軌道電路設(shè)備雷電沖擊傳遞特性試驗(yàn)研究

徐 葉，高 彬，李 博，周雨秋，向念文，張 威

（1．北京鐵路信號(hào)有限公司，北京 102613；2．合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009；3．北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

軌道電路是高速鐵路列車(chē)控制系統(tǒng)的重要組成部分，關(guān)系到高鐵的行車(chē)安全和運(yùn)輸效率[1-2]。國(guó)內(nèi)高速鐵路大量采用高架橋方式架設(shè)，與路基架設(shè)相比，接觸網(wǎng)引雷能力顯著增強(qiáng)。而軌道電路系統(tǒng)室外設(shè)備沿鋼軌兩側(cè)敷設(shè)，雷電過(guò)電壓易通過(guò)多個(gè)途徑侵入軌道電路系統(tǒng)，相關(guān)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：雷電過(guò)電壓引起的軌道電路損壞故障時(shí)有發(fā)生，對(duì)高鐵的準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行有一定影響[3-4]。同時(shí)鐵路設(shè)施遍布全國(guó)各地，軌道電路設(shè)備時(shí)刻承受不同溫度、濕度環(huán)境的考驗(yàn)[5]，因此迫切需要研究不同溫度、濕度條件對(duì)軌道電路設(shè)備雷電沖擊傳遞特性的影響規(guī)律，對(duì)提升軌道電路設(shè)備環(huán)境適應(yīng)能力和雷電防護(hù)水平十分重要。

雷擊是造成軌道電路設(shè)備損壞的重要原因之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)軌道電路設(shè)備雷電過(guò)電壓特性進(jìn)行研究。Hideki Arai[6-7]研究建立了軌旁信號(hào)電纜雷電過(guò)電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并獲得信號(hào)電纜雷電過(guò)電壓數(shù)據(jù)。Shunichi Yanagawa[8]開(kāi)展普通隔離變壓器和防雷隔離變壓器雷擊瞬態(tài)傳遞特性試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)防雷隔離變壓器抑制能力較強(qiáng)，二次側(cè)過(guò)電壓衰減至一次側(cè)0.1%。國(guó)內(nèi)軌道電路設(shè)備要求開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)工況下的雷電沖擊耐受試驗(yàn)，北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司針對(duì)軌道電路雷擊瞬態(tài)特性開(kāi)展了大量測(cè)試并建立雷電寬頻計(jì)算模型[9]。高鐵穿越國(guó)內(nèi)幅員遼闊的疆域，所處地區(qū)環(huán)境溫度、濕度具有顯著差異，會(huì)對(duì)軌道電路設(shè)備內(nèi)部器件電氣特性參數(shù)造成影響，引起雷電過(guò)電壓的傳遞特性改變，進(jìn)而影響設(shè)備耐受雷電沖擊性能。綜上所述，針對(duì)不同溫度/濕度環(huán)境條件下軌道電路設(shè)備雷電沖擊特性試驗(yàn)鮮有研究。

1 試驗(yàn)裝置及接線(xiàn)布置

國(guó)內(nèi)高鐵采用ZPW-2000 系列軌道電路系統(tǒng)，本文對(duì)其典型代表ZPW-2000A 軌道電路進(jìn)行研究，該系統(tǒng)由室內(nèi)部分和室外部分組成。系統(tǒng)防雷可分為室內(nèi)和室外兩部分：室外一般防護(hù)從鋼軌引入雷電信號(hào)，橫向通過(guò)防雷模塊進(jìn)行防護(hù)。縱向根據(jù)設(shè)計(jì)，一般通過(guò)空心線(xiàn)圈中心線(xiàn)直接接地進(jìn)行縱向雷電防護(hù)。不能直接接地時(shí)，應(yīng)通過(guò)空心線(xiàn)圈中心線(xiàn)與地間加裝橫縱向防雷元件進(jìn)行防護(hù)。室內(nèi)防護(hù)由電纜引入的雷電信號(hào)，橫向通過(guò)防雷模塊進(jìn)行防護(hù)?？v向利用低轉(zhuǎn)移系數(shù)防雷變壓器進(jìn)行防護(hù)。防雷模擬網(wǎng)絡(luò)是軌道電路室內(nèi)外分界點(diǎn)，也是切斷室外電纜引入雷電過(guò)電壓的關(guān)鍵設(shè)備。調(diào)諧匹配單元是鋼軌與信號(hào)電纜連接的分界點(diǎn)，是雷電過(guò)電壓侵入信號(hào)電纜的關(guān)鍵設(shè)備[10-11]。上述兩種設(shè)備的雷電過(guò)電壓特性將直接影響軌道電路系統(tǒng)的雷電防護(hù)水平，因此本文主要針對(duì)防雷模擬電纜網(wǎng)絡(luò)盤(pán)和調(diào)諧匹配單元開(kāi)展不同溫度/濕度條件下的雷電沖擊傳遞特性試驗(yàn)。

1.1 試驗(yàn)裝置

根據(jù)《鐵路通信信號(hào)設(shè)備雷擊試驗(yàn)方法》（TB/T 3498-2018）規(guī)定通信信號(hào)電子設(shè)備通信端口雷擊試驗(yàn)應(yīng)采用開(kāi)路電壓波形10/700 μs、短路電流波形5/320 μs 組合波發(fā)生器[12-13]。本文采用GCW10型多種波形沖擊發(fā)生器，該裝置輸出開(kāi)路電壓波形為10±30%/700±10% μs，沖擊電壓幅值為0.4 ～6 kV 可調(diào)，雷電沖擊通過(guò)高壓電纜引入溫度/濕度環(huán)境試驗(yàn)箱，采用橡膠塞密封電源接入通孔，保障試驗(yàn)箱體環(huán)境的密封性。試驗(yàn)采用AZWTH19L 型溫度/濕度試驗(yàn)箱，實(shí)現(xiàn)設(shè)備工作溫度和濕度的調(diào)節(jié)。參照軌道電路設(shè)備實(shí)際環(huán)境中可能出現(xiàn)的極限工況，溫度分別選擇-55°C、-5°C、25°C、40°C、95°C，濕度選擇20%、50%、85%、98%。

1.2 防雷電纜模擬網(wǎng)絡(luò)盤(pán)試驗(yàn)接線(xiàn)

防雷電纜模擬網(wǎng)絡(luò)盤(pán)主要作用是補(bǔ)償信號(hào)電纜長(zhǎng)度，也是抑制室外側(cè)侵入雷電過(guò)電壓的重要設(shè)備。在雷電沖擊差模傳遞特性試驗(yàn)中，沖擊發(fā)生器高壓輸出兩個(gè)端子分別連接防雷電纜模擬網(wǎng)絡(luò)盤(pán)室外側(cè)端子31 和32，端子 35 接地，測(cè)量室內(nèi)側(cè)端子1、2 之間和室外側(cè)端子31、32 之間的過(guò)電壓波形。在雷電沖擊共模傳遞特性試驗(yàn)中，將室外側(cè)端子31和32 并聯(lián)，連接到?jīng)_擊發(fā)生器高壓輸出端，35 端接沖擊發(fā)生器接地端，端子1 和2 并聯(lián)，分別測(cè)量室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)線(xiàn)地間的過(guò)電壓波形，如圖1（a）所示。

1.3 調(diào)諧匹配單元試驗(yàn)接線(xiàn)

調(diào)諧匹配單元由調(diào)諧部分和匹配部分組成。調(diào)諧匹配單元用于無(wú)絕緣軌道電路系統(tǒng)中的電氣絕緣節(jié)處，銅板端子U1、U2與鋼軌相連接，E1、E2與信號(hào)電纜相連接。在雷電沖擊差模傳遞特性試驗(yàn)中，沖擊發(fā)生器高壓輸出兩個(gè)端子分別與調(diào)諧匹配單元端子U1、U2端子相連接，測(cè)量端子U1、U2間和端子E1、E2間的過(guò)電壓波形。在雷電沖擊共模傳遞特性試驗(yàn)中，將端子U1、U2并聯(lián)，連接到?jīng)_擊發(fā)生器高壓輸出端，分別測(cè)量U1、U2端子并聯(lián)對(duì)地和測(cè)量E1、E2端子并聯(lián)對(duì)地間的過(guò)電壓波形，如圖1（b）所示。

圖1 接線(xiàn)布置Fig.1 Wiring arrangement

2 不同溫度情況下雷電沖擊試驗(yàn)

2.1 防雷模擬電纜網(wǎng)絡(luò)盤(pán)傳遞特性不同溫度影響規(guī)律

改變防雷模擬電纜網(wǎng)絡(luò)盤(pán)工作環(huán)境的溫度，使其分別處于-55°C、-5°C、25°C、40°C 和95°C下，環(huán)境濕度均保持20%，分別開(kāi)展雷電沖擊試驗(yàn)差模/共模傳遞特性試驗(yàn)，施加波形為10/700 μs，幅值為2 kV 的雷電沖擊電壓波，正、負(fù)極性各施加5 次，每次試驗(yàn)后檢查測(cè)試設(shè)備功能是否出現(xiàn)異常，兩次試驗(yàn)間隔3 ～5 min，其中25℃下防雷模擬電纜網(wǎng)絡(luò)盤(pán)差模和共模雷電沖擊響應(yīng)波形如圖2所示。

圖2 防雷模擬電纜網(wǎng)絡(luò)盤(pán)溫度25 ℃、濕度20%試驗(yàn)波形Fig.2 Waveforms of the analog cable network panel of lightning protection under the condition of 25 ℃ and 20% humidity

在圖2（a）雷電沖擊差模響應(yīng)試驗(yàn)中，輸入側(cè)施加沖擊電壓幅值為2 kV，輸出側(cè)差模電壓幅值為1.24 kV，被抑制為輸入側(cè)的62%，輸出側(cè)差模電壓波形呈現(xiàn)明顯的尖脈沖，波尾出現(xiàn)一段穩(wěn)定于0.76 kV 的過(guò)渡段。在圖2（b）雷電沖擊共模響應(yīng)試驗(yàn)中，輸出側(cè)與輸入側(cè)波形基本一致，其幅值峰值為1.09 kV，被抑制為輸入側(cè)的54%。

取不同環(huán)境溫度條件下，各次試驗(yàn)輸出波形峰值如圖3 所示。在-55℃及-5℃的低溫環(huán)境下，防雷模擬電纜網(wǎng)絡(luò)盤(pán)的共模及差模響應(yīng)均保持相對(duì)穩(wěn)定，其峰值在小范圍內(nèi)變化，幅度均不超過(guò)3%。當(dāng)溫度由-5℃上升至40℃時(shí)，共模響應(yīng)峰值未出現(xiàn)顯著變化規(guī)律，差模響應(yīng)峰值呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，增長(zhǎng)幅度為1.51 V/℃。在溫度由40℃升高至95℃后，共模響應(yīng)峰值沒(méi)有顯著改變，差模響應(yīng)峰值大幅升至1.95 kV。

圖3 防雷模擬電纜網(wǎng)絡(luò)盤(pán)輸出峰值（不同溫度）Fig.3 Peak outputs of the analog cable network panel of lightning protection (different temperatures)

2.2 調(diào)諧匹配單元傳遞特性不同溫度影響規(guī)律

改變調(diào)諧匹配單元工作環(huán)境溫度，使其分別處于-55°C、-5°C、25°C、40°C 和95°C 下，環(huán)境濕度均保持20%，分別開(kāi)展雷電沖擊試驗(yàn)差模/共模傳遞特性試驗(yàn)。施加波形為10/700 μs，幅值為2 kV 的雷電沖擊電壓波，正、負(fù)極性各施加5 次，其中25℃下調(diào)諧匹配單元差模和共模雷電沖擊響應(yīng)波形如圖4 所示。

圖4 調(diào)諧匹配單元2 kV輸入響應(yīng)波形Fig.4 Waveforms of responses to 2 kV input of tuning and matching unit

在圖4（a）雷電沖擊差模響應(yīng)試驗(yàn)中，輸入側(cè)施沖擊電壓幅值為2 kV，輸出側(cè)差模電壓波形呈先增后減的低頻率振蕩波，其電壓峰值為0.48 kV；圖4（b）雷電沖擊共模響應(yīng)試驗(yàn)中，輸出側(cè)共模電壓波形為峰值71.2 V 的尖脈沖，波尾部分下降趨勢(shì)與激勵(lì)基本一致。

取不同環(huán)境溫度下，各次試驗(yàn)輸出波形峰值如圖5 所示。在-55℃～40℃的工作環(huán)境下，調(diào)諧匹配單元共模及差模響應(yīng)峰值保持穩(wěn)定，但在環(huán)境溫度達(dá)到95℃的極端工況后，調(diào)諧匹配單元的共模/差模響應(yīng)峰值均有較大改變。其中共模響應(yīng)峰值達(dá)到102 V，較40℃時(shí)響應(yīng)峰值上升43.2%；差模響應(yīng)峰值為232 V，較40℃時(shí)響應(yīng)峰值有52.1%的下降。

圖5 調(diào)諧匹配單元輸出峰值（不同溫度）Fig.5 Peak outputs of tuning and matching unit(different temperatures)

3 不同濕度情況下雷電沖擊試驗(yàn)

3.1 防雷模擬電纜網(wǎng)絡(luò)盤(pán)傳遞特性不同濕度影響規(guī)律

改變防雷模擬電纜網(wǎng)絡(luò)盤(pán)工作環(huán)境的濕度，使其分別處于20%、50%、85%和98%濕度下，分別開(kāi)展雷電沖擊試驗(yàn)差模/共模傳遞特性試驗(yàn)，環(huán)境溫度保持25℃，施加波形為10/700 μs 幅值為2 kV 的雷電沖擊電壓波，正、負(fù)極性各施加5 次，兩次試驗(yàn)間隔3 ～5 min，其中20%濕度下防雷模擬電纜網(wǎng)絡(luò)盤(pán)差模和共模雷電沖擊響應(yīng)波形如圖2 所示。

取不同環(huán)境濕度條件下，各次試驗(yàn)輸出波形峰值如圖6 所示。防雷模擬電纜網(wǎng)絡(luò)盤(pán)的共模響應(yīng)沒(méi)有隨環(huán)境濕度的變化產(chǎn)生顯著改變，其響應(yīng)峰值于1.05 kV 處呈幅度不高于5.1%的波動(dòng)；差模響應(yīng)峰值在濕度小于50%范圍內(nèi)呈上升趨勢(shì)，但在濕度為80%時(shí)響應(yīng)峰值被抑制為0.92 kV，且在濕度98%時(shí)響應(yīng)峰值未發(fā)生明顯改變。

圖6 防雷模擬電纜網(wǎng)絡(luò)盤(pán)輸出峰值（不同濕度）Fig.6 Peak outputs of the analog cable network panel of lightning protection (different humidity)

3.2 調(diào)諧匹配單元傳遞特性不同濕度影響規(guī)律

改變調(diào)諧匹配單元工作環(huán)境的濕度，使其分別處于20%、50%、85%和98%濕度下，環(huán)境溫度保持25℃，分別開(kāi)展雷電沖擊試驗(yàn)差模/共模傳遞特性試驗(yàn)。施加波形為10/700 μs，幅值為2 kV雷電沖擊電壓波，正、負(fù)極性各施加5 次，其中25℃、20%濕度條件下調(diào)諧匹配單元差模和共模雷電沖擊響應(yīng)波形如圖4 所示。

取不同環(huán)境濕度條件下，各次試驗(yàn)輸出波形峰值如圖7 所示?？梢?jiàn)調(diào)諧匹配單元的共模響應(yīng)在不同濕度環(huán)境下保持相對(duì)穩(wěn)定，其響應(yīng)波形峰值在71.2 V 附近呈幅度不超過(guò)8.9%的小范圍波動(dòng)。而差模響應(yīng)在20%～50%濕度的相對(duì)干燥環(huán)境下，響應(yīng)峰值呈小幅度下降趨勢(shì)，在濕度高于80%時(shí)，調(diào)諧匹配單元的差模響應(yīng)峰值跌落至320 V，隨后在80%～98%濕度的試驗(yàn)中響應(yīng)峰值保持不變。

圖7 調(diào)諧匹配單元輸出峰值（不同濕度）Fig.7 Peak outputs of tuning and matching unit (different humidity)

4 溫度、濕度綜合條件下雷電沖擊試驗(yàn)

防雷模擬網(wǎng)絡(luò)溫度、濕度綜合條件下雷電沖擊試驗(yàn)條件等級(jí)設(shè)置如表1 所示。對(duì)端口進(jìn)行雷擊測(cè)試，防雷模擬網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)雷電等級(jí)采用1 kV、2 kV、4 kV 等，正、負(fù)極性各5 次，記錄測(cè)試端口與采集端口的數(shù)值。

表1 試驗(yàn)條件等級(jí)設(shè)置Tab.1 Settings of test conditions and levels

如圖8（a）所示，橫向雷電傳遞特性一致性規(guī)律比較好，隨著輸入電壓的增大，輸出電壓有所增大。其中溫度40°C、濕度98%的條件下，輸出電壓最大；溫度20°C、濕度20%的條件下，輸出電壓最小。如圖8（b）所示，溫度40℃、濕度-20%時(shí)的4 kV 波形畸變。98%濕度時(shí)對(duì)應(yīng)兩種工況在2 kV 時(shí)均有波形畸變。

圖8 防雷模擬網(wǎng)絡(luò)雷電傳遞特性Fig.8 Characteristics of lightning transmission in the analog network of lightning protection

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)軌道電路關(guān)鍵核心設(shè)備開(kāi)展不同溫度/濕度條件下的雷電沖擊傳遞特性試驗(yàn)，得到兩種設(shè)備的共模及差模響應(yīng)隨環(huán)境變化的變化趨勢(shì)，結(jié)論如下。

1）工作環(huán)境溫度對(duì)設(shè)備的共模及差模響應(yīng)均呈正相關(guān)性。低于-5℃低溫環(huán)境下防雷模擬網(wǎng)絡(luò)及調(diào)諧匹配單元的響應(yīng)峰值保持穩(wěn)定，-5℃～40℃時(shí)防雷模擬電纜網(wǎng)絡(luò)盤(pán)差模響應(yīng)峰值隨溫度升高，調(diào)諧匹配單元差模響應(yīng)峰值未隨溫度產(chǎn)生顯著改變。

2）工作環(huán)境的濕度僅對(duì)防雷模擬電纜網(wǎng)絡(luò)盤(pán)及調(diào)諧匹配單元的差模響應(yīng)峰值呈負(fù)相關(guān)性，而設(shè)備共模響應(yīng)峰值未隨濕度變化產(chǎn)生顯著改變。

3）在極端高溫環(huán)境下防雷模擬電纜網(wǎng)絡(luò)盤(pán)及調(diào)諧匹配單元的響應(yīng)波形均會(huì)出現(xiàn)畸變，響應(yīng)峰值大幅升高。極端潮濕環(huán)境下防雷模擬網(wǎng)絡(luò)及調(diào)諧匹配單元的差模響應(yīng)峰值均會(huì)顯著降低，且波形出現(xiàn)畸變。