現(xiàn)代有軌電車正線道岔控制子系統(tǒng)雷電防護設(shè)計

金曉雷，陳 哲，江興林

（卡斯柯信號有限公司，上海 200071）

現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制轉(zhuǎn)轍機、信號機等設(shè)備，為列車提供運營指揮及安全防護，確保行車安全，提高運輸效率。

與地鐵和國鐵不同，現(xiàn)代有軌電車項目正線車站不配置信號機房，正線道岔控制子系統(tǒng)等信號設(shè)備直接安裝在軌旁。所以，現(xiàn)代有軌電車信號設(shè)備更容易遭受雷電惡劣天氣影響，產(chǎn)生的破壞性也更大。所以，應(yīng)采取全面有效的雷電防護措施，確保設(shè)備安全可靠運行。

1 正線道岔控制子系統(tǒng)

正線道岔控制子系統(tǒng)是有軌電車信號系統(tǒng)的核心設(shè)備，主要承擔(dān)正線岔區(qū)進路信號機、道岔和進路的安全管理，實現(xiàn)進路管理、道岔管理、信號管理、外部接口管理和維護診斷等功能。該子系統(tǒng)負責(zé)接收并處理來自中心、車載和軌旁現(xiàn)地的進路命令，提供多種進路辦理方式，支持降級模式下的進路辦理，以提高系統(tǒng)的可用性。正線道岔控制子系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和連接的外部主要設(shè)備如圖1所示。

正線道岔控制子系統(tǒng)與外部設(shè)備的接口包括以下3種。電源接口：連接到站臺總配電箱，為系統(tǒng)設(shè)備和驅(qū)動電路供電；驅(qū)動采集接口：與轉(zhuǎn)轍機設(shè)備、信號機設(shè)備、現(xiàn)場控制盒設(shè)備等連接，實現(xiàn)驅(qū)動控制和狀態(tài)采集功能。驅(qū)動采集端口可以分為兩種類別，一種是內(nèi)部PCB板直接和外部設(shè)備連接，另外一種是內(nèi)部PCB板通過繼電器和外部設(shè)備連接；通信接口：網(wǎng)絡(luò)通信接口，與調(diào)度指揮系統(tǒng)、車輛段聯(lián)鎖系統(tǒng)等設(shè)備連接。

2 雷電危害分析

2.1 雷電危害種類

雷電對設(shè)備的危害分為兩類：直擊雷和雷電感應(yīng)電磁脈沖（或稱感應(yīng)雷）。

直擊雷是雷云直接通過地面物體放電，瞬間有巨大的雷電流流過。大電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)、電效應(yīng)和機械效應(yīng)會造成嚴重的設(shè)備損壞。直擊雷破壞性極大，但是發(fā)生概率不高。

感應(yīng)雷是雷電放電時產(chǎn)生的強大電磁場干擾，在臨近的金屬上感應(yīng)出過電壓和過電流，間接對設(shè)備產(chǎn)生影響。雖然感應(yīng)產(chǎn)生的過電壓和過電流幅值不是太高，但是通信信號設(shè)備中大量使用了IC芯片,其耐受能量的能力比較弱。根據(jù)雷害事故統(tǒng)計，通信信號系統(tǒng)雷害絕大多數(shù)是感應(yīng)雷導(dǎo)致的。

2.2 雷電侵入途徑

雷電侵入信號設(shè)備的主要途徑如下。

1）空間直接侵入。信號設(shè)備附近發(fā)生直接雷擊時，產(chǎn)生的強大電磁場干擾直接對設(shè)備產(chǎn)生影響，在設(shè)備內(nèi)部感應(yīng)過電壓和過電流，使設(shè)備出現(xiàn)功能異?；驌p壞。

2）從交流電源系統(tǒng)侵入。雷電從交流電源系統(tǒng)侵入后，經(jīng)過高壓電線傳至高壓變壓器，并逐級對后續(xù)的用電設(shè)備產(chǎn)生影響。

3）從通信信號電纜侵入。信號設(shè)備通過電纜與軌旁的轉(zhuǎn)轍機、信號機相連接。信號電纜雖然采用埋地布線方式，但是雷電放電時，產(chǎn)生的強干擾電磁場會在附近電纜中感應(yīng)出過電壓和過電流，過電壓和過電流通過連接電纜對信號設(shè)備造成破壞。

3 雷電防護設(shè)計

3.1 直擊雷防護

道岔控制器機柜高度1.5 m左右，在軌旁設(shè)備和構(gòu)筑物中相對較低，遭受直擊雷影響風(fēng)險比較小。同時，設(shè)計機柜安裝位置時，盡可能選擇在站臺金屬遮雨棚、接觸網(wǎng)避雷線、監(jiān)控設(shè)備或天線設(shè)備安裝立柱等保護范圍內(nèi)，不需要再配置單獨的接閃裝置。

3.2 感應(yīng)雷防護

針對感應(yīng)雷侵入設(shè)備路徑，在如下方面進行防護設(shè)計。

1） 屏蔽

屏蔽體對雷電電磁脈沖起到吸收能量（渦流損耗）、反射能量（電磁波在屏蔽體上的界面反射）和抵消能量（電磁感應(yīng)在屏蔽體上產(chǎn)生反向電磁場，可抵消部分干擾電磁波）的作用，可以有效減弱干擾的影響。

機柜屏蔽：道岔控制柜采用金屬材質(zhì)，柜體間電氣貫通，并可靠接地，構(gòu)成一個法拉第籠，從而降低雷電電磁脈沖空間侵入，減弱機柜內(nèi)電子設(shè)備遭受雷電感應(yīng)電磁場的直接影響。

線纜屏蔽：驅(qū)動和采集信號電纜使用鎧裝電纜，并可靠接地，可以降低雷電電磁脈沖在驅(qū)動和采集信號線纜中產(chǎn)生的過電壓和過電流，從而減少從接口電纜耦合進來的干擾。

2）隔離

繼電器隔離：部分驅(qū)動和采集端口通過繼電器與外部設(shè)備連接，利用繼電器驅(qū)動線圈和觸點之間的空間隔離達到雷電電磁脈沖感應(yīng)過電壓防護的目的。根據(jù)正線道岔控制子系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，繼電器驅(qū)動線圈和觸點之間隔離強度要求應(yīng)能抵抗不小于4 kV的浪涌沖擊電壓（1.2/50 μs），工頻耐壓應(yīng)不小于2.5 kV。

光電隔離：連接到外部設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信端口線纜使用光纖。光纖的基本成分是石英，只傳光，不導(dǎo)電，不受電磁場的作用，在其中傳輸?shù)墓庑盘柌皇茈姶艌龅挠绊?，所以光纖傳輸可有效避免雷電電磁脈沖對通信信號產(chǎn)生干擾。

3）配置浪涌保護器（SPD）

電源輸入端口：在機柜電源輸入端口配置電源浪涌保護器。站臺總配電箱內(nèi)安裝了第一級浪涌保護器，機柜內(nèi)電源浪涌保護器按照第二級進行選型。浪涌保護器標稱放電電流In需考慮地區(qū)年平均雷暴日數(shù)，少雷區(qū)和中雷區(qū)不小于10 kA，多雷區(qū)和強雷區(qū)不小于20 kA；其保護電壓水平Up應(yīng)和后級電源設(shè)備絕緣耐壓水平匹配。電源輸入端口應(yīng)進行全模防護。

驅(qū)動采集端口：在與軌旁設(shè)備直接相連接的驅(qū)動和采集端口配置信號浪涌保護器。信號浪涌保護器內(nèi)部結(jié)構(gòu)為氣體放電管串聯(lián)壓敏電阻模式；其標稱放電電流In需考慮地區(qū)年平均雷暴日數(shù)，少雷區(qū)和中雷區(qū)不小于10 kA，多雷區(qū)和強雷區(qū)不小于20 kA；其保護電壓Up應(yīng)和后級設(shè)備絕緣耐壓水平匹配。驅(qū)動和采集信號端口應(yīng)進行縱向防護。

4）接地

通過接地可以將雷電過電流引入大地，減少雷電的破壞力。作為雷電防護的最基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，必須做好。否則其他的防雷措施難以發(fā)揮理想的效果。

電源和信號浪涌保護器接地：電源和信號SPD通過接地線連接到機柜接地匯流排；電源SPD接地線截面積不小于6 mm2，信號SPD接地線截面積不小于4 mm2；電源和信號SPD接地線長度應(yīng)不大于0.5 m。

機柜接地：機柜接地匯流排通過接地線與站臺或區(qū)間接地匯流排連接；機柜接地線截面積不小于25 mm2。

4 實例應(yīng)用

深圳龍華現(xiàn)代有軌電車正線道岔控制子系統(tǒng)采用了上述雷電綜合防護方案。深圳市年平均雷暴日63.1 d，屬于多雷區(qū)；龍華現(xiàn)代有軌電車項目全長約11.7 km，全線車站20座，自2017年開始運營以來，所有正線道岔控制子系統(tǒng)未發(fā)生因雷電沖擊影響導(dǎo)致的設(shè)備故障。

5 結(jié)束語

綜合采用屏蔽、隔離、配置浪涌保護器、接地等雷電防護手段，大大降低了雷電惡劣天氣對室外正線道岔控制子系統(tǒng)的影響，保障了設(shè)備的安全、可靠運行。