全電子計算機聯鎖系統中點燈控制電路的抗雷電沖擊性能分析與設計

蘇　琛，曠文珍，許　麗

(1.蘭州交通大學光電技術與智能控制教育部重點實驗室，蘭州　730070；2.蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，蘭州　730070)

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全電子計算機聯鎖系統中點燈控制電路的抗雷電沖擊性能分析與設計

蘇琛1，曠文珍1，許麗2

(1.蘭州交通大學光電技術與智能控制教育部重點實驗室，蘭州730070；2.蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，蘭州730070)

摘要：對全電子計算機聯鎖系統中的信號點燈控制電路的雷電沖擊過程建立電流模型；在建立的模型基礎上，分析、計算點燈控制回路中電纜長度、電纜芯數、電子開關內阻、防雷器件等參數對控制回路中關鍵器件——電子開關的抗雷電沖擊的影響，分析結果能為全電子計算機聯鎖系統中信號點燈控制回路電子開關的參數選取提供重要的參考依據。

關鍵詞：鐵路信號；全電子；計算機聯鎖；點燈電路；雷電；沖擊

1概述

《鐵路信號設備雷電及電磁兼容綜合防護實施指導意見》中對全電子計算機聯鎖系統中的信號機的防雷做了詳細規定，并有相應的防雷電路圖[1]。隨著全電子計算機聯鎖系統的廣泛推廣應用，作為電子化、智能化的信號設備，其抗雷電性能受到很大的關注。信號點燈控制回路作為全電子計算機聯鎖系統的核心控制電路，必須保證在《鐵道信號設備雷電電磁脈沖防護技術條件》中規定的沖擊等級下能穩定、可靠地工作，所以在設計過程中對控制回路中的關鍵器件需要選擇與其抗沖擊能力相匹配的參數。本文對全電子計算機聯鎖系統中的信號點燈控制電路的雷電沖擊電流建立模型；在建立模型基礎上，分析、計算點燈控制回路中電纜長度、電纜芯數、防雷器件等參數對控制回路中關鍵器件——電子開關的抗雷電沖擊的影響，分析結果能為全電子計算機聯鎖系統中信號點燈控制回路電子開關的參數選取提供重要的參考依據。

2點燈控制回路雷電沖擊模型的建立

2.1雷電模型

點燈控制電路通過信號傳輸電纜直接與室外的信號機相連，采用試驗等級三級進行沖擊試驗，采用10/700 μs波形，線地試驗電壓2 kV[2]進行沖擊試驗。電壓沖擊波形如圖1所示。其中波前時間

T1=1.67×T=10×(1±30%)μs

半峰值時間

T2=700×(1±20%) μs

圖1　電壓模型

對于圖1浪涌沖擊電壓波形進行曲線函數擬合，擬合后的電壓曲線波形函數近似為

2.2點燈控制電路圖

全電子計算機聯鎖系統中的調車信號機點燈控制電路如圖2所示[3]。其中，K1、K2、K3為電子開關，B和A為室外調車信號燈的蘭、白燈，SPD1、SPD2、SPD3為安裝在防雷分線柜上的信號傳輸線防雷保安器，T1、T2為室外信號燈變壓器。

圖2　調車信號機點燈控制電路原理

點燈控制電路正常工作情況下，開關K1、K2閉合、K3斷開，點亮調車信號機的蘭燈；開關信號機的K1、K3閉合、K2斷開，點亮調車白燈。由于藍燈和白燈控制電路具有對稱性，選取藍燈控制電路進行分析。室外信號設備在遇到雷電時，尤其是嚴重的雷擊過后，產生的巨大電流會沿著電纜線路傳遞[4]，電纜的長度、芯數等參數對于雷電在電纜的傳遞有嚴重影響，因此在等效電路中必須考慮電纜參數對于整個回路里電流的影響，等效電路圖如圖3所示。其中，F(t)為雷電脈沖；RK1、RK2為開關K1、K2的內阻；R1、R2為電纜電阻；ZT為變壓器阻抗；Z1、Z2為電纜線對地阻抗。

圖3　等效電路

3雷電沖擊電流的計算

防雷保安器SPD遭受雷電時會對地泄流，來防止雷電對于動作開關的沖擊。室外信號設備的防雷保安器限制電壓700 V[5]，所以SPD當浪涌沖擊電壓大于700 V時，SPD才響應，才對地泄流。當浪涌沖擊電壓小于700 V時，雷電對動作開關造成沖擊，所以需要計算在SPD響應之前雷電對于動作開關的沖擊電流。

在SPD響應之前，根據雷電電壓波形的函數，可以得出當浪涌沖擊電壓小于700 V時電壓曲線波形函數公式F(t)=2×108t(0≤t≤3.5μs)根據圖3的等效電路可以看到，當雷電脈沖沖擊點燈電路時，SPD1會先于SPD2響應。用10/700 μs組合波發生器模擬雷電。利用網孔分析法分析電路[6]，其電路圖如圖4所示，網孔電流為I1、I2、I3，其中I3為通過動作開關的沖擊電流，交流電源為AC220V ，輸出內阻R=10 Ω[7]，雷電脈沖函數為F(t)，輸出電阻R3=40 Ω[3]，開關電阻RK1=RK2=RK=0.5 Ω[8]，電纜電阻R1=R2=Rd，電纜線對地阻抗Z1=Z2=Z。對參數的計算分別如下。

(1)信號傳輸電纜線采用鐵路信號電纜，以型號PTYA23為例，其直流電阻規定小于等于23.5 Ω/km[9]，所以電阻Rd=0.235lΩ(l為電纜長度)。

(2)PTYA23型號電纜對地絕緣電阻r≥3 000 MΩ/km[10]，對地電容公式

其中，ε0為真空介電常數；n為電纜芯數；l為電纜長度；ε為絕緣材料相對介質常數對于聚乙烯絕緣，ε=23[10]；ε0=8.86×10-12F/m；Di絕緣層外徑；Dc導電線芯外徑。為方便計算可以寫成公式

其中，G為幾何因數，根據查表G=2.0[8]。所以電容c的阻抗

所以電纜線對地阻抗

變壓器的二次線圈的負載為信號燈，信號燈功率P=41 W[12]，假設BX1-34為理想變壓器，根據理想變壓器的負載轉換[6]，等效的變壓器阻抗ZT為

圖4　網孔分析電路

通過動作開關的電路I3

其中電纜芯數n的規格為：4、6、8、9、12、14、16、19、21、24、28、30、33、37、42、44、48、52、56、61[9]，電纜長度l取0～5 km不同的值。

當電纜芯數n取4、14、48、61，電纜長度l取0～5 km不同的值時，對于電子開關的沖擊峰值電流仿真曲線如圖5所示，沖擊電流的波形如圖5中小圖所示。

圖5　沖擊電流仿真曲線

當電纜長度l取1、2、5 km，電纜芯數n取4～61不同的值時，對于電子開關的沖擊峰值電流仿真曲線如圖6所示。

圖6　沖擊電流仿真曲線

4結論

本文通過電路分析的方法計算了在SPD響應之前雷電對于動作開關的沖擊電流波形(如圖5和圖6所示)，分析可以得出：當電纜芯數小于28時，沖擊電流的峰值的大小會隨著電纜的長度l的增加而變大，因此電纜芯數n=28并且電纜長度l=5 km時，雷電對于動作開關沖擊電流最大，峰值電流Imax=1.752 A；當電纜芯數為大于28時，沖擊電流的峰值在2 km達到最大，因此電纜芯數n=61并且電纜長度l=2 km時，雷電對于動作開關沖擊電流最大，峰值電流Imax=2.034 A；總結上述兩種情況可以得出：當電纜芯數n=61并且電纜長度l=2 km時，雷電對于動作開關的沖擊電流最大，峰值電流為Imax=2.034 A，所以在選擇動作開關的時候應該考慮動作開關的抗雷電沖擊的電流大于峰值電流2.034 A，以確保雷電對于開關的沖擊電流在可以承受的范圍以內。

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Analysis and Design of Lightning Resistance Ability of Signal lightning Control Circuit for All-electronic Computer Interlocking System

SU Chen1， KUANG Wen-zhen1， XU Li2

(1.Key Laboratory of Opto-electronic Technology and Intelligent Control， Ministry of Education， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China; 2.School of Automation and Electrical Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China)

Abstract：This paper establishes a current model for the lighting impulse process of the signal lighting control circuit for all-electronic computer interlocking system to analyze the effects of such parameters as the cable length， the number of cable cores， the electronic switch internal resistance and the lighting resistance devices on the lighting resistance of such key device as electronic switch. The results can provide important references for the computer based interlocking system.

Key words：Railway signaling; all-electronic; Computer interlocking; Signal lightning control circuit; Lightning; Impulse

文章編號：1004-2954(2016)05-0137-03

收稿日期：2015-07-27； 修回日期：2015-09-02

基金項目：甘肅省青年科技基金計劃項目(1308RJYA096)；甘肅省高?？蒲许椖?2013A-050)

作者簡介：蘇琛(1990—)，男，碩士研究生，E-mail：kuangwz@mail.lzjtu.cn。

中圖分類號：U284.3

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.030