,是鐵路電力工程避免電磁脈沖沖擊的重要措施。浪涌保護器( Surge Protection Device)是鐵路電力系統(tǒng)雷電防護的關鍵器件,但是當電涌保護器遭受雷擊浪涌電流或長期使用，必然出現(xiàn)劣化或損壞等狀況,其狀況的好壞則直接影響其雷電防護的效果。目前鐵路電力系統(tǒng)浪涌保護器通常依靠人工到現(xiàn)場檢查設備的失效顯示,從而判斷設備是否需要更換維護。對于鐵路電力領域,其需要進行雷電防護的設備具有分布廣、站點多、位置偏的特點,要做到讓維護人員到達每臺電涌保護器的現(xiàn)場進行檢查,十分困難,成本極高。目前鐵路上的電涌保護器大多是傳統(tǒng)非智能產(chǎn)品, 在實際應用過程中,出現(xiàn)了各種問題, 如:
(1)無法獲知浪涌保護器的劣化程度，瀕臨失效的浪涌保護器已無法有效防護設備。鐵路上的浪涌保護器經(jīng)受多次雷擊浪涌后，浪涌保護器會逐漸劣化。劣化到瀕臨失效的浪涌保護器無法通過儀器直接測量出來。因此遭受雷擊后，無法及時有
效地確定浪涌保護器是否劣化，劣化程度如何，以及是否需要進行更換。此時所保護的設備遭受雷擊電磁脈沖侵害的風險性很大。
(2)無報警功能,難以判斷浪涌保護器工作狀態(tài)，無法及時發(fā)現(xiàn)浪涌保護器失效。當鐵路上的浪涌保護器失效時,傳統(tǒng)浪涌保護器都不能報警。此時鐵路上的各種用電設備是在無防雷保護的條件下使用,若不及時更換,一遇雷電天氣，很容易造成鐵路基站內(nèi)重要、精密設備損壞或系統(tǒng)故障等嚴重后果。
(3)無法獲知當前環(huán)境的雷擊情況。傳統(tǒng)浪涌保護器無法獲知當前用電環(huán)境的受雷擊和電磁干擾情況,鐵路管理人員對現(xiàn)場防雷狀況的了解為空白，也就無法為后續(xù)增加的設備和電源系統(tǒng)改造提供防雷設計依據(jù)。
(4)定期巡檢、評估和維護費時費力。鐵路線長,沿途環(huán)境嚴峻,一條鐵路線中的各級浪涌保護器加起來少則幾十個，多則成百上千個，這些電涌保護器失效時間是離散的。對傳統(tǒng)的浪涌保護器的巡檢排查和更換需要投入大量的人力物力,即便如此仍不能做到及時更換失效的浪涌保護器。同時,鐵路對浪涌保護器更換的及時性要求更高。有的場所甚至需要在浪涌保護器剩余30%以上可用壽命時就及時更換,如果不對其進行更換,只需要一次的雷擊事故就會造成重要的設備損壞，而這些設備的損壞也將帶來重大的財產(chǎn)損失,更嚴重的還會讓我們的系統(tǒng)癱瘓,從而引發(fā)安全事故。
(5)缺少電子化管理檔案。傳統(tǒng)浪涌保護器安裝到現(xiàn)場時，一般都建立有紙質的安裝記錄表,記錄有浪涌保護器的型號、安裝位置等，并有定期(如6個月)巡檢的結果記錄。隨著浪涌保護器運行時間變長和管理維護人員的變更,鐵路維護人員要找到每一臺浪涌保護器的準確安裝位置和維護記錄將會變得非常困難。
2鐵路電力防雷接地智能監(jiān)控系統(tǒng)
針對鐵路電力設計的現(xiàn)狀,本文研究了一套智能防雷監(jiān)測系統(tǒng),能夠實時有效地知道各浪涌保護器的運行狀態(tài),以便第一時間進行更換,避免用電設備在浪涌保護器防護能力脆弱甚至失效的情況下使用,避免鐵路管理部門投入大量的人力、財力成本進行巡檢。2.1系統(tǒng)介紹
通過給鐵路電力浪涌保護器加裝智能模塊（雷擊環(huán)境檢測器）、利用數(shù)據(jù)采集器、交換機和上位機軟件,實現(xiàn)了智能化實時監(jiān)控所有浪涌保護器狀態(tài)的功能,以及在本地和遠程上位機實現(xiàn)了一系列智能化功能，從根本上保證了浪涌保護器對設備保護的連續(xù)性和有效性。鐵路管理人員可通過防雷接地監(jiān)控系統(tǒng)將所有智能防雷設備(如浪涌保護器)進行集中監(jiān)控,實時了解防雷設備的各種狀態(tài),解決雷擊隨機性與人工巡檢階段性的矛盾。浪涌保護器發(fā)生故障時,防雷接地監(jiān)控系統(tǒng)可立即報警,及時通知維護人員，并顯示詳細的故障信息。而且防雷接地監(jiān)控系統(tǒng)可對智能防雷設備當前狀態(tài)進行檢測分析,預知其工作狀態(tài),以保證高速鐵路沿線雷電防護的有效性。
在智能浪涌保護器的基礎上，我們可以充分地運用現(xiàn)代微機、通信技術，而監(jiān)控中心的計算機軟件的主要工作任務便是將全電涌保護器的運行狀況、雷擊記錄以及其它的相關數(shù)據(jù)進行集中處理歸類,把監(jiān)控到的信息進行整理成更讓人能理解的軟件、圖形,用這種方法來對浪涌保護器實現(xiàn)遠程的在線檢測，方便用戶對浪涌保護器能夠有所控制并對其實.時有所了解,這樣才能進行有效的管理，包括安裝位置、運行狀態(tài)監(jiān)控劣化分析、壽命預警故障告警、設備管理、事件記錄統(tǒng)計報表等監(jiān)控和管理。防雷接地監(jiān)測系統(tǒng)記錄智能浪涌保護器上傳的波形,我們可以通過對長期綜合的實驗測試和對數(shù)據(jù)的不斷積累進行分析，用各種波形和尺寸的雷電電流特性曲線進行整理從而由此來建立雷電電流波形數(shù)據(jù)庫。通過對現(xiàn)實生活的應用,通過將上傳的波形曲線與數(shù)據(jù)庫中的曲線進行比較,可以確定上傳的波形曲線與數(shù)據(jù)庫中的曲線的相似性,確定雷電電流的大小和其他特征。
2.2關鍵技術
鐵路電力防雷接地監(jiān)控系統(tǒng)集智能防雷設備、網(wǎng)絡接入及通信于一體，不僅實現(xiàn)防雷設備的智能化，也要實現(xiàn)對防雷產(chǎn)品有效的維護管理。通過監(jiān)控主站軟件,鐵路管理人員可對防雷設備進行實時遠程監(jiān)控,實時獲知防雷設備的運行狀態(tài)及防護能力,避免防雷設備在有安全隱患狀態(tài)下使用，保障鐵路電源系統(tǒng)的正常運行。在包含傳統(tǒng)防雷系統(tǒng)功能的基礎上,通過一套智能監(jiān)控系統(tǒng)將所有防雷設備的屬性和狀態(tài)信息(安裝位置、遠程監(jiān)控、劣化分析、壽命警告、故障報警、設備管理、事件記錄、統(tǒng)計報告等)匯總于監(jiān)控主站,便于監(jiān)控和觀察，減少巡檢的步驟。防雷接地監(jiān)控系統(tǒng)可將故障信息及時地反饋到監(jiān)控主站，工作人員根據(jù)故障信息情況對設備進行更換,避免長時間損壞后出現(xiàn)的問題。2.3具體功能
鐵路電力防雷接地監(jiān)控系統(tǒng)具體功能如下:(1)監(jiān)控報警功能
①浪涌保護器工作狀態(tài)監(jiān)控報警對電涌保護器能夠實時觀測，從而了解其工作狀態(tài),故障時及時報警,及時提示工作人員維護處理由于防雷模塊拔出、連接不可靠、熔斷器熔斷等多種不確定因素導致防護無效的浪涌保護器，保證所有浪涌保護器均能夠起到有效的防雷作用。②浪涌保護器失效情況的監(jiān)測與報警實時監(jiān)測電涌保護器的損壞情況,當浪涌保護器經(jīng)長時間使用完全失去防雷作用時(失效時),系統(tǒng)報警以提示工作人員及時更換損壞的浪涌保護器,從而保證防雷系統(tǒng)具有連續(xù)的防護性能。
③浪涌保護器劣化程度監(jiān)測及壽命預警用戶可以預先設定電涌保護器的劣化和壽命警告值,系統(tǒng)可以實時監(jiān)控浪涌保護器及其內(nèi)部設備的劣化程度。當劣化程度突破報警值時,觸發(fā)報警,實現(xiàn)劣化報警,以便工作人員在電涌保護器嚴重劣化之前對其進行維護,保持電涌保護器防雷作用的持續(xù)有效。
(2)雷擊浪涌監(jiān)測記錄功能
鐵路電力防雷接地監(jiān)測系統(tǒng)具有動態(tài)數(shù)據(jù)庫,可自動監(jiān)測和記錄雷擊發(fā)生時間、雷擊頻率、電流強度等。用戶可以通過監(jiān)控主機查詢雷擊情況，并可以計算每個電流強度范圍內(nèi)雷擊次數(shù)的累計值。(3)信息管理查詢功能
①歷史記錄查詢及輸出主機會對每臺在線電涌保護器的運行狀態(tài)、故障信息、安裝位置、維護記錄等基本信息進行實時監(jiān)控,系統(tǒng)會對主機提供的浪涌保護器進行維護記錄、運行狀態(tài)記錄、故障記錄等信息制作提供多方面的Excel. PDF文檔和打印報告等,并能支持系統(tǒng)的導出，讓數(shù)據(jù)能更好的管理歸類,以便于用戶更好的了解。
②集中統(tǒng)- -管理功能
浪涌保護器設備的基礎信息、安裝信息、輔助工作站、分組結構、電氣結構數(shù)據(jù)采集終端、負責人和管理部門的檔案管理這一系列的分類工作的進行讓浪涌保護器能夠多方向、多層次、簡單、圖形化的一體化管理。用戶使用和維護設備非常方便。
2.4故障類型分析
(1)模塊的插拔狀態(tài)監(jiān)控:可實時監(jiān)測每個防雷模塊的插人狀態(tài)是否良好,并對拔出或虛接狀態(tài)報警,提醒工作人員去定點檢查防雷模塊的狀態(tài)。(2)熔斷狀態(tài)監(jiān)控:可實時監(jiān)測每一防雷單元中的短路保護裝置的狀態(tài),是良好連接，還是已經(jīng)熔斷。如果是熔斷狀態(tài)，會發(fā)出報警,提醒工作人員定點更換熔斷器。
(3)熱脫扣狀態(tài)監(jiān)控:可實時監(jiān)測每一防雷模塊的熱脫扣裝置狀態(tài),是良好連接，還是已經(jīng)斷開。如果是斷開狀態(tài),會發(fā)出報警,提醒工作人員定點更換防雷模塊。
(4)通信狀態(tài)監(jiān)控:可實時監(jiān)控每個防雷單元的通信狀態(tài),是否是良好通信狀態(tài)。如果通信不正常，會發(fā)出報警，提醒工作人員定點檢查網(wǎng)絡通信情況。
(5)多點實時監(jiān)控:通過1個主站、多個子站和多臺數(shù)據(jù)采集終端,實時監(jiān)控多臺智能電涌保護器的運行狀態(tài),發(fā)生故障時可及時發(fā)出報警。可實時查詢每臺電涌保護器的壽命狀態(tài)、通信狀態(tài)和故障事件,提供自動狀態(tài)顯示、手動操作與智能電涌保護器通信精確查詢功能。
3結束語
通過對本系統(tǒng)的研究，建立了鐵路電力智能防雷設備系統(tǒng)設計的理念,對該系統(tǒng)進行分析,目前還存在以下不足和有待改進的問題:(1)該防雷接地監(jiān)控系統(tǒng)尚未有國家標準、技術條件，,需要在多個項目、不同氣象條件的地域進行實踐積累,發(fā)現(xiàn)可能存在的不足,逐步在鐵路領域推廣應用。
(2)本文僅對鐵路電力防雷接地監(jiān)控系統(tǒng)進行了研究,在此研究成果基礎上擬對鐵路四電工程防雷接地監(jiān)控系統(tǒng)進行深入研究,將四電工程防雷接地監(jiān)控系統(tǒng)進行整合。
(3)在本系統(tǒng)研究的基礎上,擬對防雷接地監(jiān)控系統(tǒng)標準進行研究,提出企業(yè)標準。根速鐵路目前電力防雷接地設計的現(xiàn)狀和不足,研究具有防雷、遠程監(jiān)控、劣化分析、生命報警、故障報警、設備管理、事件記錄和報告統(tǒng)計功能的圖形化操作系統(tǒng)，并支持防雷和接地監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)鐵路管理部門對智能電力防雷設備的遠程在線監(jiān)測,使防雷產(chǎn)品的維護管理更加及時、方便、有效。
