基于層次分析法的高速鐵路信號系統(tǒng)雷害風(fēng)險評價

王州龍，孫建國，張 賓，靳邵云

高速鐵路作為大容量公共交通工具,其安全性直接關(guān)系到乘客的生命安全［1］。信號系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著各種行車設(shè)備的控制和行車信息的傳輸,在高速鐵路中有著舉足輕重的地位,更是保障高速鐵路運營安全、杜絕事故發(fā)生的重要基礎(chǔ)［2］。

我國高速鐵路多采用高架方式,牽引供電接觸網(wǎng)的導(dǎo)線對地高度明顯增加,接近甚至超過了電力系統(tǒng)110 kV輸電線路［3］,而信號設(shè)備多采用大規(guī)模集成電路和低耐壓器件,耐過能量不高,對外界電磁感應(yīng)更加敏感,承受雷擊電磁瞬態(tài)干擾能力不強(qiáng),遭雷擊損壞或不正常工作的概率普遍增加。

目前,高速鐵路信號系統(tǒng)雷電防護(hù)還局限于定性描述防護(hù)策略階段,對現(xiàn)有信號系統(tǒng)雷電防護(hù)措施的評價主要基于經(jīng)驗判斷,對于高鐵信號系統(tǒng)雷害風(fēng)險的認(rèn)識比較模糊,許多潛在的雷害風(fēng)險尚未完全掌握。而高速鐵路多為長距離線路,受鐵路沿線不同雷暴、土壤電阻率區(qū)域及雷電強(qiáng)度的影響,對信號設(shè)備造成影響的差別很大,用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來考量信號設(shè)備的防雷可靠性,容易出現(xiàn)防護(hù)盲點。調(diào)查發(fā)現(xiàn)線路信號樓內(nèi)信號設(shè)備遭雷擊損壞的風(fēng)險程度,與設(shè)備端口的感應(yīng)過電壓值、信號設(shè)備自身耐雷電沖擊水平及防護(hù)措施有關(guān)。

國際電工委員會率先將風(fēng)險評估引至建筑物雷電防護(hù)中,提出雷害風(fēng)險評估體系,核心是以雷電活動頻度、地閃密度、雷暴日等數(shù)據(jù)作為風(fēng)險分析因子,通過對風(fēng)險因子計算進(jìn)行概率統(tǒng)計,但這種概率統(tǒng)計方法并不能定量確定系統(tǒng)的雷害風(fēng)險。華北電力大學(xué)的邊凱［4］建立了高鐵牽引網(wǎng)雷電過電壓計算模型,計算了不同橋高下雷擊跳閘率風(fēng)險；程宏波等［5］通過確定牽引供電系統(tǒng)各部分雷擊危險區(qū)的大小,對高鐵牽引供電系統(tǒng)各部分遭受雷擊損害的風(fēng)險程度進(jìn)行評估；國家電網(wǎng)的谷山強(qiáng)等［6］對高速鐵路牽引供電系統(tǒng)雷害風(fēng)險評估做了相關(guān)研究；趙淳等［7］提出了全層級電網(wǎng)雷害風(fēng)險評價體系,但均未對高速鐵路信號進(jìn)行系統(tǒng)級的雷害風(fēng)險評價方法研究。

為此,本文在獲取線路信息和雷電參數(shù)信息的基礎(chǔ)上,利用信號系統(tǒng)雷擊瞬態(tài)模型［8］計算設(shè)備雷擊過電壓,并試驗研究信號設(shè)備自身耐雷電沖擊水平,嘗試建立一套基于定量計算的、多層次分析的方法［9］,根據(jù)風(fēng)險評價結(jié)果及時采取相應(yīng)的防護(hù)措施,徹底規(guī)避不可接受風(fēng)險。

1 信號系統(tǒng)雷擊侵入途徑

本文以CTCS-2級列控系統(tǒng)地面子系統(tǒng)（包括軌道電路、列控中心、LEU等）及聯(lián)鎖系統(tǒng)為例,介紹雷擊侵入導(dǎo)致信號系統(tǒng)過電壓的途徑。

雷擊導(dǎo)致信號系統(tǒng)過電壓主要有3種途徑:①雷擊附近大地,在信號電纜內(nèi)感應(yīng)過電壓,并傳導(dǎo)到信號設(shè)備端口,這種情況在鐵路信號系統(tǒng)中最為常見,室外遭受強(qiáng)雷擊侵?jǐn)_時,鋼軌或電纜感應(yīng)過高的雷擊瞬態(tài)過電壓,雖然經(jīng)過一次、二次成端的屏蔽接地處理和分線柜防護(hù),但仍有較高的雷電過電壓侵入信號設(shè)備端口,典型雷電侵入信號系統(tǒng)途徑見圖1；②雷擊附近高建筑引起地電位反擊；③雷擊遠(yuǎn)端或附近大地,在信號樓內(nèi)的傳輸線纜上電磁耦合產(chǎn)生過電壓。

圖1 典型雷電侵入信號系統(tǒng)途徑示意圖

2 信號系統(tǒng)雷害風(fēng)險評價體系實現(xiàn)

建立信號系統(tǒng)雷害風(fēng)險評價體系,可以從項目設(shè)計、實施、維護(hù)等全生命周期,對鐵路信號系統(tǒng)防雷工作予以指導(dǎo),采用更可靠的信號系統(tǒng)防雷方案,使信號系統(tǒng)雷害風(fēng)險在可接受水平,以確保信號系統(tǒng)雷電防護(hù)安全。本文提出基于定量計算的、多層次分析的信號系統(tǒng)雷害風(fēng)險評價方法,總流程見圖2,具體流程如下。

圖2 高速鐵路信號系統(tǒng)雷害風(fēng)險評價總流程

1）雷電及線路信息獲取。可采用分區(qū)段統(tǒng)計法,統(tǒng)計該區(qū)段軌道兩側(cè)一定范圍、一定時間內(nèi)超過一定幅值的雷電信息（即危險雷電）。線路信息包括線路特征信息、線路地理信息等。線路特征信息包括軌道高度、土壤電阻率等；線路地理信息包括高鐵線路的區(qū)段坐標(biāo)、經(jīng)緯度坐標(biāo)、海拔高度等。

2）區(qū)段內(nèi)各信號子系統(tǒng)雷擊過電壓計算。根據(jù)線路危險雷電信息,結(jié)合線路地理信息、線路特征信息,利用信號系統(tǒng)雷擊瞬態(tài)模型,計算信號設(shè)備端口雷擊過電壓。可采用基于頻域參數(shù)提取和矢量匹配擬合技術(shù)的雷擊瞬態(tài)建模方法,建立信號設(shè)備雷擊瞬態(tài)模型。

3）信號子系統(tǒng)設(shè)備耐雷電沖擊水平研究。采用試驗室模擬雷擊試驗的方法,試驗各信號系統(tǒng)設(shè)備端口的耐雷電沖擊水平。

4）信號子系統(tǒng)雷害風(fēng)險等級分析及評價。劃分信號系統(tǒng)雷害風(fēng)險等級,建立信號子系統(tǒng)雷害風(fēng)險矩陣；依據(jù)信號子系統(tǒng)端口雷擊過電壓與耐雷電沖擊水平比較計算結(jié)果,得到區(qū)段內(nèi)各信號子系統(tǒng)雷害風(fēng)險等級；根據(jù)風(fēng)險等級分析結(jié)果,提出評價結(jié)果和防護(hù)改進(jìn)措施,確定線路中易發(fā)生雷害的信號子系統(tǒng)。

3 信號系統(tǒng)雷害風(fēng)險評價體系應(yīng)用

以發(fā)生過雷擊故障的某高鐵線路為例,基于雷擊故障時間段雷電監(jiān)測數(shù)據(jù),對信號系統(tǒng)進(jìn)行雷害風(fēng)險評價研究。本例中雷電參數(shù)獲取自有關(guān)部門雷電監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)。

3.1 參數(shù)獲取

1）線路信息:線路全長約21 km,分為28個段,故障發(fā)生在4-5段,為高架段,橋高16 m,軌道高度近似設(shè)定為16 m,土壤電阻率ρ=100Ω·m。

2）雷電參數(shù):根據(jù)雷電監(jiān)測數(shù)據(jù),4-5段某日19:00:00～20:30:00時間段沿線走廊共記錄發(fā)生雷擊26次,120 m內(nèi)雷擊5次,其中超過30 kA的危險雷電共4次,分別為5號（?52.5 kA,66 m）、15號（?45.0 kA,40 m）、22號（?30.4 kA,69 m）和26號（?48.6 kA,16 m）。

3.2 信號子系統(tǒng)雷擊過電壓計算

設(shè)定條件:雷電回?fù)綦娏鞑^時間為2.6μs,半峰值時間為50μs,通信信號電纜采用單端接地方式,考慮在嚴(yán)苛情況下,雷電回?fù)敉ǖ勒龑ξ恢秒娎|護(hù)套不接地,1 km外鎧裝、護(hù)套、屏蔽層接地。

利用瞬態(tài)計算模型,對危險雷電分別計算其在軌道電路系統(tǒng)各單元瞬態(tài)過電壓值?？紤]到雷擊地面感應(yīng)雷的作用范圍、雷電監(jiān)測網(wǎng)定位誤差等因素,本文采取典型最低邊界條件計算方法,對超過30 kA但未超60 kA的雷擊按30 kA考慮；0～30 m范圍的雷擊按30 m考慮,30～60 m范圍的雷擊按60 m考慮,60～120 m范圍的雷擊按120 m考慮。分別計算雷擊點距軌道30、60、120 m時,在電纜芯線及軌道電路系統(tǒng)各單元瞬態(tài)過電壓值,見表1。結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)可以得出,15號雷電在模擬網(wǎng)絡(luò)盤末端,過電壓可達(dá)到或超過5.02 kV；26號雷電在模擬網(wǎng)絡(luò)盤末端,過電壓可達(dá)到或超過10.47 kV；5號和22號雷電在模擬網(wǎng)絡(luò)盤末端,過電壓可達(dá)到或超過1.01 kV。

表1 軌道電路各單元雷擊瞬態(tài)過電壓值（雷電流30 k A）

對于只有室內(nèi)信號傳輸線的設(shè)備端口,可按格柵空間屏蔽衰減模型,計算雷電在信號機(jī)房內(nèi)線路感應(yīng)的電壓等級。假定該站信號樓機(jī)房等效沖擊接地電阻為0.2Ω,雷擊在距車站信號機(jī)房100 m遠(yuǎn)處,車站屏蔽為5 m×5 m的鋼混結(jié)構(gòu),鋼筋直徑20 mm,機(jī)房內(nèi)信號線與地線構(gòu)成10 m×3 m的環(huán)路。通過計算可得50 kA后續(xù)雷擊在信號線路內(nèi)感應(yīng)的電壓為7 217 V,30 kA后續(xù)雷擊在信號線路內(nèi)感應(yīng)的電壓為4 329 V。

3.3 信號設(shè)備耐雷電沖擊水平

采用最小系統(tǒng)動態(tài)沖擊試驗的方法,即對設(shè)備進(jìn)行最小系統(tǒng)級聯(lián),并使之處于正常工作狀態(tài),在設(shè)備接口不加裝浪涌保護(hù)器（SPD）的條件下,按照《鐵路通信信號設(shè)備雷擊試驗方法》（TB/T 3498—2018）中規(guī)定的模擬雷電沖擊波形,對試驗接口從低到高逐漸增加沖擊電壓進(jìn)行沖擊試驗,采用示波器監(jiān)測被試接口,直到設(shè)備工作狀態(tài)發(fā)生故障或錯誤狀態(tài)時,記錄并確定被測接口電壓波形,通過數(shù)據(jù)分析得到設(shè)備接口的耐沖擊水平。

根據(jù)TB/3498—2018要求,軌道電路設(shè)備電源端口采用1.2/50～8/20μs組合波沖擊試驗,其他通信端口采用10/700～5/320μs組合波沖擊試驗。

分別對該站計算機(jī)聯(lián)鎖、ZPW-2000A軌道電路、列控中心等子系統(tǒng)進(jìn)行試驗室設(shè)備耐雷電沖擊水平試驗,得到各子系統(tǒng)設(shè)備耐雷電沖擊水平值,見表2。幾種設(shè)備縱向耐沖擊水平差別較大,在2 k～4 kV之間；軌道電路CAND通信單元橫向耐雷電沖擊水平值很低。由前述空間屏蔽衰減模型計算結(jié)果可知,危險雷電在信號樓內(nèi)傳輸線纜電磁耦合產(chǎn)生的過電壓,可遠(yuǎn)超信號設(shè)備縱向耐沖擊水平,會造成系統(tǒng)擊穿損壞。

表2 信號設(shè)備耐雷電沖擊水平值

3.4 信號系統(tǒng)雷害風(fēng)險等級分析

根據(jù)EN50126對信號系統(tǒng)安全等級劃分的方法及ALARP原則,結(jié)合信號系統(tǒng)雷害風(fēng)險特點,將信號系統(tǒng)雷害風(fēng)險等級劃分為R1、R2、R3和R4等級。R1為不容許的風(fēng)險,R2為不希望的風(fēng)險,R3為可容許的風(fēng)險,R4為可忽略的風(fēng)險。

根據(jù)雷擊過電壓與設(shè)備耐雷電沖擊水平比較結(jié)果,結(jié)合信號設(shè)備安裝SPD的情況,將信號設(shè)備雷擊嚴(yán)重程度也分為C1～C4共4級。C1表示信號設(shè)備未安裝SPD,雷擊過電壓超過設(shè)備耐沖擊水平；C2表示信號設(shè)備按要求安裝了SPD,雷擊后殘壓超過設(shè)備耐沖擊水平；C3表示信號設(shè)備未安裝SPD,雷擊過電壓未超過設(shè)備耐沖擊水平；C4表示信號設(shè)備按要求安裝了SPD,雷擊后殘壓未超過設(shè)備耐沖擊水平。

在EN50126中推薦的6×4風(fēng)險矩陣基礎(chǔ)上,結(jié)合信號設(shè)備雷害風(fēng)險等級和雷擊嚴(yán)重程度,建立信號設(shè)備雷害風(fēng)險矩陣表,見表3。

表3 信號系統(tǒng)雷害風(fēng)險矩陣

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),該站信號系統(tǒng)設(shè)備的防護(hù)情況是:聯(lián)鎖子系統(tǒng)各接口都安裝了浪涌保護(hù)器防護(hù)；列控中心驅(qū)動采集單元電源回路未合理防護(hù),列控中心其他各接口都安裝了SPD防護(hù)；軌道電路縱向都未防護(hù),橫向雖然安裝了SPD,但SPD的殘壓遠(yuǎn)超其80 V的耐雷電沖擊水平。比較設(shè)備接口雷擊過電壓與耐雷電沖擊水平,依據(jù)比較計算結(jié)果和雷害風(fēng)險矩陣,統(tǒng)計出不同雷擊后果嚴(yán)重程度的數(shù)量,得到各信號子系統(tǒng)雷害風(fēng)險等級,形成信號子系統(tǒng)雷害風(fēng)險評價結(jié)果,見表4。

表4 信號子系統(tǒng)雷害風(fēng)險評價結(jié)果

1）列控中心驅(qū)動采集單元雷害風(fēng)險屬于R1級,風(fēng)險不可以接受,必須采取強(qiáng)制性風(fēng)險降低措施,并在運營維護(hù)中重點加強(qiáng)監(jiān)測和分析；列控中心其他設(shè)備接口風(fēng)險屬于R4級,即風(fēng)險水平較低,風(fēng)險可以忽略,只需要在運營維護(hù)中進(jìn)行定期防雷安全檢查。

2）計算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備接口風(fēng)險水平較低,風(fēng)險可以忽略,只需在運營維護(hù)中進(jìn)行定期防雷安全檢查。

3）ZPW-2000A軌道電路所有接口雷害風(fēng)險屬于R1級,風(fēng)險不可接受,必須采取強(qiáng)制性風(fēng)險降低措施,并在運營維護(hù)中重點加強(qiáng)監(jiān)測和分析。

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)該區(qū)段某站實際雷害故障情況是:車站列控中心驅(qū)動采集單元的采集電路電源回路熔斷器熔斷,軌道電路4個發(fā)送盒、2個接收盒被雷擊損壞,軌道電路與列控中心信號傳輸?shù)腃AN總線阻抗下降,軌道電路與列控中心通信故障,雷擊造成的信號系統(tǒng)故障與本文風(fēng)險評價結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

本文提出了基于層次分析法的信號系統(tǒng)雷害風(fēng)險評價方法。根據(jù)雷電參數(shù)和線路信息,利用雷擊瞬態(tài)模型,計算信號設(shè)備接口雷擊過電壓；試驗研究信號設(shè)備自身耐雷電沖擊水平；通過計算得到的雷擊過電壓與自身耐雷電沖擊水平的比較,對信號系統(tǒng)雷害風(fēng)險進(jìn)行評價,最終得到信號系統(tǒng)雷害風(fēng)險等級；根據(jù)風(fēng)險等級采取相應(yīng)措施,將風(fēng)險評價結(jié)果用于指導(dǎo)高鐵信號系統(tǒng)的防雷優(yōu)化設(shè)計,從而徹底規(guī)避信號系統(tǒng)不可接受雷害風(fēng)險,對實現(xiàn)高速鐵路全天候正常運行具有重要的工程價值和社會效益。