軌道電路的雷擊侵入路徑分析

赫忠良，王福文，林智文

（中國(guó)鐵路哈爾濱局集團(tuán)有限公司電務(wù)部，哈爾濱 150006）

1 概述

在電氣電子設(shè)備大量上道的今天，為保證其可靠應(yīng)用，必須為其打造一個(gè)優(yōu)良的電磁環(huán)境。說(shuō)到優(yōu)良的電磁環(huán)境，就必須提到防雷電脈沖及靜電干擾。而信號(hào)系統(tǒng)是鐵路的重要組成部分，對(duì)保證列車(chē)的行車(chē)安全和運(yùn)輸效率至關(guān)重要。

在中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司及各鐵路局集團(tuán)公司的重視下，鐵路信號(hào)設(shè)備建設(shè)天網(wǎng)、地網(wǎng)、法拉第籠，并對(duì)室內(nèi)機(jī)柜、機(jī)架管線進(jìn)行了等電位連接，在高速鐵路及電氣化區(qū)段設(shè)置貫通地線，并與地網(wǎng)進(jìn)行等電位連接，為室內(nèi)信號(hào)設(shè)備可靠運(yùn)用營(yíng)造一個(gè)優(yōu)良的雷電及電磁環(huán)境，而室外信號(hào)設(shè)備由于裸露于軌旁，其雷電環(huán)境則相對(duì)惡劣的多。軌道電路利用沿鋼軌線敷設(shè)的信號(hào)電纜進(jìn)行室內(nèi)、室外的連接，弱電系統(tǒng)也通過(guò)電纜與室外軌旁信號(hào)設(shè)備、鋼軌、綜合接地系統(tǒng)進(jìn)行電氣連接，是雷電信號(hào)侵入軌道電路設(shè)備的重要途徑。

雖然目前鐵路信號(hào)系統(tǒng)具有規(guī)范的防雷及綜合接地系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行雷電防護(hù)，但是發(fā)生雷擊故障后，大都僅憑現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)判斷，本文以軌道電路經(jīng)典的雷電入侵方式為例，闡述雷電在軌道電路的侵入途徑。

2 ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)構(gòu)成

ZPW-2000A 軌道電路系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)普遍使用的軌道電路制式，其室外部分包含傳輸電纜、鋼軌、空心線圈、匹配變壓器、調(diào)諧單元、補(bǔ)償電容等，室內(nèi)部分包括發(fā)送器、接收器、衰耗器、防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤(pán)等電子設(shè)備。室外與牽引供電系統(tǒng)緊緊相鄰，包含AF 線、PW 線、T 線和接觸線、接觸網(wǎng)桿等，牽引供電系統(tǒng)的接觸網(wǎng)桿沿鋼軌豎立，網(wǎng)桿底部接入貫通地線，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of ZPW-2000A track circuit system

ZPW-2000A 軌道電路室外信號(hào)電纜的電纜外皮與相鄰的接地接觸網(wǎng)桿塔共同采用一個(gè)貫通地線接地點(diǎn)，換而言之，接觸網(wǎng)桿塔與信號(hào)電纜外皮等電位相連，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 室外電纜接地圖Fig.2 Outdoor cable grounding diagram

3 直擊雷侵入路徑分析

2014 年5 月23 日18:52 ～21:48，雷 擊造 成 某站下行區(qū)間21911AG 紅光帶。該次直擊雷造成21911AG 受端處接觸網(wǎng)桿絕緣子擊穿、21911AG受端PT 損壞、21911AG 電纜芯線斷線。本文將以此故障案例作為分析對(duì)象。

3.1 雷電活動(dòng)情況

該站地理坐標(biāo)為東經(jīng)113.174°、北緯23.771°，通過(guò)調(diào)閱中國(guó)電網(wǎng)雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的雷電數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)日18:00～22:00 之間，該處雷電活動(dòng)頻繁，雷電流幅值范圍約為30～60 kA。

3.2 設(shè)備損壞情況

經(jīng)過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)損壞設(shè)備情況如下。

3.2.1 牽引供電設(shè)備損壞情況

21911AG 受端附近的接觸網(wǎng)桿T 線絕緣子被擊穿，絕緣子損壞情況如圖3 所示。

圖3 雷擊位置圖Fig.3 Position struck by lightning

3.2.2 軌道電路設(shè)備損壞情況

1) 21911AG 受端分支電纜芯線斷線，如圖4 所示。

圖4 電纜灼傷實(shí)物圖Fig.4 Photo of burnt cables

2) 21911AG 受端PT 損壞，其中E1、E2 萬(wàn)可端子附近的V1-V2 金屬連接片有明顯灼燒痕跡，如圖5 所示。

3.3 雷電侵入路徑分析

圖5 雷擊位置圖Fig.5 Spot struck by lightning in PT

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該故障明顯是一起直擊雷故障，且發(fā)現(xiàn)雷擊接觸網(wǎng)桿和損壞的PT 距離很近，如圖6 所示。根據(jù)雷擊現(xiàn)場(chǎng)位置、損壞設(shè)備情況及雷電泄放機(jī)理，抽象出雷擊后雷電流泄放通道如圖7 所示，即PW 線、AF 線或T 線→接觸網(wǎng)桿→貫通地→電纜外皮→電纜芯線→PT →鋼軌→遠(yuǎn)方的地。雷電侵入軌道電路的過(guò)程簡(jiǎn)述如下。

圖6 損壞PT現(xiàn)場(chǎng)位置圖Fig.6 Position of onsite PT struck by lightning

圖7 雷電流泄放路徑圖Fig.7 Diagram of the path of lightning current discharge

1）雷的引入：雷的引入途徑可能有兩種：一是雷電直接擊中接觸網(wǎng)桿、PW 線，雷電流直接入地，同時(shí)把絕緣子擊穿；二是雷電擊中AF 線或者T 線（接觸線），使得其與接觸網(wǎng)桿產(chǎn)生高電位差，將絕緣子擊穿，然后雷電流通過(guò)接觸網(wǎng)桿入地。

2）地電位升、電纜外皮擊穿：雷擊后，入地雷電流急劇增大，使得地電位急劇抬升。由于此處電纜的外皮接地，所以電纜外皮電位也隨之抬升，從而在電纜外皮和芯線間產(chǎn)生非常大的電位差，造成電纜外皮和芯線間絕緣被擊穿。

3）PT 擊穿、產(chǎn)生紅光帶：雷電流通過(guò)電纜芯線進(jìn)入PT，在E1、E2 處產(chǎn)生高電位，從而造成E1、E2 端子與鋼軌側(cè)端子放電，雷電流經(jīng)鋼軌向遠(yuǎn)處低電位處泄放。此過(guò)程中PT 被擊穿損壞，軌道電路產(chǎn)生紅光帶。

4 雷感應(yīng)雷侵入路徑分析

2017 年8 月27 日19:00:53，某站區(qū)間下行線15607G、上行線15604G 出現(xiàn)紅光帶，20:14 電務(wù)段簽認(rèn)設(shè)備恢復(fù)正常，影響客車(chē)4 列、貨車(chē)4 列，故障持續(xù)時(shí)間74 min。

4.1 雷電活動(dòng)情況

經(jīng)雷電監(jiān)測(cè)信息查詢(xún)，發(fā)現(xiàn)故障當(dāng)天19:00 故障區(qū)間附近雷電活動(dòng)頻繁，根據(jù)區(qū)域附近故障時(shí)段內(nèi)11 次雷電的具體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，其中距離區(qū)段較近處形成過(guò)一次大幅值對(duì)地雷電流，其雷擊監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為：8 月27 日19:00:32.309，在北緯27.5462，東經(jīng)109.8747 地點(diǎn)，雷擊主放電之后伴隨1 次回?fù)?，幅值達(dá)到254.4 kA，距離故障區(qū)段6 297 m。（鋼軌區(qū)段坐標(biāo)：北緯27.5414，東經(jīng)109.8111 至北緯27.5322，東經(jīng)109.8061）。

4.2 設(shè)備損壞情況

此次設(shè)備損壞情況如下。

1）室內(nèi)兩個(gè)15607GJS、15604BGJS 接收器損壞，一個(gè)衰耗采集盒損壞。

2）一個(gè)發(fā)送器報(bào)警未損壞。

4.3 雷電侵入路徑分析

通過(guò)對(duì)區(qū)域雷電數(shù)據(jù)、機(jī)械室布局、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布線接地情況和室內(nèi)損壞設(shè)備的分析，認(rèn)為造成此次雷擊故障的主要原因是室外感應(yīng)雷電流入侵。

入侵通道如圖8 所示。

圖8 雷電入侵通道Fig.8 Path of Lightning

由于鋼軌區(qū)段附近有254.4 kA 大幅值雷電流對(duì)地放電，鋼軌上產(chǎn)生感應(yīng)雷電流，形成高電位端。雷電流通過(guò)室外電纜的內(nèi)屏蔽層和芯線進(jìn)入室內(nèi)，由于室內(nèi)外電纜在柜上線槽存在并行走線，雷電流感應(yīng)耦合至室內(nèi)組合柜至移頻柜的電纜上，進(jìn)入接收器形成高電位。因?yàn)榻邮掌魍鈿そ佑诎踩兀ǖ碗娢唬?，接收器?nèi)形成電位差，放電造成接收器損壞，形成雷電流的泄放通路，雷電流從接收器外殼通過(guò)安全地流向室外低電位。

4.4 室內(nèi)接口柜接地建議

由于ZPW-2000A 軌道電路的接口柜是室內(nèi)外電纜的分界處，也是臟線、凈線的分界，接口柜上有防雷地FLE 和屏蔽地PBE（以前叫DLE），針對(duì)這兩個(gè)地應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

1）防雷地FLE 與機(jī)柜柜體絕緣，屏蔽地PBE與機(jī)柜柜體良好導(dǎo)通連接。

2）防雷地FLE：機(jī)柜內(nèi)電纜側(cè)信號(hào)線纜屏蔽層單端接地至機(jī)柜防雷地FLE 銅牌；防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤(pán)端子35、分線采集器端子25 連接至組匣背面接地銅條，由組匣接地銅條連接至機(jī)柜防雷地FLE 銅牌。

3）屏蔽地PBE：機(jī)柜內(nèi)設(shè)備側(cè)信號(hào)線纜屏蔽層單端接地至機(jī)柜屏蔽地PBE 接地銅牌；CAN 總線屏蔽層單端接至機(jī)柜屏蔽地PBE 接地銅牌。

5 結(jié)論

本文以?xún)善鹄讚艄收蠟槔?，講述直擊雷和感應(yīng)雷兩種雷電流在軌道電路上的侵入路徑，并提出軌道電路接口柜接地建議，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)雷電防護(hù)和雷擊故障分析具有一定指導(dǎo)意義。