現(xiàn)代有軌電車正線道岔控制子系統(tǒng)雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

金曉雷，陳 哲，江興林

（卡斯柯信號(hào)有限公司，上海 200071）

現(xiàn)代有軌電車信號(hào)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)機(jī)等設(shè)備，為列車提供運(yùn)營(yíng)指揮及安全防護(hù)，確保行車安全，提高運(yùn)輸效率。

與地鐵和國(guó)鐵不同，現(xiàn)代有軌電車項(xiàng)目正線車站不配置信號(hào)機(jī)房，正線道岔控制子系統(tǒng)等信號(hào)設(shè)備直接安裝在軌旁。所以，現(xiàn)代有軌電車信號(hào)設(shè)備更容易遭受雷電惡劣天氣影響，產(chǎn)生的破壞性也更大。所以，應(yīng)采取全面有效的雷電防護(hù)措施，確保設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

1 正線道岔控制子系統(tǒng)

正線道岔控制子系統(tǒng)是有軌電車信號(hào)系統(tǒng)的核心設(shè)備，主要承擔(dān)正線岔區(qū)進(jìn)路信號(hào)機(jī)、道岔和進(jìn)路的安全管理，實(shí)現(xiàn)進(jìn)路管理、道岔管理、信號(hào)管理、外部接口管理和維護(hù)診斷等功能。該子系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收并處理來(lái)自中心、車載和軌旁現(xiàn)地的進(jìn)路命令，提供多種進(jìn)路辦理方式，支持降級(jí)模式下的進(jìn)路辦理，以提高系統(tǒng)的可用性。正線道岔控制子系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和連接的外部主要設(shè)備如圖1所示。

正線道岔控制子系統(tǒng)與外部設(shè)備的接口包括以下3種。電源接口：連接到站臺(tái)總配電箱，為系統(tǒng)設(shè)備和驅(qū)動(dòng)電路供電；驅(qū)動(dòng)采集接口：與轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備、信號(hào)機(jī)設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)控制盒設(shè)備等連接，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制和狀態(tài)采集功能。驅(qū)動(dòng)采集端口可以分為兩種類別，一種是內(nèi)部PCB板直接和外部設(shè)備連接，另外一種是內(nèi)部PCB板通過(guò)繼電器和外部設(shè)備連接；通信接口：網(wǎng)絡(luò)通信接口，與調(diào)度指揮系統(tǒng)、車輛段聯(lián)鎖系統(tǒng)等設(shè)備連接。

2 雷電危害分析

2.1 雷電危害種類

雷電對(duì)設(shè)備的危害分為兩類：直擊雷和雷電感應(yīng)電磁脈沖（或稱感應(yīng)雷）。

直擊雷是雷云直接通過(guò)地面物體放電，瞬間有巨大的雷電流流過(guò)。大電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)、電效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)會(huì)造成嚴(yán)重的設(shè)備損壞。直擊雷破壞性極大，但是發(fā)生概率不高。

感應(yīng)雷是雷電放電時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁場(chǎng)干擾，在臨近的金屬上感應(yīng)出過(guò)電壓和過(guò)電流，間接對(duì)設(shè)備產(chǎn)生影響。雖然感應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)電壓和過(guò)電流幅值不是太高，但是通信信號(hào)設(shè)備中大量使用了IC芯片,其耐受能量的能力比較弱。根據(jù)雷害事故統(tǒng)計(jì)，通信信號(hào)系統(tǒng)雷害絕大多數(shù)是感應(yīng)雷導(dǎo)致的。

2.2 雷電侵入途徑

雷電侵入信號(hào)設(shè)備的主要途徑如下。

1）空間直接侵入。信號(hào)設(shè)備附近發(fā)生直接雷擊時(shí)，產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁場(chǎng)干擾直接對(duì)設(shè)備產(chǎn)生影響，在設(shè)備內(nèi)部感應(yīng)過(guò)電壓和過(guò)電流，使設(shè)備出現(xiàn)功能異?；驌p壞。

2）從交流電源系統(tǒng)侵入。雷電從交流電源系統(tǒng)侵入后，經(jīng)過(guò)高壓電線傳至高壓變壓器，并逐級(jí)對(duì)后續(xù)的用電設(shè)備產(chǎn)生影響。

3）從通信信號(hào)電纜侵入。信號(hào)設(shè)備通過(guò)電纜與軌旁的轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)機(jī)相連接。信號(hào)電纜雖然采用埋地布線方式，但是雷電放電時(shí)，產(chǎn)生的強(qiáng)干擾電磁場(chǎng)會(huì)在附近電纜中感應(yīng)出過(guò)電壓和過(guò)電流，過(guò)電壓和過(guò)電流通過(guò)連接電纜對(duì)信號(hào)設(shè)備造成破壞。

3 雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 直擊雷防護(hù)

道岔控制器機(jī)柜高度1.5 m左右，在軌旁設(shè)備和構(gòu)筑物中相對(duì)較低，遭受直擊雷影響風(fēng)險(xiǎn)比較小。同時(shí)，設(shè)計(jì)機(jī)柜安裝位置時(shí)，盡可能選擇在站臺(tái)金屬遮雨棚、接觸網(wǎng)避雷線、監(jiān)控設(shè)備或天線設(shè)備安裝立柱等保護(hù)范圍內(nèi)，不需要再配置單獨(dú)的接閃裝置。

3.2 感應(yīng)雷防護(hù)

針對(duì)感應(yīng)雷侵入設(shè)備路徑，在如下方面進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)。

1） 屏蔽

屏蔽體對(duì)雷電電磁脈沖起到吸收能量（渦流損耗）、反射能量（電磁波在屏蔽體上的界面反射）和抵消能量（電磁感應(yīng)在屏蔽體上產(chǎn)生反向電磁場(chǎng)，可抵消部分干擾電磁波）的作用，可以有效減弱干擾的影響。

機(jī)柜屏蔽：道岔控制柜采用金屬材質(zhì)，柜體間電氣貫通，并可靠接地，構(gòu)成一個(gè)法拉第籠，從而降低雷電電磁脈沖空間侵入，減弱機(jī)柜內(nèi)電子設(shè)備遭受雷電感應(yīng)電磁場(chǎng)的直接影響。

線纜屏蔽：驅(qū)動(dòng)和采集信號(hào)電纜使用鎧裝電纜，并可靠接地，可以降低雷電電磁脈沖在驅(qū)動(dòng)和采集信號(hào)線纜中產(chǎn)生的過(guò)電壓和過(guò)電流，從而減少?gòu)慕涌陔娎|耦合進(jìn)來(lái)的干擾。

2）隔離

繼電器隔離：部分驅(qū)動(dòng)和采集端口通過(guò)繼電器與外部設(shè)備連接，利用繼電器驅(qū)動(dòng)線圈和觸點(diǎn)之間的空間隔離達(dá)到雷電電磁脈沖感應(yīng)過(guò)電壓防護(hù)的目的。根據(jù)正線道岔控制子系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，繼電器驅(qū)動(dòng)線圈和觸點(diǎn)之間隔離強(qiáng)度要求應(yīng)能抵抗不小于4 kV的浪涌沖擊電壓（1.2/50 μs），工頻耐壓應(yīng)不小于2.5 kV。

光電隔離：連接到外部設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信端口線纜使用光纖。光纖的基本成分是石英，只傳光，不導(dǎo)電，不受電磁場(chǎng)的作用，在其中傳輸?shù)墓庑盘?hào)不受電磁場(chǎng)的影響，所以光纖傳輸可有效避免雷電電磁脈沖對(duì)通信信號(hào)產(chǎn)生干擾。

3）配置浪涌保護(hù)器（SPD）

電源輸入端口：在機(jī)柜電源輸入端口配置電源浪涌保護(hù)器。站臺(tái)總配電箱內(nèi)安裝了第一級(jí)浪涌保護(hù)器，機(jī)柜內(nèi)電源浪涌保護(hù)器按照第二級(jí)進(jìn)行選型。浪涌保護(hù)器標(biāo)稱放電電流In需考慮地區(qū)年平均雷暴日數(shù)，少雷區(qū)和中雷區(qū)不小于10 kA，多雷區(qū)和強(qiáng)雷區(qū)不小于20 kA；其保護(hù)電壓水平Up應(yīng)和后級(jí)電源設(shè)備絕緣耐壓水平匹配。電源輸入端口應(yīng)進(jìn)行全模防護(hù)。

驅(qū)動(dòng)采集端口：在與軌旁設(shè)備直接相連接的驅(qū)動(dòng)和采集端口配置信號(hào)浪涌保護(hù)器。信號(hào)浪涌保護(hù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)為氣體放電管串聯(lián)壓敏電阻模式；其標(biāo)稱放電電流In需考慮地區(qū)年平均雷暴日數(shù)，少雷區(qū)和中雷區(qū)不小于10 kA，多雷區(qū)和強(qiáng)雷區(qū)不小于20 kA；其保護(hù)電壓Up應(yīng)和后級(jí)設(shè)備絕緣耐壓水平匹配。驅(qū)動(dòng)和采集信號(hào)端口應(yīng)進(jìn)行縱向防護(hù)。

4）接地

通過(guò)接地可以將雷電過(guò)電流引入大地，減少雷電的破壞力。作為雷電防護(hù)的最基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，必須做好。否則其他的防雷措施難以發(fā)揮理想的效果。

電源和信號(hào)浪涌保護(hù)器接地：電源和信號(hào)SPD通過(guò)接地線連接到機(jī)柜接地匯流排；電源SPD接地線截面積不小于6 mm2，信號(hào)SPD接地線截面積不小于4 mm2；電源和信號(hào)SPD接地線長(zhǎng)度應(yīng)不大于0.5 m。

機(jī)柜接地：機(jī)柜接地匯流排通過(guò)接地線與站臺(tái)或區(qū)間接地匯流排連接；機(jī)柜接地線截面積不小于25 mm2。

4 實(shí)例應(yīng)用

深圳龍華現(xiàn)代有軌電車正線道岔控制子系統(tǒng)采用了上述雷電綜合防護(hù)方案。深圳市年平均雷暴日63.1 d，屬于多雷區(qū)；龍華現(xiàn)代有軌電車項(xiàng)目全長(zhǎng)約11.7 km，全線車站20座，自2017年開始運(yùn)營(yíng)以來(lái)，所有正線道岔控制子系統(tǒng)未發(fā)生因雷電沖擊影響導(dǎo)致的設(shè)備故障。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜合采用屏蔽、隔離、配置浪涌保護(hù)器、接地等雷電防護(hù)手段，大大降低了雷電惡劣天氣對(duì)室外正線道岔控制子系統(tǒng)的影響，保障了設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行。