對客運專線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計院有限公司，北京 100073）

客運專線（以下簡稱客專）ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)自2008年開通應用以來，設備運用穩(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)防雷設計特點，重點論述雷電信號侵入通道及設備損壞原因，并提出系統(tǒng)防雷設計方案相關(guān)改進措施。

1 客專ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)防雷設計概況

軌道電路系統(tǒng)的防雷分為橫向防雷和縱向防雷。

橫向防雷的設計，均采用防雷元件進行防護，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。

縱向防雷的設計采用“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)的防雷變壓器進行防護，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)信號端口縱向防護均采用低轉(zhuǎn)移系數(shù)的防雷變壓器。同時室內(nèi)設備電路板和室內(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度，提高設備的抗干擾性，客專ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)機柜、設備外殼、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)的縱向防護采用如下方式。

1）根據(jù)設計，一般可通過空心線圈中心線直接接地進行縱向雷電防護。

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層對雷電電磁干擾的屏蔽效果

根據(jù)《鐵路信號設計規(guī)范》（TB10007-2006）14.1.8進出信號機房的電力線路和信號傳輸電纜應采用屏蔽電纜，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，應只在機房界面一端接地。

根據(jù)《高速鐵路設計規(guī)范（試行）》（TB10621-2009）14.10.4修改為室外電纜鋼帶（鋁護套）應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)采用電纜護套雙端接地方式，其他客專線路多采用電纜護套單端接地方式。

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

雷云對地放電產(chǎn)生的強大電磁場，可以在附近的電纜和金屬導管中感應出電磁脈沖即感應雷。在電磁場的作用下，電纜金屬護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套上與大地形成閉合回路，產(chǎn)生感應電流IOб，感應電流IOб利用下式表示。

式中：H——磁場強度；

rбp——鎧裝外半徑；

rбp·cp——鎧裝平均半徑。

金屬護套上的感應電流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電動勢Eдс-об，因此，電纜芯線對大地的合成感應電動勢為（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，因此由雷云感應在電纜護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)生大的感應電動勢，降低了金屬護套對雷電信號的屏蔽效果。當雷電脈沖信號超過室內(nèi)設備縱向電壓防護等級后，可能導致室內(nèi)客專ZPW-2000A軌道電路設備損壞。

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。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，應維持“《鐵路信號設計規(guī)范》（TB10007-2006）14.1.8進出信號機房的電力線路和信號傳輸電纜應采用屏蔽電纜，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，應只在機房界面一端接地。”且建議電纜屏蔽層應逐段進行雙端接地。

2.2 通信桿塔與機械室連接的方式和距離

客專車站由于面積局限，通信桿塔距離機械室較近，特別在中繼站，通信桿塔距離機械室多在5?m以內(nèi)，通信桿塔外體多通過金屬物體與機械室墻體連接。當在空曠的場地下，遭遇雷雨天氣，通信桿塔就相當于一個引雷裝置，機械室遭受“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處引來，結(jié)果URe就出現(xiàn)在電纜芯線和機械室地之間，就是雷電反擊問題。

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

因此，建議無線桿塔的設置應遠離機械室，無線桿塔避雷針的引下線接地點應與機械室地分開。

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，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設備的雷電信號形成泄放通道，從而損壞客專ZPW-2000A設備，如圖2所示。

另一方面，當電源屏入口側(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，雷電信號進入軌道電路系統(tǒng)設備24?V電源端口，從而造成設備大面積損壞。

2.4 ZPW-2000A軌道電路設備本身防雷存在提升空間

經(jīng)測試，防雷模擬網(wǎng)絡盤能滿足標準縱向雷擊電壓（4?000?V）測試。但是當縱向雷擊電壓超過4?000?V時，防雷模擬網(wǎng)絡盤電纜側(cè)和設備側(cè)之間的設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)絡盤內(nèi)的防雷變壓器，進入接收器側(cè)，造成雷電信號進入室內(nèi)微電子設備。以2012年6月秦沈線中繼2站遭遇雷擊情況為例，損壞設備區(qū)段的電纜模擬網(wǎng)絡盤內(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，可通過增強防雷模擬網(wǎng)絡盤的絕緣性能來提升系統(tǒng)防雷效果。

3 改進措施

3.1 加強ZPW-2000A軌道電路室內(nèi)設備的防雷性能

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

3.2 加強電源入口隔離

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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