全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中點(diǎn)燈控制電路的抗雷電沖擊性能分析與設(shè)計(jì)

蘇　琛，曠文珍，許　麗

(1.蘭州交通大學(xué)光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州　730070；2.蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，蘭州　730070)

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全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中點(diǎn)燈控制電路的抗雷電沖擊性能分析與設(shè)計(jì)

蘇琛1，曠文珍1，許麗2

(1.蘭州交通大學(xué)光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730070；2.蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，蘭州730070)

摘要：對(duì)全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中的信號(hào)點(diǎn)燈控制電路的雷電沖擊過(guò)程建立電流模型；在建立的模型基礎(chǔ)上，分析、計(jì)算點(diǎn)燈控制回路中電纜長(zhǎng)度、電纜芯數(shù)、電子開關(guān)內(nèi)阻、防雷器件等參數(shù)對(duì)控制回路中關(guān)鍵器件——電子開關(guān)的抗雷電沖擊的影響，分析結(jié)果能為全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中信號(hào)點(diǎn)燈控制回路電子開關(guān)的參數(shù)選取提供重要的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鐵路信號(hào)；全電子；計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖；點(diǎn)燈電路；雷電；沖擊

1概述

《鐵路信號(hào)設(shè)備雷電及電磁兼容綜合防護(hù)實(shí)施指導(dǎo)意見(jiàn)》中對(duì)全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中的信號(hào)機(jī)的防雷做了詳細(xì)規(guī)定，并有相應(yīng)的防雷電路圖[1]。隨著全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的廣泛推廣應(yīng)用，作為電子化、智能化的信號(hào)設(shè)備，其抗雷電性能受到很大的關(guān)注。信號(hào)點(diǎn)燈控制回路作為全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的核心控制電路，必須保證在《鐵道信號(hào)設(shè)備雷電電磁脈沖防護(hù)技術(shù)條件》中規(guī)定的沖擊等級(jí)下能穩(wěn)定、可靠地工作，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)控制回路中的關(guān)鍵器件需要選擇與其抗沖擊能力相匹配的參數(shù)。本文對(duì)全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中的信號(hào)點(diǎn)燈控制電路的雷電沖擊電流建立模型；在建立模型基礎(chǔ)上，分析、計(jì)算點(diǎn)燈控制回路中電纜長(zhǎng)度、電纜芯數(shù)、防雷器件等參數(shù)對(duì)控制回路中關(guān)鍵器件——電子開關(guān)的抗雷電沖擊的影響，分析結(jié)果能為全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中信號(hào)點(diǎn)燈控制回路電子開關(guān)的參數(shù)選取提供重要的參考依據(jù)。

2點(diǎn)燈控制回路雷電沖擊模型的建立

2.1雷電模型

點(diǎn)燈控制電路通過(guò)信號(hào)傳輸電纜直接與室外的信號(hào)機(jī)相連，采用試驗(yàn)等級(jí)三級(jí)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，采用10/700 μs波形，線地試驗(yàn)電壓2 kV[2]進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。電壓沖擊波形如圖1所示。其中波前時(shí)間

T1=1.67×T=10×(1±30%)μs

半峰值時(shí)間

T2=700×(1±20%) μs

圖1　電壓模型

對(duì)于圖1浪涌沖擊電壓波形進(jìn)行曲線函數(shù)擬合，擬合后的電壓曲線波形函數(shù)近似為

2.2點(diǎn)燈控制電路圖

全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中的調(diào)車信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈控制電路如圖2所示[3]。其中，K1、K2、K3為電子開關(guān)，B和A為室外調(diào)車信號(hào)燈的蘭、白燈，SPD1、SPD2、SPD3為安裝在防雷分線柜上的信號(hào)傳輸線防雷保安器，T1、T2為室外信號(hào)燈變壓器。

圖2　調(diào)車信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈控制電路原理

點(diǎn)燈控制電路正常工作情況下，開關(guān)K1、K2閉合、K3斷開，點(diǎn)亮調(diào)車信號(hào)機(jī)的蘭燈；開關(guān)信號(hào)機(jī)的K1、K3閉合、K2斷開，點(diǎn)亮調(diào)車白燈。由于藍(lán)燈和白燈控制電路具有對(duì)稱性，選取藍(lán)燈控制電路進(jìn)行分析。室外信號(hào)設(shè)備在遇到雷電時(shí)，尤其是嚴(yán)重的雷擊過(guò)后，產(chǎn)生的巨大電流會(huì)沿著電纜線路傳遞[4]，電纜的長(zhǎng)度、芯數(shù)等參數(shù)對(duì)于雷電在電纜的傳遞有嚴(yán)重影響，因此在等效電路中必須考慮電纜參數(shù)對(duì)于整個(gè)回路里電流的影響，等效電路圖如圖3所示。其中，F(xiàn)(t)為雷電脈沖；RK1、RK2為開關(guān)K1、K2的內(nèi)阻；R1、R2為電纜電阻；ZT為變壓器阻抗；Z1、Z2為電纜線對(duì)地阻抗。

圖3　等效電路

3雷電沖擊電流的計(jì)算

防雷保安器SPD遭受雷電時(shí)會(huì)對(duì)地泄流，來(lái)防止雷電對(duì)于動(dòng)作開關(guān)的沖擊。室外信號(hào)設(shè)備的防雷保安器限制電壓700 V[5]，所以SPD當(dāng)浪涌沖擊電壓大于700 V時(shí)，SPD才響應(yīng)，才對(duì)地泄流。當(dāng)浪涌沖擊電壓小于700 V時(shí)，雷電對(duì)動(dòng)作開關(guān)造成沖擊，所以需要計(jì)算在SPD響應(yīng)之前雷電對(duì)于動(dòng)作開關(guān)的沖擊電流。

在SPD響應(yīng)之前，根據(jù)雷電電壓波形的函數(shù)，可以得出當(dāng)浪涌沖擊電壓小于700 V時(shí)電壓曲線波形函數(shù)公式F(t)=2×108t(0≤t≤3.5μs)根據(jù)圖3的等效電路可以看到，當(dāng)雷電脈沖沖擊點(diǎn)燈電路時(shí)，SPD1會(huì)先于SPD2響應(yīng)。用10/700 μs組合波發(fā)生器模擬雷電。利用網(wǎng)孔分析法分析電路[6]，其電路圖如圖4所示，網(wǎng)孔電流為I1、I2、I3，其中I3為通過(guò)動(dòng)作開關(guān)的沖擊電流，交流電源為AC220V ，輸出內(nèi)阻R=10 Ω[7]，雷電脈沖函數(shù)為F(t)，輸出電阻R3=40 Ω[3]，開關(guān)電阻RK1=RK2=RK=0.5 Ω[8]，電纜電阻R1=R2=Rd，電纜線對(duì)地阻抗Z1=Z2=Z。對(duì)參數(shù)的計(jì)算分別如下。

(1)信號(hào)傳輸電纜線采用鐵路信號(hào)電纜，以型號(hào)PTYA23為例，其直流電阻規(guī)定小于等于23.5 Ω/km[9]，所以電阻Rd=0.235lΩ(l為電纜長(zhǎng)度)。

(2)PTYA23型號(hào)電纜對(duì)地絕緣電阻r≥3 000 MΩ/km[10]，對(duì)地電容公式

其中，ε0為真空介電常數(shù)；n為電纜芯數(shù)；l為電纜長(zhǎng)度；ε為絕緣材料相對(duì)介質(zhì)常數(shù)對(duì)于聚乙烯絕緣，ε=23[10]；ε0=8.86×10-12F/m；Di絕緣層外徑；Dc導(dǎo)電線芯外徑。為方便計(jì)算可以寫成公式

其中，G為幾何因數(shù)，根據(jù)查表G=2.0[8]。所以電容c的阻抗

所以電纜線對(duì)地阻抗

變壓器的二次線圈的負(fù)載為信號(hào)燈，信號(hào)燈功率P=41 W[12]，假設(shè)BX1-34為理想變壓器，根據(jù)理想變壓器的負(fù)載轉(zhuǎn)換[6]，等效的變壓器阻抗ZT為

圖4　網(wǎng)孔分析電路

通過(guò)動(dòng)作開關(guān)的電路I3

其中電纜芯數(shù)n的規(guī)格為：4、6、8、9、12、14、16、19、21、24、28、30、33、37、42、44、48、52、56、61[9]，電纜長(zhǎng)度l取0～5 km不同的值。

當(dāng)電纜芯數(shù)n取4、14、48、61，電纜長(zhǎng)度l取0～5 km不同的值時(shí)，對(duì)于電子開關(guān)的沖擊峰值電流仿真曲線如圖5所示，沖擊電流的波形如圖5中小圖所示。

圖5　沖擊電流仿真曲線

當(dāng)電纜長(zhǎng)度l取1、2、5 km，電纜芯數(shù)n取4～61不同的值時(shí)，對(duì)于電子開關(guān)的沖擊峰值電流仿真曲線如圖6所示。

圖6　沖擊電流仿真曲線

4結(jié)論

本文通過(guò)電路分析的方法計(jì)算了在SPD響應(yīng)之前雷電對(duì)于動(dòng)作開關(guān)的沖擊電流波形(如圖5和圖6所示)，分析可以得出：當(dāng)電纜芯數(shù)小于28時(shí)，沖擊電流的峰值的大小會(huì)隨著電纜的長(zhǎng)度l的增加而變大，因此電纜芯數(shù)n=28并且電纜長(zhǎng)度l=5 km時(shí)，雷電對(duì)于動(dòng)作開關(guān)沖擊電流最大，峰值電流Imax=1.752 A；當(dāng)電纜芯數(shù)為大于28時(shí)，沖擊電流的峰值在2 km達(dá)到最大，因此電纜芯數(shù)n=61并且電纜長(zhǎng)度l=2 km時(shí)，雷電對(duì)于動(dòng)作開關(guān)沖擊電流最大，峰值電流Imax=2.034 A；總結(jié)上述兩種情況可以得出：當(dāng)電纜芯數(shù)n=61并且電纜長(zhǎng)度l=2 km時(shí)，雷電對(duì)于動(dòng)作開關(guān)的沖擊電流最大，峰值電流為Imax=2.034 A，所以在選擇動(dòng)作開關(guān)的時(shí)候應(yīng)該考慮動(dòng)作開關(guān)的抗雷電沖擊的電流大于峰值電流2.034 A，以確保雷電對(duì)于開關(guān)的沖擊電流在可以承受的范圍以內(nèi)。

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Analysis and Design of Lightning Resistance Ability of Signal lightning Control Circuit for All-electronic Computer Interlocking System

SU Chen1， KUANG Wen-zhen1， XU Li2

(1.Key Laboratory of Opto-electronic Technology and Intelligent Control， Ministry of Education， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China; 2.School of Automation and Electrical Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China)

Abstract：This paper establishes a current model for the lighting impulse process of the signal lighting control circuit for all-electronic computer interlocking system to analyze the effects of such parameters as the cable length， the number of cable cores， the electronic switch internal resistance and the lighting resistance devices on the lighting resistance of such key device as electronic switch. The results can provide important references for the computer based interlocking system.

Key words：Railway signaling; all-electronic; Computer interlocking; Signal lightning control circuit; Lightning; Impulse

文章編號(hào)：1004-2954(2016)05-0137-03

收稿日期：2015-07-27； 修回日期：2015-09-02

基金項(xiàng)目：甘肅省青年科技基金計(jì)劃項(xiàng)目(1308RJYA096)；甘肅省高?？蒲许?xiàng)目(2013A-050)

作者簡(jiǎn)介：蘇琛(1990—)，男，碩士研究生，E-mail：kuangwz@mail.lzjtu.cn。

中圖分類號(hào)：U284.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.030