客專ZPW-2000A軌道電路防雷整治初探

覃燕

(中國鐵路總公司運輸局，北京 100084)

客專ZPW-2000A軌道電路防雷整治初探

覃燕

(中國鐵路總公司運輸局，北京 100084)

統(tǒng)計和歸納客運專線ZPW-2000A軌道電路設備的雷擊故障及其特點，并依據(jù)其原理框圖，結合現(xiàn)場環(huán)境調查和相關設備防雷性能測試，尋找出雷電損壞其設備的途徑和系統(tǒng)的防雷薄弱環(huán)節(jié)，有針對性的提出防雷整治措施。

客運專線；軌道電路；防雷；整治

1 概述

ZPW-2000A軌道電路自2005年全路推廣使用以來，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、安全、可靠?？瓦\專線（簡稱客專）ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)，是在繼電編碼基礎上，升級為CAN總線通信編碼方式，以滿足我國客專CTCS列控系統(tǒng)需求，為我國高速鐵路的快速發(fā)展奠定了技術和設備基礎。

高速鐵路線路主要以橋、隧為主，如京滬80%以上，武廣70%以上，這種線路相對于路基線路，更易遭受雷擊侵害。同時，無砟軌道、通信鐵塔、綜合接地等新技術在高鐵線路上的引入，也使得客專ZPW-2000A軌道電路工作的電磁環(huán)境更加惡劣。因而，自客專線路開通運營以來，ZPW-2000A軌道電路因雷擊發(fā)生的設備損壞故障明顯增加。

本文針對客專ZPW-2000A軌道電路設備防雷故障的原因進行分析，從而對新運營條件下的信號設備的防雷展開一些探討，并對信號防雷的技術管理提出一些建議。

2 故障統(tǒng)計及其特點

2.1 故障統(tǒng)計

從2009年至2012年，客專ZPW-2000A軌道電路的雷擊故障逐年增多，尤其在2011年，達到了12次，且雷擊故障后，呈現(xiàn)設備損壞范圍大，恢復時間長，對鐵路運輸影響大等特點。根據(jù)對雷擊故障的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)雷擊后設備故障，多以發(fā)送器、接收器的CAN總線端口故障率為最高，歷年雷擊故障統(tǒng)計情況如表1所示。

表1 雷擊故障統(tǒng)計表

2.2 故障特點

客專線路與既有線路的外部環(huán)境差異主要體現(xiàn)在：

1）客專線路高架橋梁多，且線路平面通常高于普速線路，所以，更易接收到雷擊；

2）客專廣泛地采用無砟軌道線路，其對地的絕緣性能更優(yōu)，不利于雷電的泄放；

3）客專采用綜合接地體技術，接觸網(wǎng)的桿塔接地均與軌旁信號設備連接在共同的綜合接地體上，由接觸網(wǎng)接下的雷電泄放可能會通過綜合地線的反擊，侵入軌道電路設備；而普速線為信號專用的貫通地線；

4）因客專GSM-R的引入，通信桿塔明顯增多，通信桿塔是引雷設備；普速線的車站這類情況較少。

軌道電路系統(tǒng)是一個室內、外均有設備，且具有較為復雜的電氣連接系統(tǒng)。室外設備包括鋼軌線路、傳輸電纜和軌旁設備等；室內設備包括模擬網(wǎng)絡設備、衰耗冗余設備、通信盤、發(fā)送器和接收器等；室內設備與列控中心設備和電源屏相連接，軌道電路的室外設備通過傳輸電纜連入室內。

經(jīng)追蹤各次雷擊故障分析情況，雷擊造成的設備故障特點如下。

1）通信桿塔距離機械室較近；

2）多為軌道電路的發(fā)送器和接收器故障，且以其CAN總線接口器件損壞最為嚴重；

3）與之在室內有連接的列控中心和電源屏等未見出現(xiàn)損壞。

其情況如圖1所示。

圖1 軌道電路原理框圖及雷擊故障情況

3 原因分析及現(xiàn)場整治

基于上述故障統(tǒng)計及其特點的進一步分析，雷電損壞設備的途徑可以排除經(jīng)列控中心或電源屏侵入，因此經(jīng)由軌道電路電纜侵入的可能性最大。另外，在多次雷擊故障現(xiàn)場的調查中也發(fā)現(xiàn)，存在較多的室內防雷施工不到位，如：接地線纜繞行過長、地線混用及布線不符合規(guī)范等，導致侵入室內的雷電信號泄流不暢、線纜間耦合嚴重等問題。

為了進一步分析雷電損壞設備的途徑，尋找薄弱環(huán)節(jié)，以便有針對性的提出防雷整治意見。首先，要求設備研制單位根據(jù)TB/T3074-2003《鐵道信號設備雷電電磁脈沖防護技術條件》，對設備各端口的防護電壓值進行測試，其測試結果如表2所示。

表2 各端口的防護電壓值

其次，要求設備的研制單位對室外電纜引入通道進行雷電壓升級測試，在防雷模擬網(wǎng)絡盤室外側，試驗電壓從4000V，按100V遞增進行破壞性測試工作。當電壓升至4500V時，發(fā)現(xiàn)模擬網(wǎng)絡發(fā)生放電現(xiàn)象，與此同時，伴隨室內的發(fā)送器、接收設備出現(xiàn)了損壞，且其損壞位置與現(xiàn)場雷擊后故障設備損壞位置一致。因此，可以初步判定：模擬網(wǎng)絡設備的縱向隔離能力失效，強雷電信號擊穿或旁路了模擬網(wǎng)絡設備中的縱向隔離變壓器后，侵入了室內電子設備的不同端口間，造成設備損壞。

綜合上述分析和現(xiàn)場調查情況，雷電信號的侵入路徑包含2類：一類是通信桿塔地線直接接入信號機房地線，桿塔遭受雷擊后地電位抬高，通過室內設備的接地點造成地反擊，損壞模擬網(wǎng)絡縱向隔離性能后，經(jīng)傳輸電纜泄放入地；另一類是室外電纜引入雷電信號，損壞模擬網(wǎng)絡縱向隔離性能后，經(jīng)室內的設備接地點泄放入地。其路徑如圖2所示。

綜合故障案例的特點、室內測試、現(xiàn)場環(huán)境調查、雷電泄放路徑等相關因素，其與雷擊故障間的關系歸納如圖3所示。

綜上可以初步判斷雷擊損壞ZPW-2000A軌道電路設備主要是縱向途徑。

縱向雷電防護的技術通常采用2種措施：一種是“疏”的方式（如圖4所示），在線對對地間增加壓敏電阻等防護器件，它是通過鉗位電壓方式吸收超出鉗位電壓限制的能量來消減雷擊信號；一種是“堵”的方式（如圖5所示），在線對上插入高隔離變壓器，通過對雷電分壓的方法削減雷擊信號的侵入。根據(jù)最新標準，轉移系數(shù)標準為1/100，即：在10kV外部雷電信號侵入時，其信號要削減至100V以下，隔離變壓器方式對于雷電信號的防護沒有延時，不會由于器件的響應時間造成短時高電壓侵入。因ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)是浮地系統(tǒng)，故其采用后者縱向懸浮的隔離變壓器“堵”的方式。

圖2 雷電信號侵入途徑示意圖

圖3 雷擊故障樹

圖4 壓敏電阻縱向防護雷電原理

圖5 隔離變壓器縱向雷電防護原理

綜上所述，除因施工導致的雷電環(huán)境存在問題外，在高雷電信號條件下，軌道電路模擬網(wǎng)絡設備也會被擊穿而導致故障的發(fā)生。通過試驗再現(xiàn)以及對設備的排查分析，確定了軌道電路模擬網(wǎng)絡縱向隔離失效的原因是：室外側線纜（板條）與室內側線纜（板條）間出現(xiàn)了空氣擊穿，主要的因素有2點：1）底座端子的輸入輸出端子距離過近，如圖6所示；2）印制電路板上的室外側板條和室內側的板條排布距離不足。

圖6 模擬網(wǎng)絡底座端子實物圖

針對上述問題，設備研究單位提出：防雷模擬網(wǎng)絡盤內隔離變壓器室內側信號線在設備內采用絕緣導線方式直接引出至新增的獨立端子，現(xiàn)場可配線修改后直接更換設備，示意如圖7所示。

經(jīng)測試驗證，改造前該設備可防護4500V電纜側侵入的縱向雷電信號；改造后可防護電纜側侵入10000V縱向雷電信號。

綜上分析，導致雷擊故障的末端因素共計包含以下7點（如表3所示），對其在引發(fā)故障的條件及整改可行性進行了綜合分析，考慮“易實施”、“有效”的原則，確定了“現(xiàn)場環(huán)境整治”和“模擬網(wǎng)絡設備整改”同步展開的整治措施。

表3 雷擊故障的末端因素表

1）環(huán)境整治要求

根據(jù)多次現(xiàn)場雷擊故障調查中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)場環(huán)境存在的問題，結合相關規(guī)范，提出對于環(huán)境整治的6項主要要求：

a.電源防雷箱處的接地匯集線需單獨設置，不與其他地線混用。

b.電纜鋼帶、鋁護套不得深入室內過長。

c.規(guī)范接地匯集排的使用，嚴格執(zhí)行不同類型地線分開設置的原則。

d.去除防雷柜地線串接的閘刀及保險。

e.泄流導線就近連入，不得繞行。

f.完善補強電纜鋼帶及鋁護套的接地。

2）模擬網(wǎng)絡整治要求

模擬網(wǎng)絡盤設備采用返廠整修，現(xiàn)場更換的方式。為了最大限度地減少雷擊損壞設備對運輸?shù)挠绊?，按照雷害故障分布及影響嚴重程度合理排布，分批完成模擬網(wǎng)絡設備的整治工作。

4 整改效果

圖7 模擬網(wǎng)絡盤改造原理及實物圖

通過“現(xiàn)場環(huán)境整治”和“模擬網(wǎng)絡設備整改”的綜合整治，防雷導致的設備故障得到了大幅改善，其效果如下。

4.1 電磁環(huán)境整治

溫福線和福廈線在2010年和2011年雷害較多，共發(fā)生8次損壞軌道電路設備的情況，其在2011年9～10月曾根據(jù)現(xiàn)場調查情況進行了現(xiàn)場環(huán)境整治，2012年未再出現(xiàn)雷擊大面積損害設備的情況，由此看出整治效果較為明顯。

4.2 模擬網(wǎng)絡設備整改

對2013年至2014年8月的雷害故障進行跟蹤，分析了主要發(fā)生的6次雷擊故障情況（如表4所示）：3起發(fā)生在未進行模擬網(wǎng)絡整改的車站，均有發(fā)送器、接收器等室內電子設備損壞故障情況；另外3起發(fā)生在已經(jīng)完成了模擬網(wǎng)絡整改的車站，現(xiàn)場調查有2次造成了接觸網(wǎng)絕緣端子的碎裂，1次是廣深港汕尾站造成了大量其他設備損壞，包括電源屏、監(jiān)測機甚至應答器，初步判定應均為直擊雷，但這3起雷擊均沒有造成室內發(fā)送器、接收器等室內電子設備的損壞。其中一起發(fā)生在武廣線中繼49，該站在改造前，曾于2012年5月13日也有過雷擊故障，造成了發(fā)送器1臺、接收器4臺及衰耗器3臺設備故障，而改造后未再出現(xiàn)室內設備的故障。因此，模擬網(wǎng)絡設備整改克服了雷擊造成的發(fā)送器、接收器故障，其效果顯著。

5 后續(xù)的思考及工作措施

本次全路的整改工作得到了研究單位、現(xiàn)場運營維護單位、設備生產單位的大力支持，也取得顯著的實效。但是，本次整改工作，暴露出我國鐵路信號防雷技術仍比較薄弱，并且技術標準與相關規(guī)范也不夠完善,信號防雷技術的研究仍是一個長期不懈的工作。

表4 雷擊故障統(tǒng)計分析表

根據(jù)本文中對可能導致雷擊故障的各類末端因素的分析，本次僅從室內環(huán)境改善和設備耐受能力方面初步消除了現(xiàn)場的雷擊故障問題，如何更為有效的從綜合設計方面避免雷擊侵入，仍舊是一個尚待研究的課題。因此，希望有關研究單位繼續(xù)深追猛打、立足基礎性原理研究，對于“綜合接地引入接觸網(wǎng)桿塔反擊能量”、“室外電纜單端接地”和“通信桿塔與機械室環(huán)形地網(wǎng)共地”等問題展開更為深入的研究。為我國鐵路的信號防雷技術體系和技術標準的完善奠定技術基礎，為我國高鐵“走出去”戰(zhàn)略提供強有力的技術支撐。

[1]中華人民共和國鐵道部.TB/T3074-2003 鐵道信號設備雷電電磁脈沖防護技術條件[S].2003.

[2]中華人民共和國鐵道部.鐵運〔2006〕26號 鐵路信號設備雷電及電磁兼容綜合防護實施指導意見[S].2006.

[3]國家技術監(jiān)督局，中華人民共和國建設部.GB50057-2010 建筑物防雷設計規(guī)范[S].北京：中國建設出版社，2008.

This paper gives the statistic and the summary of lightning faults and characteristics of ZPW-2000A track circuit equipment used in dedicated passenger lines. Based on the block diagram of the ZPW-2000A track circuit, it introduces hot to fi nd out the ways to damage equipment by lightning and lighting protection weaknesses of the systems combining with the field investigation and lightning protection performance tests of related equipment, in order to implement lightning protection measures accordingly.

dedicated passenger line; track circuit equipment; lightning protection; remediation

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.02.001

2015-03-26）