對客運(yùn)專線ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)防雷問題的探討

劉銳冬

（北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

客運(yùn)專線（以下簡稱客專）ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)自2008年開通應(yīng)用以來，設(shè)備運(yùn)用穩(wěn)定，但截至目前已發(fā)生20多起雷電損壞客專ZPW-2000A軌道電路設(shè)備的情況，與既有線ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)較少遭受雷電損壞的現(xiàn)象差異較大。

本文基于客專ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)特點(diǎn)，重點(diǎn)論述雷電信號侵入通道及設(shè)備損壞原因，并提出系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)方案相關(guān)改進(jìn)措施。

1 客專ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)概況

軌道電路系統(tǒng)的防雷分為橫向防雷和縱向防雷。

橫向防雷的設(shè)計(jì)，均采用防雷元件進(jìn)行防護(hù)，防雷元件具有模塊化、阻燃、帶電插拔、可靠性高和熱熔斷等功能。

縱向防雷的設(shè)計(jì)采用“泄”和“抗”兩種方式。

客專ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)室內(nèi)側(cè)發(fā)送端和接收端信號幅度差異較大（發(fā)送端與接收端電壓比最大可達(dá)1?000左右），室內(nèi)信號端口縱向防雷采用低轉(zhuǎn)移系數(shù)的防雷變壓器進(jìn)行防護(hù)，不采用通過防雷元件接地的方式，如果在送端、受端信號線上通過防雷元件接地，則存在以下問題：當(dāng)同頻的室內(nèi)發(fā)送端、接收端的防雷元件同時故障短路時，會造成室內(nèi)發(fā)送端信號電纜和接收端信號電纜的串音干擾，目前客專ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)采用?“數(shù)字信號內(nèi)屏蔽電纜”，此電纜單芯故障接地后串音衰耗為89?dB?，即：

如果送端信號為170?V，則耦合到受端信號為59.6?mV左右。因此，為防止故障情況下發(fā)送端、接收端信號產(chǎn)生串音干擾，經(jīng)疊加，加大了列車分路殘壓，因此，客專ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)與既有線ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)室內(nèi)信號端口縱向防護(hù)均采用低轉(zhuǎn)移系數(shù)的防雷變壓器。同時室內(nèi)設(shè)備電路板和室內(nèi)信號傳輸芯線均“浮地”，不直接或不通過防雷元件與“地”連接。

為減少雷電信號對人員安全的影響、靜電干擾或線纜間信號耦合強(qiáng)度，提高設(shè)備的抗干擾性，客專ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)機(jī)柜、設(shè)備外殼、信號電纜內(nèi)屏蔽層均與“地”連接。

客專ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)室外側(cè)的縱向防護(hù)采用如下方式。

1）根據(jù)設(shè)計(jì)，一般可通過空心線圈中心線直接接地進(jìn)行縱向雷電防護(hù)。

2）在不能直接接地時，通過空心線圈中心線與地間加裝縱向防雷元件。

2 雷電信號入侵通道分析

可能的雷害通道來源有以下幾方面。

2.1 電纜單端接地降低金屬護(hù)層對雷電電磁干擾的屏蔽效果

根據(jù)《鐵路信號設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10007-2006）14.1.8進(jìn)出信號機(jī)房的電力線路和信號傳輸電纜應(yīng)采用屏蔽電纜，屏蔽層至少兩端接地，并與建筑物界面做等電位連接，電氣化區(qū)段或接地系統(tǒng)有較大干擾時，應(yīng)只在機(jī)房界面一端接地。

根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范（試行）》（TB10621-2009）14.10.4修改為室外電纜鋼帶（鋁護(hù)套）應(yīng)采取分段單端接地方式。

既有線ZPW-2000A軌道電路多采用電纜護(hù)套雙端接地方式，客專京津城際ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)采用電纜護(hù)套雙端接地方式，其他客專線路多采用電纜護(hù)套單端接地方式。

雷擊電纜的方式有兩種：直接雷擊和感應(yīng)雷擊，由于信號電纜敷設(shè)在地下，直接雷擊很少發(fā)生，多為感應(yīng)雷擊。

雷云對地放電產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁場，可以在附近的電纜和金屬導(dǎo)管中感應(yīng)出電磁脈沖即感應(yīng)雷。在電磁場的作用下，電纜金屬護(hù)套與大地回路和電纜芯線與大地回路產(chǎn)生了電動勢E0об和E0дс，這兩個電動勢大致相等，雙端接地的電纜金屬護(hù)套上與大地形成閉合回路，產(chǎn)生感應(yīng)電流IOб，感應(yīng)電流IOб利用下式表示。

式中：H——磁場強(qiáng)度；

rбp——鎧裝外半徑；

rбp·cp——鎧裝平均半徑。

金屬護(hù)套上的感應(yīng)電流IOσ在屏蔽空間產(chǎn)生反向電磁場，在電纜芯線和外皮回路間引起反向感應(yīng)電動勢Eдс-об，因此，電纜芯線對大地的合成感應(yīng)電動勢為（E0дс-Eдс-об），從而全部或部分抵消外界電磁脈沖對電纜芯線的影響，電纜金屬護(hù)套產(chǎn)生了電磁屏蔽效果，屏蔽效能通常采用轉(zhuǎn)移阻抗來確定電纜的屏蔽效能，轉(zhuǎn)移阻抗Zr表示的是芯線與屏蔽層之間電壓和屏蔽層電流的比值，能反映屏蔽層內(nèi)部場與外部場的耦合關(guān)系和電纜的屏蔽性能，即：

式中：I0為屏蔽層電流；dV/dx為傳輸線單位上形成的干擾電壓，轉(zhuǎn)移阻抗越低，屏蔽效果越好。

由于客專ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)室外SPT電纜多采用單端接地的方式，因此由雷云感應(yīng)在電纜護(hù)套上的電磁脈沖雷電流不能構(gòu)成閉合回路，不能形成反向電磁場，從而不能全部或部分抵消在電纜芯線和大地間上感應(yīng)的電磁脈沖信號，因此，沿著電纜芯線對大地間產(chǎn)生大的感應(yīng)電動勢，降低了金屬護(hù)套對雷電信號的屏蔽效果。當(dāng)雷電脈沖信號超過室內(nèi)設(shè)備縱向電壓防護(hù)等級后，可能導(dǎo)致室內(nèi)客專ZPW-2000A軌道電路設(shè)備損壞。

另一方面，室外SPT電纜單端接地在特殊條件下也存在一定的優(yōu)點(diǎn)。如在山區(qū)，特別是對于石質(zhì)地層的地區(qū)，大地的電阻導(dǎo)電率低，電氣化區(qū)段牽引電流回流不暢，采用單端接地的方式能夠降低電纜外皮通過大的牽引電流導(dǎo)致燒電纜的問題。但目前，客專系統(tǒng)室外有完整的貫通地線、架空電纜，在貫通地線、架空電纜不被損壞的條件下，牽引電流在電纜外皮上流經(jīng)的量很小。

綜上所述，建議室外SPT電纜屏蔽層接地方式，應(yīng)維持“《鐵路信號設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10007-2006）14.1.8進(jìn)出信號機(jī)房的電力線路和信號傳輸電纜應(yīng)采用屏蔽電纜，屏蔽層至少兩端接地，并與建筑物界面做等電位連接，電氣化區(qū)段或接地系統(tǒng)有較大干擾時，應(yīng)只在機(jī)房界面一端接地。”且建議電纜屏蔽層應(yīng)逐段進(jìn)行雙端接地。

2.2 通信桿塔與機(jī)械室連接的方式和距離

客專車站由于面積局限，通信桿塔距離機(jī)械室較近，特別在中繼站，通信桿塔距離機(jī)械室多在5?m以內(nèi)，通信桿塔外體多通過金屬物體與機(jī)械室墻體連接。當(dāng)在空曠的場地下，遭遇雷雨天氣，通信桿塔就相當(dāng)于一個引雷裝置，機(jī)械室遭受“直擊雷”或“地反擊”的情況增加，如圖1所示。

如圖1所示，雷擊電流在接地電阻（0.5～1Ω）上產(chǎn)生壓降URe，由于信號電纜是從遠(yuǎn)處引來，結(jié)果URe就出現(xiàn)在電纜芯線和機(jī)械室地之間，就是雷電反擊問題。

“雷電反擊”造成的雷擊事故，多表現(xiàn)為損壞的設(shè)備分散且數(shù)量較多。

因此，建議無線桿塔的設(shè)置應(yīng)遠(yuǎn)離機(jī)械室，無線桿塔避雷針的引下線接地點(diǎn)應(yīng)與機(jī)械室地分開。

2.3 區(qū)間電源屏24 V直流輸出端口對地通道通過電容接地

區(qū)間電源屏為滿足電磁兼容性能指標(biāo)，減少輸出紋波幅度，在輸出+24?V、024?V端口雙線均對“地”連接了安規(guī)電容，安規(guī)電容一方面對侵入客專ZPW-2000A設(shè)備的雷電信號形成泄放通道，從而損壞客專ZPW-2000A設(shè)備，如圖2所示。

另一方面，當(dāng)電源屏入口側(cè)遭遇縱向雷擊時，雷電信號會越過電源屏或存在“地”反擊信號時，雷電信號進(jìn)入軌道電路系統(tǒng)設(shè)備24?V電源端口，從而造成設(shè)備大面積損壞。

2.4 ZPW-2000A軌道電路設(shè)備本身防雷存在提升空間

經(jīng)測試，防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤能滿足標(biāo)準(zhǔn)縱向雷擊電壓（4?000?V）測試。但是當(dāng)縱向雷擊電壓超過4?000?V時，防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤電纜側(cè)和設(shè)備側(cè)之間的設(shè)備端子或線條之間存在放電現(xiàn)象，使縱向的雷電信號越過防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤內(nèi)的防雷變壓器，進(jìn)入接收器側(cè)，造成雷電信號進(jìn)入室內(nèi)微電子設(shè)備。以2012年6月秦沈線中繼2站遭遇雷擊情況為例，損壞設(shè)備區(qū)段的電纜模擬網(wǎng)絡(luò)盤內(nèi)防雷變壓器端子2引出線與端子3引出線之間存在放電痕跡。因此，在現(xiàn)有外部條件不變的情況下，可通過增強(qiáng)防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤的絕緣性能來提升系統(tǒng)防雷效果。

3 改進(jìn)措施

3.1 加強(qiáng)ZPW-2000A軌道電路室內(nèi)設(shè)備的防雷性能

針對客專ZPW-2000A軌道電路防雷網(wǎng)絡(luò)盤設(shè)備端子電纜側(cè)和設(shè)備側(cè)間絕緣強(qiáng)度薄弱問題，對電纜模擬網(wǎng)絡(luò)盤進(jìn)行加強(qiáng)內(nèi)部絕緣處理等措施。目前，經(jīng)測試驗(yàn)證，該措施已經(jīng)取得了顯著的防雷效果。

3.2 加強(qiáng)電源入口隔離

為減少電源屏側(cè)雷電信號對發(fā)送器、接收器的影響及阻擋電源屏對雷電信號的泄放，在每個區(qū)段電源端口增加一個共模電感。

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