浪涌保护器寿命自监测系统研究

靳邵云，肖桐，王州龙，徐金鹏

雷电是一种瞬间释放的强烈电磁脉冲，具有非常高的电压和电流，能够对铁路通信、信号设备造成严重损坏，甚至引发火灾，影响运输安全［1］。浪涌保护器（Surge Protection Device，SPD）是一种应用在现场的防雷装置，用于吸收或泄放浪涌，实现对线路或设备的防护［2］。由于SPD的应用十分广泛，且数量巨大，因此其自身的工作状态将直接影响设备的防护效果。

而目前SPD脱扣装置的动作条件并未与SPD的使用寿命直接相关，在实际应用时，可能会出现防雷器件已经损坏但脱扣装置未动作的情况。若不将SPD取下进行参数测量，则现场运维人员难以及时发现已损坏的SPD，造成已失效的SPD仍然连接在电路中，雷电防护存在失效风险的同时，还可能造成由SPD自身故障引发的其他事故。

随着传感技术、数据处理技术和电子信息技术的发展，小型化、低成本的监测方案越来越成熟和完善，这为SPD的实时监测和寿命预测提供了条件。钟林等［3］设计了一种雷电流识别与在线监测系统，根据雷电流的幅度、斜率、半峰值时间等，实现雷电流识别和循环触发，以提高触发的可靠性和波形检测的完整性；张雷等［4］研究了一种嵌入式雷击在线监测系统，可以实现对输电线路的实时监测，提高了雷击监测装置的便捷性和经济性。

寿命研究对于装备的运维保障具有重要意义，准确的寿命预测可以显著提升运维管理的质量和水平。张继军等［5］针对机载设备剩余使用寿命预测中存在的不确定性因素，建立了基于状态条件概率分布的机载设备剩余寿命模型；李章杨等［6］采用层次分析法与模糊综合评价结合的方式，分析影响铁路信号设备使用寿命的众多因素，建立起信号系统关键设备使用寿命的评估流程。

本文在综合考虑经济因素和现场环境，充分借鉴相关研究成果的基础上，利用流经SPD的雷电流，研发专门针对SPD的寿命自监测系统。该系统基于传感监测技术和寿命计算模型，实现对SPD的寿命自感知，具备状态指示和通信的能力，可接入集中监测系统，便于现场人员巡检，为实现防雷设备故障预诊断及智能化监测提供支撑。

1 系统构成

SPD寿命自监测系统主要包括传感模块、微控制器（Micro Controller Unit，MCU）模块、显示模块和通信模块4个部分。系统构成见图1。

图1 SPD寿命自监测系统构成

1）传感模块用于实时监测SPD经受的雷电流及其脱扣状态。其中空心线圈、积分电路和电压调理电路用于雷电流的监测，脱扣状态监测电路用于脱扣状态监测。

2）微控制器模块的主体是一款集成了模数转换（Analog to Digital Converter，ADC）、通用输入输出端口（General Purpose Input/Output Port，GPIO）、集成电路互联总线（Inter-Integrated Circuit，I2C）和控制器局域网（Controller Area Network，CAN）控制器等外设的工业级低功耗MCU，采用32位的精简指令集，将内核、仲裁单元、DMA模块、SRAM存储等通过多组总线实现交互。作为系统的核心，微控制器模块实现传感模块的信息采集和SPD的寿命模型计算，同时驱动显示模块和通信模块。

3）显示模块由绿、黄、红三色灯组成，使用MCU控制，可直观表示SPD的当前状态。绿灯表示正常；黄灯表示告警；红灯表示失效。

4）通信模块中同时包含近距离无线通信（Near Field Communication，NFC）和CAN总线通信2种方式。其中，NFC可通过读取装置以非接触方式实现信息交互，将SPD详细的信息展示给用户，便于现场人员的巡检；预留的CAN总线接口可以使SPD接入集中监测平台，实现远程监测［7］。

2 系统硬件

2.1 雷电流监测

由于雷电流能够在瞬间释放大量能量，具有破坏性［8］，除了不能直接将其接入电路外，还需考虑雷电流采集电路在浪涌保护器中安装时体积受限的问题，因此本系统采用柔性空心线圈，实现对雷电流的间接测量［9-10］。空心线圈又名罗氏线圈，不用直接接触被测量对象，只需将其套在被测量的导体上，即可实现电流的采集。空心线圈具有测量范围大、精度高、响应速度快的特点，已广泛应用于雷电流测量中。

当被监测的导线中有电流经过时，电流产生磁场，根据电磁感应定律在空心线圈中产生感应电动势。该感应电动势经过积分电路后，即可得到与被测电流值呈比例的电压值。但此时输出的电压值与ADC的采样范围不匹配，还需经过电压调理电路将该电压值按照幅值比例，线性调整到ADC的采样范围内。MCU控制ADC进行采集，并实时进行分析和存储。

由于雷电流引起的磁场变化十分迅速，持续时间仅为数百微秒。为实现对雷电波形更好的采样，设置ADC的采样频率为1 MHz，采样时间间隔为1 μs。若每次采样触发时均占用CPU资源，则影响其他程序的执行。为此，引入DMA（直接内存操作）机制，提供在外设和存储器之间，或存储器和存储器之间的高速数据传输，无需CPU干预，数据可以通过DMA快速地移动。

雷电流采集的硬件数据流见图2。配置MCU的控制寄存器，将电压调理电路的输出信号挂载到ADC采样通道上。启用DMA控制器，使ADC的采样值直接存储到512个采样点的RAM之中。ADC为12位，采样1次即产生2个字节的数据，512个采样点所需的存储空间为1 KB。由于雷电流需要实时监测，为不使数据丢失，引入了乒乓操作机制［11］，开辟了RAM1和RAM2 2块存储空间，当其中一块RAM存满后立刻切换到另一块RAM，如此往复［12］。当其中一个RAM存储结束后，将该RAM中的数据作为一帧，识别该帧内有无有效数据，即是否包含雷电电流波形。若数据无效，则下次写入时直接覆盖；若检测到有效数据，则即刻将该帧数据写入空间为2 KB的RAM3中。等待另一个RAM的数据帧存储完成后，再将RAM3中RAM1和RAM2的中心数据帧拼接，以防止出现不完整的波形。最后RAM3中的数据转存至ROM中，以供查询和寿命值计算。

图2 雷电流采集的硬件数据流

2.2 脱扣状态监测

浪涌保护器中脱扣装置的作用为：①实时表示当前的脱扣状态；②当脱扣发生时，及时切断与被保护线路的电气连接；③当脱扣发生后，及时发布信息，表示脱扣装置已动作。

目前，脱扣装置是采用一套相互联动的机械机构，当SPD中流经电流并持续一段时间时，防雷器件会发热，促使SPD的温度升高。当温度升高到一定程度时，脱扣装置中的焊锡融化，使机械装置脱开，驱动微动开关弹开。微动开关的开闭状态，即为SPD脱扣状态的表征。可使用MCU的I/O引脚监测微动开关的变化，进而实现SPD脱扣状态的监测。

3 通信方式

3.1 CAN通信

随着铁路智能运维的推进和发展，使SPD具备接入集中监测平台和远程状态感知的能力十分必要。CAN总线是一种实时应用的串行通信协议总线，广泛应用于各个行业和领域，可在各节点之间实现自由通信［13］。

寿命自监测系统预留了CAN总线通信接口，并制定了专用的通信协议，能够实现SPD历次的寿命值、雷击电流波形、雷击幅值、雷击时刻和雷击计数等查询。同时，还具备告警信息和失效信息的主动发送功能。

MCU中集成了CAN控制器，可通过程序实现CAN通信协议。将MCU中CAN控制器的输出引脚与CAN驱动器的输入引脚连接，由CAN驱动器的输出引脚通过匹配电阻接入CAN总线。

在实际应用时，可将安装位置较近的多个SPD采用就近原则挂载在CAN总线上，实现多个SPD寿命自监测系统与监测系统之间的通信。

3.2 NFC通信

为方便现场人员巡检时能够随时读取SPD的详细信息，系统还采用了NFC通信机制［14］。NFC通信采用动态电子标签，其一端与MCU的I2C接口相连，另一端与通信天线连接。MCU的I2C接口和天线接口均可以对存储区的数据进行读写，从而实现天线与MCU的双向通信。

4 系统软件

4.1 劣化核计算

流经SPD的雷电流是导致SPD损坏的直接原因，温度和漏流是SPD劣化过程中的间接表征。浪涌保护器每经受一次雷击都将对其寿命产生影响。为描述这种影响程度，本文引入劣化核的概念。

一般情况下，雷电流的幅值越大、变化越剧烈，雷击时间间隔越小，对SPD造成的损坏就越大。本文将流经SPD的雷电流作为其寿命评价的依据，把雷电流的波形、幅值和2次雷电流间的冲击时间间隔作为寿命模型的输入参数。其中，雷电流的波形用于计算能量值，幅值用于表征在相同能量值下雷电流强度变化的剧烈程度。将上述3个参数进行计算融合，即可得到用于浪涌保护器寿命状态切换的劣化核。

当SPD经受雷击时，系统中的传感模块能够采集并存储雷击的波形；随后，在MCU中运行处理程序，对该雷击波形进行中值滤波，剔除掉异常的数据点，得到平滑的雷电波形；在处理后的雷电波形中，寻找其最大值作为雷电流峰值I；将雷电波形在时间上进行积分，得到能量值E；此次雷击与上次雷击之间的时间间隔为T。将E、I、T按式（1）进行计算，得到劣化核KN为

式中：EN为第N次雷击的能量值；IN为第N次雷电流幅值，单位kA；TN为第N-1次雷击与第N次雷击之间的时间间隔，单位min；η为型号参数，采用标定法以表征不同型号浪涌保护器的差异。

SPD经受首次雷击时，由于不具备2次雷击之间的雷电流冲击间隔，此时的劣化核K1为

劣化核是后续SPD寿命计算的基础，其计算输出结果的值域为（0，1）。

4.2 寿命值计算

SPD的寿命值是一个变化量，其变化过程从SPD全新持续到失效报废的整个生命周期。每当SPD经受一次雷电冲击，寿命计算模型就根据输入的雷电冲击进行一次寿命计算。

定义全新的SPD为初始状态，其寿命值为100%。以第N次冲击为例，SPD经受雷电冲击后，将参数代入式（1）中，计算生成劣化核KN。将状态N-1的寿命值与劣化核相乘，即可得到状态N的寿命值［15］。SPD寿命值计算原理见图3。

图3 SPD寿命值计算原理

5 SPD状态显示及报警发布流程

SPD经受多次雷击后，其寿命值逐渐衰减，直至失效报废。SPD的状态显示及报警发布流程见图4。

图4 SPD状态显示及信息发布流程

Step 1当计算出的寿命值高于告警阈值时，SPD的指示灯亮绿灯，表明SPD可以正常使用，处于健康的状态。此时，通过CAN通信接口发送正常信息。

Step 2当计算出的寿命值低于告警阈值，且高于失效阈值时，SPD的指示灯亮黄灯，表明SPD不建议继续使用，处于告警的状态，需尽快更换。此时，通过CAN通信接口发送告警信息。

Step 3当计算出的寿命值低于失效阈值时，SPD的指示灯亮红灯，表明SPD处于失效状态，需立即更换。此时，通过CAN通信接口发送失效信息。

Step 4当监测到脱扣装置已经脱扣时，此时SPD已经与被保护电路断开，失去防护作用，同样发布失效信息，并将指示灯切换为红灯。

6 试验验证

将本系统与一款SPD适配组装，把空心线圈套装在SPD的线路上，并连接脱扣装置的微动开关，使该系统能够实时采集雷电冲击波形和监测脱扣装置的状态，形成具有寿命自监测功能的SPD。

对适配后的SPD进行冲击试验，直至其损坏。试验采用25 kA的8/20 μs波形进行冲击，设定告警阈值为20%，失效阈值为5%，冲击试验共执行了43次。前21次冲击后，系统输出的寿命值从100%下降至21.5%，表征该阶段的SPD处于健康状态；在第22次冲击后，计算得到寿命值为19.1%，达到告警阈值，标志着SPD从健康状态转至告警状态；在第23～38次冲击后，系统输出的寿命值从19.1%下降至5.2%，表征该阶段的SPD处于告警状态；第39次冲击后，系统输出的寿命值为4.8%，达到失效阈值，标志着SPD从告警状态转至失效状态；后续继续执行了第40～43次冲击，直至SPD器件损坏。

对适配后的SPD进行脱扣试验，按照规定施加工频电流，直至SPD脱扣。试验表明，该系统可感知SPD脱扣前后的状态变化，能及时给出SPD脱扣装置的监测结果，并根据结果判断SPD是否失效。

在上述试验过程中，整个系统能够根据设定的阈值，按SPD状态显示并发布信息，同时，也可使用手持终端进行信息查询。

7 结论

本文研制开发的SPD寿命自监测系统，在SPD中引入雷电流测量机制，并基于历次雷电流冲击数据构建了寿命模型，相比于单纯依据是否脱扣作为寿命判别的条件更科学、准确；相比于使用漏流进行寿命表征的方法具有更广泛的适用性。

将具备寿命自监测系统的SPD应用在现场设备中，既能够提高雷电防护的可靠等级，还可以使运维更加便捷。及时更换寿命告警的SPD，在降低运维人员劳动强度的同时，提升了SPD的使用效果，也能将原本“一刀切”式的防雷故障修升级为更加科学的状态修。