懸浮結(jié)構(gòu)鐵路信號(hào)設(shè)備雷擊損壞的原因分析及防護(hù)方法探討

李永毅 王州龍

李永毅:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所 高級(jí)工程師 100081 北京

王州龍:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所 助理研究員 100081 北京

針對(duì)高速鐵路運(yùn)營(yíng)中電磁環(huán)境發(fā)生的變化，以及可能發(fā)生的雷害事故，鐵路總公司加強(qiáng)了對(duì)信號(hào)設(shè)備雷電防護(hù)的研究工作，部署了《高速鐵路綜合雷電防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究》重大科研課題，對(duì)高速鐵路雷害防護(hù)工作，特別是受雷害頻次最多軌道電路做了重點(diǎn)研究。

為了防止雷電防護(hù)器件發(fā)生短路出現(xiàn)第三軌問(wèn)題，ZPW-2000A軌道電路雷電防護(hù)方案中只采用差模防護(hù)的目的。差模防護(hù)是為了防止鋼軌遭直擊雷，經(jīng)軌道變壓器傳導(dǎo)過(guò)電壓。由于目前鐵路信號(hào)設(shè)備多采用埋地電纜，電纜芯線緊密，對(duì)地分布特性接近，感應(yīng)雷在各芯線間感應(yīng)出的雷電過(guò)電壓值差別小，而芯線與大地之間電位差大。所以在考慮感應(yīng)雷防護(hù)時(shí)，還應(yīng)采用共模防護(hù)措施。如果沒(méi)有共模防護(hù)，完全依靠系統(tǒng)絕緣性能來(lái)承擔(dān)較高過(guò)電壓沖擊，則系統(tǒng)的絕緣將很容易燒損。

1 試驗(yàn)分析

1.1 現(xiàn)場(chǎng)雷擊損壞情況與試驗(yàn)對(duì)比

在現(xiàn)場(chǎng)雷害調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)雷擊損壞的器件除了接口芯片外，還有CAN總線控制芯片SJA1000T、總線驅(qū)動(dòng)芯片74HC245N、光電隔離器件A6N137、A/D轉(zhuǎn)換器AD7865等內(nèi)部芯片會(huì)同時(shí)損壞，而且還會(huì)發(fā)生器件爆裂現(xiàn)象。說(shuō)明雷電泄放通道是經(jīng)過(guò)接口及內(nèi)部芯片，且能量較高。

針對(duì)信號(hào)設(shè)備耐沖擊水平的試驗(yàn)，包括了ZPW-2000A軌道電路在內(nèi)的各種懸浮系統(tǒng)沖擊試驗(yàn)。一旦沖擊電壓升高到一定值(沖擊耐受水平UW)，系統(tǒng)內(nèi)部絕緣會(huì)擊穿，并發(fā)出放電聲，同時(shí)受試設(shè)備接口及內(nèi)部芯片大面積損壞。幾種系統(tǒng)設(shè)備的耐沖擊水平值，如表1所示。

表1 受試信號(hào)設(shè)備縱向絕緣沖擊擊穿值

由表1可見(jiàn)，ZPW-2000A軌道電路CANE通信單元縱向耐沖擊值在3700V左右，按照TB/T3074-2003《鐵路信號(hào)設(shè)備雷電電磁脈沖防護(hù)技術(shù)條件》中的要求，對(duì)室內(nèi)CAN總線縱向雷擊試驗(yàn)采用10/700 μs 2kV沖擊試驗(yàn)，顯然CANE通信單元縱向耐沖擊能力能夠通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求的雷電抗擾度試驗(yàn)?？稍诂F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，ZPW-2000A軌道電路的發(fā)送、接收和CAN總線電路遭雷電沖擊損壞現(xiàn)象很多，原因何在?

1.2 模擬計(jì)算

在鐵路信號(hào)機(jī)房?jī)?nèi)，信號(hào)設(shè)備接口雷電過(guò)電壓侵入途徑有傳導(dǎo)、感應(yīng)和地電位反擊3種方式。因傳導(dǎo)雷電電涌電壓可以被信號(hào)分線柜處的防雷設(shè)施限制在一定數(shù)值以?xún)?nèi)，故在此不用考慮。

以一個(gè)三等車(chē)站為例，模擬計(jì)算信號(hào)機(jī)房線路雷電反擊或感應(yīng)的電壓等級(jí)。假設(shè)機(jī)房等效沖擊接地電阻為0.2 Ω，當(dāng)50 kA直擊雷擊在機(jī)房避雷帶上，雷電流沿接地極泄放入地時(shí)，系統(tǒng)地電位升高電壓等于0.2 Ω×50 kA=10 kV。雷擊在距車(chē)站100 m遠(yuǎn)處，車(chē)站屏蔽為5 m×5 m的鋼混結(jié)構(gòu)，鋼筋直徑20 mm，機(jī)房?jī)?nèi)信號(hào)線與地線構(gòu)成10 m×3 m的環(huán)路，其開(kāi)路最大感應(yīng)電壓Uoc/max由下式計(jì)算:

其中:μ0為真空的磁導(dǎo)系數(shù)，4π×10－7(V·s)/(A·m);b為環(huán)路的寬度(m);l為環(huán)路的長(zhǎng)度(m);H1/max為L(zhǎng)PZ1區(qū)內(nèi)最大的磁場(chǎng)強(qiáng)度(A·m);T1為雷電流的波前時(shí)間(s)。

按照GB50057-2010《建筑物防需設(shè)計(jì)規(guī)范》中表F.0.1-1、F.0.1-2和表F.0.1-3中一類(lèi)建筑物考慮，防護(hù)的最大雷電流，由計(jì)算可知:

200 kA首次正極性雷擊，波前時(shí)間 T1=10 μs，在信號(hào)線路內(nèi)感應(yīng)的電壓 Uoc/max=720(V);

100 kA首次負(fù)極性雷擊，波前時(shí)間T1=1 μs，在信號(hào)線路內(nèi)感應(yīng)的電壓Uoc/max=3600(V);

50 kA首次負(fù)極性以后雷擊，波前時(shí)間T1=0.25 μs，在信號(hào)線路內(nèi)感應(yīng)的電壓 Uoc/max=7215(V)。

可見(jiàn)，設(shè)備地電位反擊電壓和信號(hào)線路內(nèi)可能感應(yīng)出的電涌電壓，都有可能超過(guò)系統(tǒng)絕緣電壓，會(huì)造成系統(tǒng)設(shè)備擊穿損壞。雷電點(diǎn)距信號(hào)樓的距離和雷擊電流大小是隨機(jī)的，實(shí)際應(yīng)用中，由于很多機(jī)房附近有無(wú)線通信鐵塔，導(dǎo)致遭雷擊的概率增加，所以，信號(hào)線路內(nèi)存在產(chǎn)生超過(guò)系統(tǒng)絕緣等級(jí)電涌電壓的可能性。

1.3 雷害分析

由雷電電涌模擬計(jì)算和信號(hào)設(shè)備絕緣耐沖擊水平試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以說(shuō)明，單個(gè)車(chē)站出現(xiàn)超過(guò)信號(hào)設(shè)備絕緣耐受水平的雷電電涌電壓的概率雖然較小，但分布在全國(guó)范圍內(nèi)的各個(gè)車(chē)站遭雷害概率總和卻很大。一旦較高電涌電壓出現(xiàn)，沿線路端口到擊穿點(diǎn)間所經(jīng)過(guò)通路上的所有器件都會(huì)損壞，損壞路徑如圖1所示。

圖1 懸浮系統(tǒng)擊穿損壞機(jī)理示意圖

2 防護(hù)方案

感應(yīng)雷電電涌電壓和反擊電壓受雷電流峰值、雷擊點(diǎn)遠(yuǎn)近、雷電流上升速率等多種因素影響，信號(hào)線路內(nèi)的雷電電涌電壓變化范圍很大。系統(tǒng)的防護(hù)靠提升絕緣等級(jí)，既增加設(shè)備費(fèi)用，又不能徹底解決絕緣擊穿問(wèn)題。所以，最有效的方案是增加縱向防護(hù)。

因ZPW-2000A軌道電路采用懸浮系統(tǒng)，不加裝縱向防護(hù)的原因是防止在應(yīng)用中發(fā)送和接收兩側(cè)SPD同時(shí)出現(xiàn)短路損壞情況，在軌道占用時(shí)可能出現(xiàn)第三軌，使故障升級(jí)?？墒?，由于沒(méi)有縱向SPD防護(hù)，使信號(hào)系統(tǒng)出現(xiàn)雷擊事故較多。為了解決這一矛盾。正確分析SPD出現(xiàn)短路損壞的條件，采用恰當(dāng)?shù)姆椒ㄔO(shè)計(jì)SPD，既可以防止出現(xiàn)第三軌，又能夠有效避免信號(hào)系統(tǒng)遭雷擊損壞。

由表1可知ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)縱向的耐沖擊水平UW在2000 V以上，按照UW選擇SPD的防護(hù)水平Up，保護(hù)絕緣不被擊穿就可以有效防護(hù)。因此，采用壓敏電阻、放電管就可以滿(mǎn)足對(duì)ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)縱向防護(hù)要求。

2.1 SPD損壞模式分析

SPD的主要元件是壓敏電阻和放電管。壓敏電阻損壞的原因主要有2個(gè):一是產(chǎn)生漏電流劣化，當(dāng)壓敏電阻溫度升高到一定值后，會(huì)使壓敏電阻過(guò)熱形成局部擊穿短路;另一個(gè)原因是瞬態(tài)電涌電流(雷擊電流)過(guò)大，超過(guò)壓敏電阻通流能力，燒壞壓敏電阻造成短路。放電管損壞出現(xiàn)短路的原因主要有3個(gè):一是電氣化干擾，使放電管長(zhǎng)時(shí)間弧光放電;另一個(gè)是雷電流過(guò)大，這2種情況都會(huì)使電極熔化鍍?cè)谔沾杀谏闲纬梢粚咏饘倌?，使放電管呈現(xiàn)阻性狀態(tài);第3個(gè)原因是早期的放電管采用軸形電極工藝。

2.2 SPD設(shè)計(jì)方法

1．壓敏電阻出現(xiàn)短路的因素是漏流和過(guò)流，SPD采用壓敏串放電管結(jié)構(gòu)可以截?cái)嗦┝?，?dāng)過(guò)電流造成壓敏電阻擊穿時(shí)，由于SPD中存在著串聯(lián)的放電間隙，可使SPD保持開(kāi)路狀態(tài)。

2．選擇杯形結(jié)構(gòu)放電管，結(jié)構(gòu)如圖2所示，防止電極變形或脫落造成短路情況。

3．高速鐵路的電化干擾是由于牽引回流流經(jīng)貫通地線引起，電壓一般在幾十伏以?xún)?nèi)，個(gè)別情況最大也不超過(guò)幾百伏。SPD中選用高標(biāo)稱(chēng)導(dǎo)通電壓(大于600 V)的放電管和壓敏電阻串聯(lián)，既能防止系統(tǒng)絕緣被擊穿，又能避免電氣化干擾使放電管呈現(xiàn)阻性狀態(tài)，避免第三軌出現(xiàn)。

圖2 杯形放電管工藝結(jié)構(gòu)圖

4．鐵路信號(hào)系統(tǒng)線路內(nèi)雷電感應(yīng)電流等級(jí)范圍一般在幾十安到幾百安，在設(shè)計(jì)SPD時(shí)。選擇小通流容量(1 kA)的壓敏電阻和大通流容量(20 kA)的放電管串聯(lián)組合。按照GB/T9043-2008《通信設(shè)備過(guò)電壓防護(hù)用氣體放電管通用技術(shù)條件》規(guī)定:使用8/20 μs波形標(biāo)稱(chēng)放電電流沖擊放電管10次，放電管特性不應(yīng)損壞。雷電感應(yīng)電流遠(yuǎn)小于放電管標(biāo)稱(chēng)放電電流，不會(huì)使放電管電極熔化損壞出現(xiàn)短路情況。假如線路中出現(xiàn)大于放電管標(biāo)稱(chēng)放電電流的雷電流，使放電管電極熔化損壞時(shí)，該電流因遠(yuǎn)大于壓敏電阻的通流容量，壓敏電阻會(huì)炸碎開(kāi)路，同樣不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)對(duì)地短路情況。這樣就保證不會(huì)出現(xiàn)壓敏電阻和放電管同時(shí)短路的狀態(tài)，避免第三軌出現(xiàn)。

5．在SPD內(nèi)增加過(guò)流熔斷裝置，確保雷電流過(guò)大時(shí)，過(guò)流保護(hù)裝置動(dòng)作，將SPD脫離線路，確保不會(huì)出現(xiàn)第三軌。

3 結(jié)論

因降低設(shè)備的雷擊損壞事故刻不容緩，所以軌道電路系統(tǒng)的縱向防護(hù)十分必要。采用本文介紹的方法設(shè)計(jì)SPD，必要時(shí)采用短路檢測(cè)裝置，將出現(xiàn)短路的SPD自動(dòng)脫離信號(hào)線路，再加上定期檢測(cè)等管理方法，就可消除第三軌出現(xiàn)的可能性。只有加裝縱向防護(hù)，才能有效保護(hù)軌道電路系統(tǒng)設(shè)備免遭雷擊損壞，保證行車(chē)安全。

［1］中華人民共和國(guó)GB 50057-2010.建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.2010.

［2］中華人民共和國(guó)GB/T9043-2008.通信設(shè)備過(guò)電壓防護(hù)用氣體放電管通用技術(shù)條件［S］.2008.

［3］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T3074-2003.鐵路信號(hào)設(shè)備雷電電磁脈沖防護(hù)技術(shù)條件［S］.2008.