城市軌道交通信號系統采集和驅動電路雷擊試驗方法

李 洋

(中國鐵道科學研究院標準計量研究所,100081,北京//助理研究員)

城市軌道交通信號系統采集和驅動電路雷擊試驗方法

李 洋

(中國鐵道科學研究院標準計量研究所,100081,北京//助理研究員)

通過分析城市軌道交通信號系統采集和驅動電路的工作原理,找到了雷電電磁脈沖的引入途徑。結合測試標準要求,分別給出了采集電路、光控可控硅驅動電路和晶體管驅動電路等三種不同接線形式的雷擊試驗方法。指出了試驗過程中需要注意的問題,為城市軌道交通信號采集和驅動電路的防雷設計提供合理的試驗方法。

城市軌道交通; 信號系統; 采集驅動電路; 雷擊試驗

Author′s address Standards & Metrology Research Institute of China Academy of Railway Sciences,100081,Beijing,China

目前,我國城市軌道交通信號系統雷擊試驗主要依據GB/T 3482—2008《電子設備雷擊試驗方法》和TB/T 3074—2003《鐵路信號設備雷電電磁脈沖防護技術條件》。但上述標準中對信號端口尤其是計算機采集驅動端口的雷擊試驗方法規定的不詳細,加上測試人員對城市軌道交通信號系統采集和驅動電路的工作原理不了解,使得很多實驗室在進行采集驅動端口的模擬雷擊試驗時無從下手,有些甚至盲目施加,造成大量的重復性和無意義的工作,降低了試驗效率。

本文列出了現階段城市軌道交通信號系統常用的采集和驅動電路的原理圖,詳細介紹了計算機采集和驅動的工作原理;并結合GB/T 17626.5—2008《電磁兼容試驗和測量技術 浪涌(沖擊)抗擾度試驗》中的試驗方法,分析城市軌道交通信號采集驅動電路的特殊性;最終給出了采集驅動電路施加模擬雷電沖擊的試驗方法和建議。

1 信號采集和驅動電路的工作原理

計算機采集繼電器狀態的工作原理圖如圖1所示,其采用了2個光電耦合器GD1和GD2。當繼電器處于吸起狀態時,直流24 V電壓加到GD1的集電極,計算機先向GD1輸出一個高電平信號“1”,使GD1導通,GD1的集電極輸出一個低電平到GD2。這時,GD2截止,輸出一個高電平“1”供計算機讀入。然后,計算機再向GD1輸出一個低電平“0”,使GD1截止,GD1的集電極輸出一個高電平到GD2。這時GD2導通,輸出一個低電平“0”供計算機讀入。因此,當計算機輸出脈沖串1010信號,讀回1010脈沖信號,計算機判斷該繼電器處于吸起狀態。如果繼電器斷電落下,無論計算機輸出任何信號,GD2始終處于截止狀態,輸出高電平信號(1111)供計算機讀入,此時計算機判斷繼電器處于落下狀態。

該電路采用電平變換的閉環電路來檢測繼電器狀態,并采用光耦合器防止電路故障時計算機輸出脈沖串到輸入端。光耦合器還起到電源隔離及抗干擾的作用。

計算機驅動繼電器動作有兩種方式:

一種是采用光控可控硅驅動電路,其工作原理如圖2所示。驅動繼電器時,計算機輸入一序列脈沖串,脈沖電壓經過光電耦合器,使光敏三極管導通,輸出的信號經過C1去掉直流分量,并由C2、D1、D2構成的電路整流濾波后,施加在光可控硅T的兩端,使光可控硅初級穩定發光,次級可靠導通,繼電器線圈通電,驅動繼電器吸起;當計算機沒有輸出時,光敏三極管處于截止狀態,光可控硅初級兩端無電壓,次級不導通,從而使繼電器線圈斷電,繼電器落下。

圖1 計算機動態采集電路原理圖

圖2 光控可控硅驅動電路原理圖

另一種是采用晶體管輸出驅動電路,其工作原理如圖3所示。驅動繼電器時,計算機輸入一序列脈沖串,脈沖電壓經過光電耦合器,使光敏三極管導通,脈沖電壓經過晶體三極管T1放大輸出,然后經過C1去掉直流分量,并由C2、D1、D2構成的電路整流濾波后,以直流輸出方式給繼電器線圈通電,驅動繼電器吸起;當計算機沒有輸出時,光敏三極管處于截止狀態,T1集電極無電壓輸出,繼電器斷電落下。

圖3 晶體管輸出驅動電路原理圖

2 采集電路雷擊試驗方法分析

城市軌道交通信號采集電路雷擊試驗方法如圖4所示:信號系統每塊采集板卡上輸出多路采集線(圖4中模擬了32路采集),分別與繼電器的節點相連,系統電源柜內的直流電源“+”線作為公共回線連接繼電器的另一節點,“-”線作為系統內部跳線連接到采集模塊的電氣地(GND)。根據雷電電磁感應原理,浪涌過電壓主要通過外引出線感應到受試設備,所以應該施加浪涌的線路為L1～L32以及電源“+”線,電源“-”線可忽略。

圖4 城市軌道交通信號采集電路雷擊試驗方法

試驗主要依據為GB/T 17626.5—2008 《電磁兼容 試驗和測量技術 浪涌(沖擊)抗擾度試驗》及TB/T 3074—2003 《鐵路信號設備雷電電磁脈沖防護技術條件》。按照標準要求,采集模塊輸出為非屏蔽不對稱互連線,應對每一線路和地之間進行縱向沖擊,對線路和線路間進行橫向沖擊。考慮到采集線路數量太多,且每條線路連接的電路結構一致,為提高試驗效率,可選取其中2條采集回路,分別模擬采集時的吸起、斷開兩種狀態,對其施加線-地/線-線沖擊試驗。

從圖1可以看到,采集線路雷擊浪涌主要從晶體管集電極注入,考察元器件與防雷地之間的耐受能力。如果晶體管被擊穿,呈短路或開路狀態,會導致計算機反饋得到的采集信息與實際情況不一致,造成誤采集。另外,不要將電源“-”線和防雷地共地,因為晶體管集電極和發射極之間的耐過電壓能力遠小于集電極和絕緣層之間的耐過電壓能力,更容易被擊穿。

3 驅動電路雷擊試驗方法分析

目前,城市軌道交通信號驅動電路主要采用光控可控硅驅動電路和晶體管輸出驅動電路,前者通過可控硅控制直流電源模塊的通斷提供直流電壓,后者通過晶體管將脈沖信號放大整流提供直流電壓。光控可控硅驅動電路的雷擊試驗方法如圖5所示:每塊驅動卡上輸出多路驅動線與繼電器線圈正極連接(圖5中模擬了16路驅動),系統電源柜內的直流電源“-”線作為公共回線連接繼電器線圈的負極,“+”線作為系統內部跳線與采集板上的集電極和可控硅相連。根據雷電電磁感應原理,浪涌過電壓主要通過外引出線感應到受試設備,所以應該施加浪涌的線路為L1～L16以及電源“-”線,電源“+”線可忽略。

類似采集電路,驅動模塊輸出為非屏蔽不對稱互連線,應對每一線路和地之間進行縱向沖擊,對線路和線路間進行橫向沖擊。考慮到驅動線路數量太多,且每條線路連接的電路結構一致,為了提高試驗效率,可選取其中2條驅動回路,驅起一路落下一路,對其施加線-地/線-線沖擊試驗。

圖5 城市軌道交通信號光控可控硅驅動電路雷擊試驗方法

從圖2中可以看到,驅動線路雷擊浪涌主要從可控硅負極注入,考察可控硅元件與防雷地之間的耐受能力,如果可控硅被擊穿,呈開路或短路狀態,會無法正常驅動繼電器,造成危害。

晶體管驅動電路的雷擊試驗方法如圖6所示:直流電源直接接入驅動板作為直流偏置電路,保證晶體管處于導通放大狀態;集電極輸出的電壓經過整流濾波后連接到繼電器線圈的正負極,每塊驅動板上輸出16對連接線(LJF1-LJZ1～LJF16-LJZ16),沒有公共回線。根據雷電電磁感應原理,浪涌過電壓主要通過外引出線感應到受試設備,所以應在每對連接線上施加浪涌。

如果驅動模塊輸出采用雙絞線或其他形式的對稱電纜,按照標準要求,應分別對每組線中的每根線對地進行沖擊。考慮到理想狀況下對稱線間不會感應出雷電電磁脈沖,所以不進行線-線間的橫向沖擊。如果輸出采用非對稱電纜,則要增加兩根線之間的沖擊試驗。

從圖3中可以看到,雷擊浪涌沿著繼電器線圈的正負極從整流濾波電路的兩端開始注入,考察元器件與防雷地之間的耐受能力;如果元器件損壞,沒有穩定的輸出,則繼電器線圈兩端加不上電壓,繼電器無法吸起。

圖6 城市軌道交通信號晶體管驅動電路雷擊試驗方法

此外,除了晶體管驅動電路外,其他采集、驅動回路均采用系統直流電源的正負極作為公共回線引出機柜外,這樣,在直流電源端口同樣會引入浪涌過電壓。所以,建議信號系統的直流電源模塊也要進行雷電沖擊試驗,以保證電源模塊的穩定性。

4 雷擊試驗過程中注意的問題

模擬雷電沖擊發生器放電回路結構如圖7所示,其由阻值較低的電阻及電容元器件組成。如果在試驗過程中,直接把發生器輸出接到受試設備,相當于無形中在受試設備輸入或輸出端并聯了一個小電阻。在采集電路線-線間進行雷擊試驗時,如果直接把沖擊發生器并入采集線1和采集線2之間,會使原本采集繼電器節點落下的采集回路2接入采集回路1的直流電壓,導致誤采集。因此,試驗時,應該在沖擊發生器放電回路端接入合適的耦合網絡,防止上述情況的發生。

在其他線路的試驗過程中,如果接入沖擊發生器后對受試設備正常的工作狀態產生影響,應采取合適的耦合方式接入;如果沖擊發生器不會影響設備正常工作,則可以不加入額外的耦合網絡。畢竟,耦合網絡的接入會造成脈沖試驗波形的失真,影響試驗的準確性。

5 結語

計算機采集驅動控制電路作為計算機聯鎖系統、車站列控中心系統等的核心組件,對行車安全起著至關重要的作用。為了合理、有效地通過試驗來提高采集驅動電路抗雷電電磁脈沖干擾的能力,就必須了解采集驅動電路的工作原理,找到雷電電磁脈沖的引入途徑,在正確的位置施加防護手段或提高絕緣等級,不盲目接地,最終通過反復的模擬雷擊試驗來驗證產品的可靠性。

圖7 模擬雷擊發生器放電回路結構圖

采集驅動電路的形式有很多種,本文僅選取了幾個有代表性的電路進行分析。希望在以后的試驗中,面對不同的電路結構,可參考本文的測試方法,首先讀懂電路原理圖,然后繪制受試設備與外界的接線圖,找到雷電電磁脈沖的引入途徑;最后結合標準要求,有針對性地施加雷電沖擊,合理、高效地完成試驗。

[1] 中國國家標準化管理委員會.電磁兼容試驗和測量技術 浪涌(沖擊)抗擾度試驗:GB/T 17626.5—2008[S].北京:中國標準出版社,2008.

[2] 中國國家標準化管理委員會.電子設備雷擊試驗方法:GB/T 3482—2008 [S].北京:中國標準出版社,2008.

[3] 中華人民共和國鐵道部.鐵道信號設備雷電電磁脈沖防護技術條件:TB/T 3074—2003 [S].北京:中國鐵道出版社,2003.

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[10] 李洋.浪涌發生器放電回路的分析與討論[J].鐵道技術監督,2014(8):23-26.

Lightning Impulse Test for Acquisition and Driving Circuit of Urban Rail Transit Signal

LI Yang

With an analysis of the working principle of acquisition and driving circuit of urban rail transit signal,the induction way of lightning impulse is detected.According to the test standards,three test methods for lightning impulse——acquisition circuit,optocoupler SCR circuit and transistor drive circuit are given respectively.The purpose is to provide a reasonable test method for the lightning protection design of railway signal acquisition and drive circuit.

urban rail transit; signal system; acquisition and drive circuit; lightning impulse test

U231.7

10.16037/j.1007-869x.2017.04.017

2016-04-12)