全電子直流四線制道岔控制模塊浪涌防護電路設計

張夫松（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 概述

雷電是鐵路信號設備的一大危害，大多鐵路信號設備都對雷電采取了防護措施，但多數計算機聯鎖設備沒有對道岔轉轍機驅動電路采取浪涌防護措施。道岔轉轍機驅動電路不設置防雷電路的原因是擔心防雷器件遭受雷電擊穿后，使得道岔表示電路構成錯誤的回路，造成假表示，從而導致事故的發生。計算機聯鎖設備與轉轍機驅動電路的接口是重力安全型繼電器，通過驅動DCJ、FCJ，SJ實現轉轍機的定操和反操動作，通過采集DBJ、FBJ的接點組實現道岔位置信息的獲取。重力安全型繼電器與計算機聯鎖設備接口的接點組，和重力繼電器與轉轍機驅動電路的接點組物理分開，兩者相隔的距離不易使雷電浪涌電壓沖擊到計算機聯鎖設備。這也是計算機聯鎖道岔驅動電路不設置防雷電路的另外一個原因。

全電子計算機聯鎖電子執行單元直接與室外信號設備通過電纜連接，沒有重力安全繼電器實現計算機聯鎖設備與室外信號設備的物理隔離。室外信號設備遭受雷擊產生的浪涌電壓容易沿著信號電纜直接沖擊電子執行單元。因此，設計全電子計算機聯鎖電子執行單元浪涌防護電路是非常必要的。

張夫松，男，碩士畢業于蘭州交通大學，工程師。主要研究方向包括嵌入式系統設計、計算機聯鎖系統開發，曾參與DS6-60、全電子計算機聯鎖系統的研究項目。

2 全電子直流四線制道岔控制模塊簡介

全電子直流四線制道岔控制模塊是用于驅動ZD6型直流轉轍機的電子執行模塊。全電子直流四線制道岔控制模塊接口連接示意圖如圖1所示。全電子直流四線制道岔控制模塊與計算機聯鎖邏輯部通過總線交互信息，根據計算機聯鎖邏輯部下發的命令執行道岔的定/反位操作，并向計算機聯鎖邏輯部實時反映道岔當前的狀態信息。道岔控制模塊將信號電源屏輸入的啟動電源和表示電源轉換為驅動轉轍機的電源和采集道岔位置信息的表示電源，通過X1-X4送到室外。

全電子直流四線制道岔控制模塊采用了二取二故障-安全的設計原則，集控制與監測于一體。道岔模塊采用4線制，單個模塊可控制一臺ZD6型轉轍機或兩臺聯動ZD6型轉轍機，同時完成控制功能和道岔位置表示采集功能，其室外轉轍機部分的接線方法保持與原電氣集中相同，實現了對道岔控制和表示獲取的技術要求。

3 浪涌防護標準與防護電路設計原則

3.1 浪涌防護標準

全電子直流四線制道岔控制模塊作為鐵路安全信號設備，其浪涌防護標準必須遵循TB/T 3074-2003《鐵道信號設備雷電電磁脈沖防護技術條件》。TB/T 3074-2003第9章節“信號設備雷電電磁脈沖防護水平的測試”明確了受試設備的試驗等級和試驗方法。試驗等級選擇表如表1所示。全電子直流四線制道岔控制模塊直接與室外轉轍機相連接，符合TB/T 3074-2003章節9.3“試驗等級描述”中的選項d安裝類型：在非人口密集地區，室內信號設備與戶外信號傳輸電纜和架空電力線路相連的電氣環境。根據表1確定試驗等級為4。另外，道岔模塊與室外轉轍機連接的電纜為非平衡線路，因此，按照表1試驗等級的選擇為線-地：4 k V，線-線：2 k V。試驗方法：與信號傳輸線相連的設備，用波形10/700 μS，按照表1所述試驗等級進行正、負極性各5次，間隔1 m in的線-地，線-線沖擊試驗。

表1 試驗等級的選擇

3.2 防護電路設計原則

全電子直流四線制道岔控制模塊浪涌防護電路設計原則：

1）防護電路應滿足故障-安全的原則，故障后不能導致道岔控制模塊采集到假表示。

2）應根據道岔控制模塊的耐壓水平，對信號傳輸線的感應、傳導過電壓實施分級防護。

3）防護器件參數選擇應符合設備耐電壓的要求。

4）防護電路應能熱插拔，不得影響信號設備正常工作。

5）防護電路的設置應不能降低系統原有技術性能。

4 浪涌防護電路設計

4.1 防護器件的選擇

常用的浪涌防護器件包括：陶瓷氣體放電管，壓敏電阻和TVS等。

1）氣體放電管

氣體放電管是一種開關型保護器件，工作原理是氣體放電。當兩極間的電壓足夠大時，極間間隙被放電擊穿，由原來的絕緣狀態轉化為導電狀態，類似短路。導電狀態下兩極間維持的電壓很低，一般在20～50 V之間，因此可以起到保護后級電路的效果。氣體放電管的續流遮斷是設計電路需要重點考慮的問題。

優點：通流量大，絕緣電阻高，寄生電容小，漏電流小。

缺點：反應時間長，擊穿后存在續流問題。

故障模式：大多數為開路，長期處于短路而燒毀時可能為短路。

2）壓敏電阻（MOV）

壓敏電阻是一種限壓型保護器件，當過電壓出現在壓敏電阻的兩極間時，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，從而實現對后級電路的保護。過電壓去除后，恢復為高阻態。壓敏電阻的反應時間是ns級。

優點：通流量大，反應速度較快，快于氣體放電管，無續流。

缺點：結電容大，有漏流。

故障模式：大多是短路，當通過過大電流時閥片炸裂而開路。

3）熱保護型壓敏電阻（TMOV）

TMOV是一種新型的帶熱保護型壓敏電阻，是在M OV的基礎上增加了一個溫度保險絲，這個溫度保險絲內阻很小，能夠敏感的感受到MOV溫度的升高，當溫度保險絲受熱斷開時，就切斷了MOV的供電通道，從而阻止了MOV繼續升溫，這樣就達到了熱保護的目的，避免了壓敏電阻短路故障模式的發生。

優點：同MOV

缺點：同MOV

故障模式：由于溫度保險絲的存在，TMOV的故障模式為開路

4）瞬態抑制二極管TVS

TVS是一種限壓型器件，也是利用器件的非線性特性將過電壓鉗位到一個較低的電壓值實現對后級電路的保護。TVS響應時間可以達到ps。TVS的通流容量在限壓型浪涌防護器件中是最小的，一般用于最末級的精細防護。TVS的失效模式主要是短路，當通過過大的電流時，也可能造成TVS炸裂而開路。

優點：動作時間最快，達到p s級，鉗位電壓低。

缺點：通流小。

全電子直流四線制道岔控制模塊浪涌防護電路采用了通流量相對較大的氣體放電管和熱保護型壓敏電阻作為防護器件。采用了氣體放電管和TMOV的串聯組合提供差模和共模防護。壓敏電阻和氣體放電管的串聯使用，大大降低了壓敏電阻的漏電流，延長了壓敏電阻的壽命。受浪涌沖擊時，陶瓷氣體放電管首先擊穿，然后由壓敏電阻限制浪涌電壓，總的殘壓為壓敏電阻殘壓加上氣體放電管的殘壓（通常氣體放電管導通態的殘壓為20～50 V）；沖擊過去后，由于壓敏電阻限制了電流，放電管不能維持導通而熄弧，恢復為正常工作狀態。

4.2 防護電路設計

全電子直流四線制道岔控制模塊浪涌防護電路采用了兩級防護的電路結構。防護電路結構示意圖如圖2所示。RV1-RV8是熱保護型壓敏電阻TMOV，DS1-DS2為兩極陶瓷氣體放電管。防雷模塊1-防雷模塊4為上海鐵大通用防雷模塊。L1-L2是一個共模電感的四個繞組，L1和L2同繞，L3和L4同繞。

圖2所示防護電路分為兩級。第一級防護電路采用了4個上海鐵大的LQ型防雷模塊，為X 1-X 4提供共模防護。LQ型防雷模塊電路結構也是采用了氣體放電管和壓敏電阻串聯的形式，并具有失效顯示和脫扣機構，能有效地避免影響信號主體設備。第一級防雷電路的通流能力較高，選為20 k A（8/20 μs）。

第二級防護電路的形式與第一級相同，采用熱保護型壓敏電阻和氣體放電管串聯的形式提供X 1-X4的共模防護,以及X 1和X3、X 2和X 3、X 1和X 4、X 2和X 4間的差模防護。第二級電路選擇的防護電壓比第一級的要低，通流量選為10 k A級。全電子直流四線制道岔控制模塊輸出的啟動電壓為直流電壓，表示電壓為直流脈動電壓，因此壓敏電阻的壓敏電壓選擇為1.8～2 Udc,Udc為回路中的直流電壓。氣體放電管的直流放電電壓應滿足不小于1.8 Udc。

兩級防護電路間采用了共模電感作為退偶器件。合理設計第一級電路和第二級電路間的電感值，可以使大部分的雷電流通過第1級防雷電路泄放，第2級電路只泄放少部分雷電流，這樣就可以通過第2級電路將防雷器的輸出殘壓進一步降低以達到保護后級設備的目的。

第一級防護電路位于信號機械室防雷分線盤，退偶電感位于道岔模塊機籠后插端子板，第二級防雷電路位于道岔模塊機籠后插防雷板，后插防雷板可以帶電插拔，不影響道岔控制模塊的正常工作。

5 結論

本文分析了全電子直流四線制道岔控制模塊浪涌防護電路的設計的必要性，闡述了防護電路的防護標準和設計原則，繼而設計了一種兩級防護電路。該電路按照TB/T 3074-2003的標準進行試驗，可保護后級電路不受損壞。

[1] TB/T 3074-2003 鐵道信號設備雷電電磁脈沖防護技術條件[S].

[2]經規標準[2008]113號 鐵路車站信號設備防雷、電磁兼容及接地[S].

[3]鄭軍奇．EMC電磁兼容設計與測試案例分析[M].北京:電子工業出版社，2006.