軌道電路的雷擊侵入路徑分析

赫忠良，王福文，林智文

（中國鐵路哈爾濱局集團有限公司電務部，哈爾濱 150006）

1 概述

在電氣電子設備大量上道的今天，為保證其可靠應用，必須為其打造一個優良的電磁環境。說到優良的電磁環境，就必須提到防雷電脈沖及靜電干擾。而信號系統是鐵路的重要組成部分，對保證列車的行車安全和運輸效率至關重要。

在中國國家鐵路集團有限公司及各鐵路局集團公司的重視下，鐵路信號設備建設天網、地網、法拉第籠，并對室內機柜、機架管線進行了等電位連接，在高速鐵路及電氣化區段設置貫通地線，并與地網進行等電位連接，為室內信號設備可靠運用營造一個優良的雷電及電磁環境，而室外信號設備由于裸露于軌旁，其雷電環境則相對惡劣的多。軌道電路利用沿鋼軌線敷設的信號電纜進行室內、室外的連接，弱電系統也通過電纜與室外軌旁信號設備、鋼軌、綜合接地系統進行電氣連接，是雷電信號侵入軌道電路設備的重要途徑。

雖然目前鐵路信號系統具有規范的防雷及綜合接地系統來進行雷電防護，但是發生雷擊故障后，大都僅憑現場運用經驗判斷，本文以軌道電路經典的雷電入侵方式為例，闡述雷電在軌道電路的侵入途徑。

2 ZPW-2000A軌道電路系統構成

ZPW-2000A 軌道電路系統是國內普遍使用的軌道電路制式，其室外部分包含傳輸電纜、鋼軌、空心線圈、匹配變壓器、調諧單元、補償電容等，室內部分包括發送器、接收器、衰耗器、防雷模擬網絡盤等電子設備。室外與牽引供電系統緊緊相鄰，包含AF 線、PW 線、T 線和接觸線、接觸網桿等，牽引供電系統的接觸網桿沿鋼軌豎立，網桿底部接入貫通地線，具體系統結構如圖1 所示。

圖1 ZPW-2000A軌道電路系統框圖Fig.1 Block diagram of ZPW-2000A track circuit system

ZPW-2000A 軌道電路室外信號電纜的電纜外皮與相鄰的接地接觸網桿塔共同采用一個貫通地線接地點，換而言之，接觸網桿塔與信號電纜外皮等電位相連，具體結構如圖2 所示。

圖2 室外電纜接地圖Fig.2 Outdoor cable grounding diagram

3 直擊雷侵入路徑分析

2014 年5 月23 日18:52 ～21:48，雷 擊造 成 某站下行區間21911AG 紅光帶。該次直擊雷造成21911AG 受端處接觸網桿絕緣子擊穿、21911AG受端PT 損壞、21911AG 電纜芯線斷線。本文將以此故障案例作為分析對象。

3.1 雷電活動情況

該站地理坐標為東經113.174°、北緯23.771°，通過調閱中國電網雷電監測系統的雷電數據發現，當日18:00～22:00 之間，該處雷電活動頻繁，雷電流幅值范圍約為30～60 kA。

3.2 設備損壞情況

經過調查發現現場損壞設備情況如下。

3.2.1 牽引供電設備損壞情況

21911AG 受端附近的接觸網桿T 線絕緣子被擊穿，絕緣子損壞情況如圖3 所示。

圖3 雷擊位置圖Fig.3 Position struck by lightning

3.2.2 軌道電路設備損壞情況

1) 21911AG 受端分支電纜芯線斷線，如圖4 所示。

圖4 電纜灼傷實物圖Fig.4 Photo of burnt cables

2) 21911AG 受端PT 損壞，其中E1、E2 萬可端子附近的V1-V2 金屬連接片有明顯灼燒痕跡，如圖5 所示。

3.3 雷電侵入路徑分析

圖5 雷擊位置圖Fig.5 Spot struck by lightning in PT

通過現場調查，該故障明顯是一起直擊雷故障，且發現雷擊接觸網桿和損壞的PT 距離很近，如圖6 所示。根據雷擊現場位置、損壞設備情況及雷電泄放機理，抽象出雷擊后雷電流泄放通道如圖7 所示，即PW 線、AF 線或T 線→接觸網桿→貫通地→電纜外皮→電纜芯線→PT →鋼軌→遠方的地。雷電侵入軌道電路的過程簡述如下。

圖6 損壞PT現場位置圖Fig.6 Position of onsite PT struck by lightning

圖7 雷電流泄放路徑圖Fig.7 Diagram of the path of lightning current discharge

1）雷的引入：雷的引入途徑可能有兩種：一是雷電直接擊中接觸網桿、PW 線，雷電流直接入地，同時把絕緣子擊穿；二是雷電擊中AF 線或者T 線（接觸線），使得其與接觸網桿產生高電位差，將絕緣子擊穿，然后雷電流通過接觸網桿入地。

2）地電位升、電纜外皮擊穿：雷擊后，入地雷電流急劇增大，使得地電位急劇抬升。由于此處電纜的外皮接地，所以電纜外皮電位也隨之抬升，從而在電纜外皮和芯線間產生非常大的電位差，造成電纜外皮和芯線間絕緣被擊穿。

3）PT 擊穿、產生紅光帶：雷電流通過電纜芯線進入PT，在E1、E2 處產生高電位，從而造成E1、E2 端子與鋼軌側端子放電，雷電流經鋼軌向遠處低電位處泄放。此過程中PT 被擊穿損壞，軌道電路產生紅光帶。

4 雷感應雷侵入路徑分析

2017 年8 月27 日19:00:53，某站區間下行線15607G、上行線15604G 出現紅光帶，20:14 電務段簽認設備恢復正常，影響客車4 列、貨車4 列，故障持續時間74 min。

4.1 雷電活動情況

經雷電監測信息查詢，發現故障當天19:00 故障區間附近雷電活動頻繁，根據區域附近故障時段內11 次雷電的具體監測數據可知，其中距離區段較近處形成過一次大幅值對地雷電流，其雷擊監測數據為：8 月27 日19:00:32.309，在北緯27.5462，東經109.8747 地點，雷擊主放電之后伴隨1 次回擊，幅值達到254.4 kA，距離故障區段6 297 m。（鋼軌區段坐標：北緯27.5414，東經109.8111 至北緯27.5322，東經109.8061）。

4.2 設備損壞情況

此次設備損壞情況如下。

1）室內兩個15607GJS、15604BGJS 接收器損壞，一個衰耗采集盒損壞。

2）一個發送器報警未損壞。

4.3 雷電侵入路徑分析

通過對區域雷電數據、機械室布局、現場實際布線接地情況和室內損壞設備的分析，認為造成此次雷擊故障的主要原因是室外感應雷電流入侵。

入侵通道如圖8 所示。

圖8 雷電入侵通道Fig.8 Path of Lightning

由于鋼軌區段附近有254.4 kA 大幅值雷電流對地放電，鋼軌上產生感應雷電流，形成高電位端。雷電流通過室外電纜的內屏蔽層和芯線進入室內，由于室內外電纜在柜上線槽存在并行走線，雷電流感應耦合至室內組合柜至移頻柜的電纜上，進入接收器形成高電位。因為接收器外殼接于安全地（低電位），接收器內形成電位差，放電造成接收器損壞，形成雷電流的泄放通路，雷電流從接收器外殼通過安全地流向室外低電位。

4.4 室內接口柜接地建議

由于ZPW-2000A 軌道電路的接口柜是室內外電纜的分界處，也是臟線、凈線的分界，接口柜上有防雷地FLE 和屏蔽地PBE（以前叫DLE），針對這兩個地應注意以下幾點。

1）防雷地FLE 與機柜柜體絕緣，屏蔽地PBE與機柜柜體良好導通連接。

2）防雷地FLE：機柜內電纜側信號線纜屏蔽層單端接地至機柜防雷地FLE 銅牌；防雷模擬網絡盤端子35、分線采集器端子25 連接至組匣背面接地銅條，由組匣接地銅條連接至機柜防雷地FLE 銅牌。

3）屏蔽地PBE：機柜內設備側信號線纜屏蔽層單端接地至機柜屏蔽地PBE 接地銅牌；CAN 總線屏蔽層單端接至機柜屏蔽地PBE 接地銅牌。

5 結論

本文以兩起雷擊故障為例，講述直擊雷和感應雷兩種雷電流在軌道電路上的侵入路徑，并提出軌道電路接口柜接地建議，對現場雷電防護和雷擊故障分析具有一定指導意義。