作者：韩永君( 中铁第五勘察设计院集团有限公司正高级工程师，主要从事铁路信号设计与科研方面的工作。)
基金项目: 朔黄铁路发展有限公司科技开发项目( SHTL-22-19)
本文针对目前铁路信号机房雷电防护与接地测量现状，结合现场实际运用需求，创新性提出适用于各类铁路项目的信号机房防雷接地监测系统方案。运用智能化综合监测技术，对现场重要接地点的接地电阻、设备接地可靠性、SPD 运行状态、电气完整性等状况进行统一监测，诊断工作状况，并分析其变化趋势，发现异常及时报警，为铁路信号设备可靠运行和铁路运输正常运营提供安全保障。此系统技术方案已成功应用于朔黄重载铁路项目，并于 2021 年12 月申请了实用新型专利《防雷监测装置和防雷监测系统》( 专利号: ZL 202120295985． 0) 。
1 研究背景
随着我国铁路行业的快速发展，铁路信号设备集成化、智能化程度越来越高，为铁路安全运行提供了可靠保障; 但与此同时，这些设备对于外界条件也更加敏感，更加容易受到雷电浪涌、静电等因素的影响，出现故障甚至损坏的情况。为了确保正常的铁路运输组织，信号设备机房配置综合防雷及接地系统，因此对接地系统运行质量和 SPD 运行状态进行监测显得尤为重要。本文以朔黄重载铁路项目为依托，研究并提出铁路信号机房智能防雷接地监测技术应用方案。
目前信号设备机房空间分布上离散性大，在时域上无法获取足够丰富的数据和信息，普遍存在监测对象单一、监测精度不高、系统稳定性较差等问题，特别是针对电磁环境复杂的重载铁路，国内现有设备尚不能实现精确可靠的监测，在防雷接地监测方面尚未提出成熟完善的智能化方案［1］。为了及时掌握防雷接地系统状态、获取关键接地参数、维持信号设备正常稳定运行，在信号设备机房内设置综合监测柜，根据预先设定的采样时段和采样频率，充分运用智能化技术对现场重要接地点的接地电阻、信号机房内防雷装置状态、接地端子排的接地电阻、电气完整性等状况进行集中监测，全方位反映现场接地、防雷和电源系统安全状况，掌握各信号房屋接地是否合格、SPD 是否还具有防护作用等，为铁路设备可靠运行和铁路运输的正常运营提供安全保障。
2 系统架构
防雷接地监测系统由信号机房综合监测柜、成端智能监测终端、电气防火探测器等组成，实时监测各信号房屋接地点接地电阻、设备接地可靠性、SPD 运行状态、地电位反击电流、成端感应电流、电气防火和动力环境等状况，并提供数据分析、故障诊断、报警和联动控制等功能，其架构如图 1 所示。信号综合监测柜作为本系统的核心设备，应用物联网、数字孪生和智能监测等技术，为铁路信号机房提供外电入侵保障、防雷保障、接地监测、电气防火和环境安全保障，并提供数据统计、诊断分析、预测预警和联动控制等功能，变“故障修”为“状态修”，防患于未然，为铁路信号系统的可靠运行提供安全保障［2］。
3 系统方案
3．1 接地电阻监测
建筑物可靠接地是发生雷击时雷电流能够顺利泄放的必要条件，但是由于环境以及磁场等外界因素的影响，接地设施可能会出现锈蚀甚至断裂等情况，导致雷电流泄放不畅或无法泄放，造成极大的安全隐患。通过对建筑物接地电阻进行实时监测能够及时发现故障信息，解除安全隐患，从而避免雷击事故，保护建筑物内的人身及设备安全。系统采用三极法在线式接地监测技术，监测现场电源接地、防雷接地、电缆一二次成端接地、运转室接地、等电位箱接地等重要接地位置的接地电阻值及变化趋势，并对监测数据进行诊断分析，发现异常立即告警，替代人工去现场测试［3 － 4］。
系统设置具有隔离和滤波功能的监测设备，能够实现自动变频测量，自动选择合适量程，以此提高监测数据的准确度和监测效率; 系统支持灵活设置监测时间，不监测时与地网断开连接，避免对其他设备运行造成干扰，在保证信号设备正常运行的同时保护现场运维人员的人身安全［5 － 6］。接地电阻监测单元原理如图 2 所示。
3．2 电气完整性监测
电气完整性监测单元能够测量信号房 屋 内 电 源柜、继电器柜、控制台、机柜等重要设备的接地端子与机房内接地汇集排之间的电阻值，并且通过长期测量分析其变化趋势，当发生阻值越限或快速升高等异常情况时立即告警，通知运维人员及时处理，确保设备可靠接地。系统能够根据现场设备数量灵活设置监测点数，同时支持灵活设置监测时间，不监测时与地网断开连接，避免对其他设备的运行造成干扰［7］。
依照接触电阻监测相关国家标准，测量接触电阻的方式为四端子电阻测量法，通过恒流源发出一个稳定的电流 I，使其通过端子两端，此时会在接触端子两端产生大小为 V 的接触电压，通过读出电流 I 和电压 V的值就可以计算出接触电阻的大小。恒流源的主要部件为 LM334 和外接电阻，外接电阻能够影响恒流源输出电流值，但在实际应用中电阻的温度会发生改变，从而影响电阻的阻值，这对最终结果会产生较大影响。针对此问题，通过在外部增设一个硅二极管和一个电阻进行改进，由于硅 PN 结具有负温度系数的特性，因此会补偿 LM334 的正温度系数，形成一个稳定的零温度系数恒流源。电气完整性监测单元原理如图 3 所示。
3．3 SPD 运行状态监测
由于 SPD 在泄放感应雷电流的过程中伴随着内部晶格的击穿，在经历多次冲击之后，大量晶格结构产生不可逆的击穿损坏，宏观表现为 SPD 非线性特性被破坏，整体劣化失效。SPD 失效之后会带来两方面问题:一是发生工频漏电导致生热起火，二是后端设备失去雷电浪涌防护。因此需要对防雷模块运行状态进行实时监测，防止由于防雷模块故障而引发的安全隐患，保障铁路信号机房稳定运行［8］。
在朔黄重载铁路项目中，采用新型浪涌防护装置，并且融入智能预警模块和远程监控后台，由智能预警模块采集 SPD 状态参数、雷击事件等数据，并提供给监控后台，实时监测 SPD 运行状况，记录雷击次数，发现防雷模块损坏失效迅速报警，通知运维人员及时维护，保证信号防雷的连续性，为铁路运输安全提供保障。SPD 监测单元原理如图 4 所示［9］。
3．4 电缆成端监测
室外线缆在进入信号机房时需要进行成端接地处理，以免雷电流或工频电流等沿线缆窜入机房影响设备安全运行。但是在传统设计及应用中缺少对该环节的监测机制，接地状况以及雷电流和工频电流是否能够顺利泄放均无法感知，因此设计成端接地监测单元综合监测成端接地状况。系统通过在信号机房一次成端及二次成端处设置工频电流互感器、高频电流互感器及温度传感器，综合监测 通 过 电 缆 入 侵 的 雷 电 流［10］ 及 工 频 电 流 次数、极性、电流大小和发生时间，监测是否有异常温升。多维度对比分析监测数据，结合不同位置、不同类型电流的幅值分布比例，诊断电缆钢带、铝护套接地的电气连接状态和防护效果，以此提供针对性维护方案，保障机房安全。成端接地监测单元原理如图 5 所示。
3．5 地电位反击监测
地电位反击监测单元实时监测通过接地线进入信号机房的雷电流，通过将高频电流互感器安装在信号机房接地汇集排与地网的连接路径上，同时对泄放雷电流以及反击进入建筑物内的雷电流进行高频采样，应用高速采样、快速缓存、无感分流、优化的数字监测算法和过压过流保护等技术，提高监测精确度和监测效率，实时将结果上传至监控屏。若监测到异常反击电流第一时间通知运维人员，首先配合接地电阻监测功能确认是否是由于地阻过大导致，再确认直击雷引入地网节点是否离接地汇流排过近，从而指导用户进行整改。地电位反击监测单元原理如图 6 所示。
4 工程应用案例
以朔黄重载铁路某站为例，在信号机械室设置一台信号综合监测柜，整体采用模块化设计，包括接地电阻监测功能单元、接地可靠性监测功能单元、地电位反击监测功能单元、成端接地监测功能单元、通信管理单元、人机交互触控屏等［11］，如图 7 所示。
其中，接地电阻监测功能单元通过两根辅助接地极配合测量接地汇集排处的接地电阻; 接地可靠性监测功能单元分别连接至机房接地汇集排和重要设备接地端子，测量两者之间连接可靠性; 地电位反击监测功能单元使用反击电流采样互感器监测接地汇集排处的反击电流; 成端接地监测功能单元设置于一次成端、二次成端处，测量电缆成端处温度、雷电流及侵入电流; 机房内 SPD 模块通过信号线连接至信号综合监测柜，实时监测 SPD 模块状态［12］。以上监测信息在人机交互触控屏上集中显示，并通过通信单元接入信号集中监测系统，实现全线统一监控，如图 8 所示。
5 研究结论
本文信号机房防雷接地监测系统解决了传统接地监测和 SPD 运行状态只能由人工进行逐项监测的问题，采取在线式不间断监测，实现了远程监控，极大地降低了维护人员的工作量。能够将现场监测数据实时发送至远程终端，采用图形化界面展示设备状态等信息，解决了接地电阻监测中的难点。针对线缆成端监测、地电位反击电流的监测更是弥补了以往监测信息的不足，为信号机房故障分析、安全预警奠定了坚实的数据基础。
6 结束语
本文以铁路信号机房雷电防护与接地测量现状为研究对象，结合当前实际需求，提出了适用于各类铁路项目的信号机房防雷接地监测系统方案。2021 年 12月申请了实用新型专利《防雷监测装置和防雷监测系统》( 专利号: ZL 202120295985． 0) 。
随着高速铁路的不断建设和信号设备集成化、智能化程度不断发展，防雷接地监测系统将会得到广泛应用，并在铁路运营维护中发挥其优势。
