懸浮結構鐵路信號設備雷擊損壞的原因分析及防護方法探討

李永毅 王州龍

李永毅:中國鐵道科學研究院通信信號研究所 高級工程師 100081 北京

王州龍:中國鐵道科學研究院通信信號研究所 助理研究員 100081 北京

針對高速鐵路運營中電磁環境發生的變化，以及可能發生的雷害事故，鐵路總公司加強了對信號設備雷電防護的研究工作，部署了《高速鐵路綜合雷電防護關鍵技術研究》重大科研課題，對高速鐵路雷害防護工作，特別是受雷害頻次最多軌道電路做了重點研究。

為了防止雷電防護器件發生短路出現第三軌問題，ZPW-2000A軌道電路雷電防護方案中只采用差模防護的目的。差模防護是為了防止鋼軌遭直擊雷，經軌道變壓器傳導過電壓。由于目前鐵路信號設備多采用埋地電纜，電纜芯線緊密，對地分布特性接近，感應雷在各芯線間感應出的雷電過電壓值差別小，而芯線與大地之間電位差大。所以在考慮感應雷防護時，還應采用共模防護措施。如果沒有共模防護，完全依靠系統絕緣性能來承擔較高過電壓沖擊，則系統的絕緣將很容易燒損。

1 試驗分析

1.1 現場雷擊損壞情況與試驗對比

在現場雷害調查中，發現雷擊損壞的器件除了接口芯片外，還有CAN總線控制芯片SJA1000T、總線驅動芯片74HC245N、光電隔離器件A6N137、A/D轉換器AD7865等內部芯片會同時損壞，而且還會發生器件爆裂現象。說明雷電泄放通道是經過接口及內部芯片，且能量較高。

針對信號設備耐沖擊水平的試驗，包括了ZPW-2000A軌道電路在內的各種懸浮系統沖擊試驗。一旦沖擊電壓升高到一定值(沖擊耐受水平UW)，系統內部絕緣會擊穿，并發出放電聲，同時受試設備接口及內部芯片大面積損壞。幾種系統設備的耐沖擊水平值，如表1所示。

表1 受試信號設備縱向絕緣沖擊擊穿值

由表1可見，ZPW-2000A軌道電路CANE通信單元縱向耐沖擊值在3700V左右，按照TB/T3074-2003《鐵路信號設備雷電電磁脈沖防護技術條件》中的要求，對室內CAN總線縱向雷擊試驗采用10/700 μs 2kV沖擊試驗，顯然CANE通信單元縱向耐沖擊能力能夠通過標準要求的雷電抗擾度試驗。可在現場應用中，ZPW-2000A軌道電路的發送、接收和CAN總線電路遭雷電沖擊損壞現象很多，原因何在?

1.2 模擬計算

在鐵路信號機房內，信號設備接口雷電過電壓侵入途徑有傳導、感應和地電位反擊3種方式。因傳導雷電電涌電壓可以被信號分線柜處的防雷設施限制在一定數值以內，故在此不用考慮。

以一個三等車站為例，模擬計算信號機房線路雷電反擊或感應的電壓等級。假設機房等效沖擊接地電阻為0.2 Ω，當50 kA直擊雷擊在機房避雷帶上，雷電流沿接地極泄放入地時，系統地電位升高電壓等于0.2 Ω×50 kA=10 kV。雷擊在距車站100 m遠處，車站屏蔽為5 m×5 m的鋼混結構，鋼筋直徑20 mm，機房內信號線與地線構成10 m×3 m的環路，其開路最大感應電壓Uoc/max由下式計算:

其中:μ0為真空的磁導系數，4π×10－7(V·s)/(A·m);b為環路的寬度(m);l為環路的長度(m);H1/max為LPZ1區內最大的磁場強度(A·m);T1為雷電流的波前時間(s)。

按照GB50057-2010《建筑物防需設計規范》中表F.0.1-1、F.0.1-2和表F.0.1-3中一類建筑物考慮，防護的最大雷電流，由計算可知:

200 kA首次正極性雷擊，波前時間 T1=10 μs，在信號線路內感應的電壓 Uoc/max=720(V);

100 kA首次負極性雷擊，波前時間T1=1 μs，在信號線路內感應的電壓Uoc/max=3600(V);

50 kA首次負極性以后雷擊，波前時間T1=0.25 μs，在信號線路內感應的電壓 Uoc/max=7215(V)。

可見，設備地電位反擊電壓和信號線路內可能感應出的電涌電壓，都有可能超過系統絕緣電壓，會造成系統設備擊穿損壞。雷電點距信號樓的距離和雷擊電流大小是隨機的，實際應用中，由于很多機房附近有無線通信鐵塔，導致遭雷擊的概率增加，所以，信號線路內存在產生超過系統絕緣等級電涌電壓的可能性。

1.3 雷害分析

由雷電電涌模擬計算和信號設備絕緣耐沖擊水平試驗數據可以說明，單個車站出現超過信號設備絕緣耐受水平的雷電電涌電壓的概率雖然較小，但分布在全國范圍內的各個車站遭雷害概率總和卻很大。一旦較高電涌電壓出現，沿線路端口到擊穿點間所經過通路上的所有器件都會損壞，損壞路徑如圖1所示。

圖1 懸浮系統擊穿損壞機理示意圖

2 防護方案

感應雷電電涌電壓和反擊電壓受雷電流峰值、雷擊點遠近、雷電流上升速率等多種因素影響，信號線路內的雷電電涌電壓變化范圍很大。系統的防護靠提升絕緣等級，既增加設備費用，又不能徹底解決絕緣擊穿問題。所以，最有效的方案是增加縱向防護。

因ZPW-2000A軌道電路采用懸浮系統，不加裝縱向防護的原因是防止在應用中發送和接收兩側SPD同時出現短路損壞情況，在軌道占用時可能出現第三軌，使故障升級。可是，由于沒有縱向SPD防護，使信號系統出現雷擊事故較多。為了解決這一矛盾。正確分析SPD出現短路損壞的條件，采用恰當的方法設計SPD，既可以防止出現第三軌，又能夠有效避免信號系統遭雷擊損壞。

由表1可知ZPW-2000A軌道電路系統縱向的耐沖擊水平UW在2000 V以上，按照UW選擇SPD的防護水平Up，保護絕緣不被擊穿就可以有效防護。因此，采用壓敏電阻、放電管就可以滿足對ZPW-2000A軌道電路系統縱向防護要求。

2.1 SPD損壞模式分析

SPD的主要元件是壓敏電阻和放電管。壓敏電阻損壞的原因主要有2個:一是產生漏電流劣化，當壓敏電阻溫度升高到一定值后，會使壓敏電阻過熱形成局部擊穿短路;另一個原因是瞬態電涌電流(雷擊電流)過大，超過壓敏電阻通流能力，燒壞壓敏電阻造成短路。放電管損壞出現短路的原因主要有3個:一是電氣化干擾，使放電管長時間弧光放電;另一個是雷電流過大，這2種情況都會使電極熔化鍍在陶瓷壁上形成一層金屬膜，使放電管呈現阻性狀態;第3個原因是早期的放電管采用軸形電極工藝。

2.2 SPD設計方法

1．壓敏電阻出現短路的因素是漏流和過流，SPD采用壓敏串放電管結構可以截斷漏流，當過電流造成壓敏電阻擊穿時，由于SPD中存在著串聯的放電間隙，可使SPD保持開路狀態。

2．選擇杯形結構放電管，結構如圖2所示，防止電極變形或脫落造成短路情況。

3．高速鐵路的電化干擾是由于牽引回流流經貫通地線引起，電壓一般在幾十伏以內，個別情況最大也不超過幾百伏。SPD中選用高標稱導通電壓(大于600 V)的放電管和壓敏電阻串聯，既能防止系統絕緣被擊穿，又能避免電氣化干擾使放電管呈現阻性狀態，避免第三軌出現。

圖2 杯形放電管工藝結構圖

4．鐵路信號系統線路內雷電感應電流等級范圍一般在幾十安到幾百安，在設計SPD時。選擇小通流容量(1 kA)的壓敏電阻和大通流容量(20 kA)的放電管串聯組合。按照GB/T9043-2008《通信設備過電壓防護用氣體放電管通用技術條件》規定:使用8/20 μs波形標稱放電電流沖擊放電管10次，放電管特性不應損壞。雷電感應電流遠小于放電管標稱放電電流，不會使放電管電極熔化損壞出現短路情況。假如線路中出現大于放電管標稱放電電流的雷電流，使放電管電極熔化損壞時，該電流因遠大于壓敏電阻的通流容量，壓敏電阻會炸碎開路，同樣不會出現信號對地短路情況。這樣就保證不會出現壓敏電阻和放電管同時短路的狀態，避免第三軌出現。

5．在SPD內增加過流熔斷裝置，確保雷電流過大時，過流保護裝置動作，將SPD脫離線路，確保不會出現第三軌。

3 結論

因降低設備的雷擊損壞事故刻不容緩，所以軌道電路系統的縱向防護十分必要。采用本文介紹的方法設計SPD，必要時采用短路檢測裝置，將出現短路的SPD自動脫離信號線路，再加上定期檢測等管理方法，就可消除第三軌出現的可能性。只有加裝縱向防護，才能有效保護軌道電路系統設備免遭雷擊損壞，保證行車安全。

［1］中華人民共和國GB 50057-2010.建筑物防雷設計規范［S］.2010.

［2］中華人民共和國GB/T9043-2008.通信設備過電壓防護用氣體放電管通用技術條件［S］.2008.

［3］中華人民共和國鐵道部.TB/T3074-2003.鐵路信號設備雷電電磁脈沖防護技術條件［S］.2008.