基于層次分析法的高速鐵路信號系統雷害風險評價

王州龍，孫建國，張 賓，靳邵云

高速鐵路作為大容量公共交通工具,其安全性直接關系到乘客的生命安全［1］。信號系統擔負著各種行車設備的控制和行車信息的傳輸,在高速鐵路中有著舉足輕重的地位,更是保障高速鐵路運營安全、杜絕事故發生的重要基礎［2］。

我國高速鐵路多采用高架方式,牽引供電接觸網的導線對地高度明顯增加,接近甚至超過了電力系統110 kV輸電線路［3］,而信號設備多采用大規模集成電路和低耐壓器件,耐過能量不高,對外界電磁感應更加敏感,承受雷擊電磁瞬態干擾能力不強,遭雷擊損壞或不正常工作的概率普遍增加。

目前,高速鐵路信號系統雷電防護還局限于定性描述防護策略階段,對現有信號系統雷電防護措施的評價主要基于經驗判斷,對于高鐵信號系統雷害風險的認識比較模糊,許多潛在的雷害風險尚未完全掌握。而高速鐵路多為長距離線路,受鐵路沿線不同雷暴、土壤電阻率區域及雷電強度的影響,對信號設備造成影響的差別很大,用統一的標準來考量信號設備的防雷可靠性,容易出現防護盲點。調查發現線路信號樓內信號設備遭雷擊損壞的風險程度,與設備端口的感應過電壓值、信號設備自身耐雷電沖擊水平及防護措施有關。

國際電工委員會率先將風險評估引至建筑物雷電防護中,提出雷害風險評估體系,核心是以雷電活動頻度、地閃密度、雷暴日等數據作為風險分析因子,通過對風險因子計算進行概率統計,但這種概率統計方法并不能定量確定系統的雷害風險。華北電力大學的邊凱［4］建立了高鐵牽引網雷電過電壓計算模型,計算了不同橋高下雷擊跳閘率風險；程宏波等［5］通過確定牽引供電系統各部分雷擊危險區的大小,對高鐵牽引供電系統各部分遭受雷擊損害的風險程度進行評估；國家電網的谷山強等［6］對高速鐵路牽引供電系統雷害風險評估做了相關研究；趙淳等［7］提出了全層級電網雷害風險評價體系,但均未對高速鐵路信號進行系統級的雷害風險評價方法研究。

為此,本文在獲取線路信息和雷電參數信息的基礎上,利用信號系統雷擊瞬態模型［8］計算設備雷擊過電壓,并試驗研究信號設備自身耐雷電沖擊水平,嘗試建立一套基于定量計算的、多層次分析的方法［9］,根據風險評價結果及時采取相應的防護措施,徹底規避不可接受風險。

1 信號系統雷擊侵入途徑

本文以CTCS-2級列控系統地面子系統（包括軌道電路、列控中心、LEU等）及聯鎖系統為例,介紹雷擊侵入導致信號系統過電壓的途徑。

雷擊導致信號系統過電壓主要有3種途徑:①雷擊附近大地,在信號電纜內感應過電壓,并傳導到信號設備端口,這種情況在鐵路信號系統中最為常見,室外遭受強雷擊侵擾時,鋼軌或電纜感應過高的雷擊瞬態過電壓,雖然經過一次、二次成端的屏蔽接地處理和分線柜防護,但仍有較高的雷電過電壓侵入信號設備端口,典型雷電侵入信號系統途徑見圖1；②雷擊附近高建筑引起地電位反擊；③雷擊遠端或附近大地,在信號樓內的傳輸線纜上電磁耦合產生過電壓。

圖1 典型雷電侵入信號系統途徑示意圖

2 信號系統雷害風險評價體系實現

建立信號系統雷害風險評價體系,可以從項目設計、實施、維護等全生命周期,對鐵路信號系統防雷工作予以指導,采用更可靠的信號系統防雷方案,使信號系統雷害風險在可接受水平,以確保信號系統雷電防護安全。本文提出基于定量計算的、多層次分析的信號系統雷害風險評價方法,總流程見圖2,具體流程如下。

圖2 高速鐵路信號系統雷害風險評價總流程

1）雷電及線路信息獲取。可采用分區段統計法,統計該區段軌道兩側一定范圍、一定時間內超過一定幅值的雷電信息（即危險雷電）。線路信息包括線路特征信息、線路地理信息等。線路特征信息包括軌道高度、土壤電阻率等；線路地理信息包括高鐵線路的區段坐標、經緯度坐標、海拔高度等。

2）區段內各信號子系統雷擊過電壓計算。根據線路危險雷電信息,結合線路地理信息、線路特征信息,利用信號系統雷擊瞬態模型,計算信號設備端口雷擊過電壓。可采用基于頻域參數提取和矢量匹配擬合技術的雷擊瞬態建模方法,建立信號設備雷擊瞬態模型。

3）信號子系統設備耐雷電沖擊水平研究。采用試驗室模擬雷擊試驗的方法,試驗各信號系統設備端口的耐雷電沖擊水平。

4）信號子系統雷害風險等級分析及評價。劃分信號系統雷害風險等級,建立信號子系統雷害風險矩陣；依據信號子系統端口雷擊過電壓與耐雷電沖擊水平比較計算結果,得到區段內各信號子系統雷害風險等級；根據風險等級分析結果,提出評價結果和防護改進措施,確定線路中易發生雷害的信號子系統。

3 信號系統雷害風險評價體系應用

以發生過雷擊故障的某高鐵線路為例,基于雷擊故障時間段雷電監測數據,對信號系統進行雷害風險評價研究。本例中雷電參數獲取自有關部門雷電監測網數據。

3.1 參數獲取

1）線路信息:線路全長約21 km,分為28個段,故障發生在4-5段,為高架段,橋高16 m,軌道高度近似設定為16 m,土壤電阻率ρ=100Ω·m。

2）雷電參數:根據雷電監測數據,4-5段某日19:00:00～20:30:00時間段沿線走廊共記錄發生雷擊26次,120 m內雷擊5次,其中超過30 kA的危險雷電共4次,分別為5號（?52.5 kA,66 m）、15號（?45.0 kA,40 m）、22號（?30.4 kA,69 m）和26號（?48.6 kA,16 m）。

3.2 信號子系統雷擊過電壓計算

設定條件:雷電回擊電流波頭時間為2.6μs,半峰值時間為50μs,通信信號電纜采用單端接地方式,考慮在嚴苛情況下,雷電回擊通道正對位置電纜護套不接地,1 km外鎧裝、護套、屏蔽層接地。

利用瞬態計算模型,對危險雷電分別計算其在軌道電路系統各單元瞬態過電壓值。考慮到雷擊地面感應雷的作用范圍、雷電監測網定位誤差等因素,本文采取典型最低邊界條件計算方法,對超過30 kA但未超60 kA的雷擊按30 kA考慮；0～30 m范圍的雷擊按30 m考慮,30～60 m范圍的雷擊按60 m考慮,60～120 m范圍的雷擊按120 m考慮。分別計算雷擊點距軌道30、60、120 m時,在電纜芯線及軌道電路系統各單元瞬態過電壓值,見表1。結合監測數據可以得出,15號雷電在模擬網絡盤末端,過電壓可達到或超過5.02 kV；26號雷電在模擬網絡盤末端,過電壓可達到或超過10.47 kV；5號和22號雷電在模擬網絡盤末端,過電壓可達到或超過1.01 kV。

表1 軌道電路各單元雷擊瞬態過電壓值（雷電流30 k A）

對于只有室內信號傳輸線的設備端口,可按格柵空間屏蔽衰減模型,計算雷電在信號機房內線路感應的電壓等級。假定該站信號樓機房等效沖擊接地電阻為0.2Ω,雷擊在距車站信號機房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。通過計算可得50 kA后續雷擊在信號線路內感應的電壓為7 217 V,30 kA后續雷擊在信號線路內感應的電壓為4 329 V。

3.3 信號設備耐雷電沖擊水平

采用最小系統動態沖擊試驗的方法,即對設備進行最小系統級聯,并使之處于正常工作狀態,在設備接口不加裝浪涌保護器（SPD）的條件下,按照《鐵路通信信號設備雷擊試驗方法》（TB/T 3498—2018）中規定的模擬雷電沖擊波形,對試驗接口從低到高逐漸增加沖擊電壓進行沖擊試驗,采用示波器監測被試接口,直到設備工作狀態發生故障或錯誤狀態時,記錄并確定被測接口電壓波形,通過數據分析得到設備接口的耐沖擊水平。

根據TB/3498—2018要求,軌道電路設備電源端口采用1.2/50～8/20μs組合波沖擊試驗,其他通信端口采用10/700～5/320μs組合波沖擊試驗。

分別對該站計算機聯鎖、ZPW-2000A軌道電路、列控中心等子系統進行試驗室設備耐雷電沖擊水平試驗,得到各子系統設備耐雷電沖擊水平值,見表2。幾種設備縱向耐沖擊水平差別較大,在2 k～4 kV之間；軌道電路CAND通信單元橫向耐雷電沖擊水平值很低。由前述空間屏蔽衰減模型計算結果可知,危險雷電在信號樓內傳輸線纜電磁耦合產生的過電壓,可遠超信號設備縱向耐沖擊水平,會造成系統擊穿損壞。

表2 信號設備耐雷電沖擊水平值

3.4 信號系統雷害風險等級分析

根據EN50126對信號系統安全等級劃分的方法及ALARP原則,結合信號系統雷害風險特點,將信號系統雷害風險等級劃分為R1、R2、R3和R4等級。R1為不容許的風險,R2為不希望的風險,R3為可容許的風險,R4為可忽略的風險。

根據雷擊過電壓與設備耐雷電沖擊水平比較結果,結合信號設備安裝SPD的情況,將信號設備雷擊嚴重程度也分為C1～C4共4級。C1表示信號設備未安裝SPD,雷擊過電壓超過設備耐沖擊水平；C2表示信號設備按要求安裝了SPD,雷擊后殘壓超過設備耐沖擊水平；C3表示信號設備未安裝SPD,雷擊過電壓未超過設備耐沖擊水平；C4表示信號設備按要求安裝了SPD,雷擊后殘壓未超過設備耐沖擊水平。

在EN50126中推薦的6×4風險矩陣基礎上,結合信號設備雷害風險等級和雷擊嚴重程度,建立信號設備雷害風險矩陣表,見表3。

表3 信號系統雷害風險矩陣

經調研發現,該站信號系統設備的防護情況是:聯鎖子系統各接口都安裝了浪涌保護器防護；列控中心驅動采集單元電源回路未合理防護,列控中心其他各接口都安裝了SPD防護；軌道電路縱向都未防護,橫向雖然安裝了SPD,但SPD的殘壓遠超其80 V的耐雷電沖擊水平。比較設備接口雷擊過電壓與耐雷電沖擊水平,依據比較計算結果和雷害風險矩陣,統計出不同雷擊后果嚴重程度的數量,得到各信號子系統雷害風險等級,形成信號子系統雷害風險評價結果,見表4。

表4 信號子系統雷害風險評價結果

1）列控中心驅動采集單元雷害風險屬于R1級,風險不可以接受,必須采取強制性風險降低措施,并在運營維護中重點加強監測和分析；列控中心其他設備接口風險屬于R4級,即風險水平較低,風險可以忽略,只需要在運營維護中進行定期防雷安全檢查。

2）計算機聯鎖設備接口風險水平較低,風險可以忽略,只需在運營維護中進行定期防雷安全檢查。

3）ZPW-2000A軌道電路所有接口雷害風險屬于R1級,風險不可接受,必須采取強制性風險降低措施,并在運營維護中重點加強監測和分析。

經調研發現該區段某站實際雷害故障情況是:車站列控中心驅動采集單元的采集電路電源回路熔斷器熔斷,軌道電路4個發送盒、2個接收盒被雷擊損壞,軌道電路與列控中心信號傳輸的CAN總線阻抗下降,軌道電路與列控中心通信故障,雷擊造成的信號系統故障與本文風險評價結果基本一致。

4 結論

本文提出了基于層次分析法的信號系統雷害風險評價方法。根據雷電參數和線路信息,利用雷擊瞬態模型,計算信號設備接口雷擊過電壓；試驗研究信號設備自身耐雷電沖擊水平；通過計算得到的雷擊過電壓與自身耐雷電沖擊水平的比較,對信號系統雷害風險進行評價,最終得到信號系統雷害風險等級；根據風險等級采取相應措施,將風險評價結果用于指導高鐵信號系統的防雷優化設計,從而徹底規避信號系統不可接受雷害風險,對實現高速鐵路全天候正常運行具有重要的工程價值和社會效益。