高速鐵路信號系統雷擊瞬態傳輸特性研究

王州龍

(中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所,北京 100081)

信號系統可靠運行是保障高速鐵路運營安全的重要基礎。高速鐵路信號設備多采用大規模集成電路和低耐壓器件，承受雷擊電磁瞬態干擾能力弱，雷擊電磁脈沖成為威脅信號設備的重要風險源。

隨著我國高鐵飛速發展，雷擊電磁脈沖對信號設備的影響也越來越多[1]。覃燕、李永毅等[2-3]分析了典型軌道電路系統雷擊侵入途徑，通過調研2013～2020年哈爾濱局、沈陽局、南昌局、廣州局、南寧局等多起雷擊事故發現，很多進入軌道電路系統的雷擊電磁脈沖由信號電纜傳導而來，雷害源感應到敷設于高架橋的信號電纜后傳導到模擬網絡盤，進而使得發送器、接收器、衰耗器、CAN通信單元等損壞。軌道電路雷害故障，通常導致多個設備損壞，短時間很難恢復，對運輸的影響非常大。

為有效降低現場信號系統雷害發生率，應準確分析雷擊電磁脈沖對信號系統危害程度，在此基礎上實現可靠的防護，因此，應深入研究雷擊電磁脈沖在信號系統的瞬態傳輸特性，建立信號系統設備的等效電路模型，并對模型的有效性試驗驗證。

等效電路建模方法分為物理等效電路模型方法[4]，基于場路結合的建模方法[5-8]和黑盒建模方法[9-13]。由于雷電電磁脈沖為寬頻分布，因此，分析信號設備的雷擊瞬態過程，可采用基于黑箱技術的寬頻宏模型建模方法[14-15]。基于黑箱技術的寬頻建模方法在變壓器、互感器等電氣設備的寬頻建模中被廣泛采用[16]，建模相對簡單，可提高計算規模，有效縮短計算時間。

針對雷擊電磁脈沖為寬頻分布的特點，提出基于黑箱技術的鐵路信號設備雷擊瞬態過程建模方法，分析了建模過程。參照文獻[17-18]的系統雷擊試驗方法對設備進行動態沖擊試驗，對試驗結果和模型計算結果進行比對，驗證模型的有效性。對于多設備級聯的信號系統，建立設備級聯試驗系統，對級聯系統模型的有效性進行驗證。

1 典型信號系統結構及雷電侵入途徑

軌道電路是信號系統的重要組成部分，屬于低壓弱電系統，正常工作電壓小于百伏級，絕緣水平較低難以承受較強雷擊電磁脈沖的侵擾。該系統室外部分沿高鐵沿線裝設于戶外，當雷擊接觸網或附近構筑物時，雷擊瞬態電壓升或空間電磁輻射可能導致軌道電路設備絕緣損壞，影響列車安全穩定運行。

ZPW-2000A軌道電路包含室外設備和室內設備兩部分[19]，室內部分包括安裝在綜合柜上的模擬網絡盤，以及安裝在移頻柜上的發送器、接收器等。室外部分包括調協單元、空芯線圈、隔離變壓器等，如圖1所示。

圖1 軌道電路系統結構

室外遭受強雷擊侵擾時，鋼軌或電纜感應過高的雷擊瞬態電壓升，通過信號電纜傳導到模擬網絡盤，擊穿防雷模擬網絡盤，引起雷電信號對隔離變壓器室內側線條放電，傳導至移頻柜損壞發送器、接收器等， 如圖2所示。

圖2 典型軌道電路系統雷擊侵入途徑

2 信號系統雷擊瞬態建模方法

采用寬頻宏模型建模方法進行信號設備的雷擊瞬態過程建模，通過求得導納參數，進行數值逼近，獲取設備的傳遞函數，構建信號設備瞬態等效電路模型。建模方法如下。

第一步，根據獲得的端口散射參數轉換求得導納參數。

基于信號電壓比值，得到端口間入射波和反射波關系的矢量參數，雙端口散射參數包含4個參數，根據獲得的端口散射參數求得能描述端口電壓和電流關系的導納參數。

首先，采用計算或掃頻測試方法提取信號系統設備端子散射參數頻率曲線，測試工具選擇網絡分析儀，測試二端口散射參數，特性阻抗選擇50 Ω。

二端口散射參數是基于信號電壓比值的參數，如圖3所示，對應關系為

圖3 散射參數表示的二端口網絡示意

(1)

式中，S11為輸入端反射系數；S12為反向傳輸系數；S21為正向傳輸系數；S22為輸出端反射系數；a1、a2、b1、b2為入射波和反射波參量。

然后，將設備端子散射參數轉化為導納參數頻率曲線。將多端子信號設備看作多端口網絡，其中，有一個公共接地端子，建立設備端子對地、端子對端子間的瞬態耦合模型。

導納參數是描述端口間電壓和電流關系的參量，如圖4所示，其關系式為

圖4 導納參數表示的二端口網絡示意

(2)

第二步，對設備端子短路導納頻率特性曲線進行數值逼近，獲取設備的傳遞函數。

信號設備主要器件為無源器件，屬于線性時不變系統，傳遞函數為有理函數，從更一般數學概念出發，要獲取信號系統設備傳遞函數，就是要進行有理函數逼近。采用矢量匹配法將目標有理函數表示成極點-留數結構，見式(3)。

(3)

其中，N為階數；{c1，c2，…，cN}為留數，{p1，p2，…，pN}為極點，留數和極點或為實數，或為共軛復數對；d為常數項；es為一次項系數。

采用矢量匹配法將非線性問題轉化為線性問題后，再通過迭代進行求解：首先迭代確定極點{p1，p2，…，pN}；然后確定留數{c1，c2，…，cN，d，es}。通過上述計算，得到傳遞函數。

第三步，依據傳遞函數構建信號設備瞬態等效電路模型。

逼近獲得傳遞函數后，接下來根據該函數構建設備的暫態等值電路。設備傳遞函數是由常數項d，一次項es與N個部分分式累加構成，將N個部分分式劃分為共軛復數極點部分分式與實數極點部分分式兩組，函數可寫為

(4)

式中，tk(s)為實數極點pk及其對應的實數留數ck組成部分分式

(5)

(6)

在對設備傳遞函數的逼近求解過程中，如輸入的頻響數據為傳遞受到電流激勵時的電壓響應，根據物理概念，獲得的函數將表征傳遞阻抗，這種輸入條件下得到的函數被稱為傳遞阻抗函數；如輸入的頻響數據為傳遞受到電壓激勵時的電流響應，獲得的函數則表征傳遞導納，函數被稱為短路導納函數。

當f(s)為短路導納函數時，可采用圖5所示電路來實現設備的暫態等值電路。

圖5 導納支路等值電路

(1)電阻支路R0，R0的阻值等于f(s)的常數項d的倒數

R0=1/d

(7)

(2)電容支路C0，C0的值等于f(s)的一次項系數e

C0=e

(8)

(3)Lr，Rr串聯支路與f(s)實數極點分式對應，共N個，并聯電路單元的阻抗為

(9)

其中

(10)

(4)Rh，Lh，Ch，Gh電路單元與f(s)共軛復數極點分式對應，共(N-M)/2個，Rh，Lh，Ch，Gh電路單元阻抗為

(11)

其中

(12)

對于四端子或復雜的多端子器件設備，可以建立π型等效電路或多個π型等效電路組成的等值電路，獲得各支路電路參數。

3 信號系統雷擊瞬態模型及驗證

3.1 建模舉例

對ZPW.PT1700進行建模，調諧匹配單元電路，主要包括兩個部分：調諧部分和匹配部分，如圖6所示。調諧匹配單元的匹配部分為：變比為1∶9的匹配變壓器和匹配電纜電容效應的電感，連接SPT鐵路信號電纜E1E2為高壓側，實現鋼軌間差模信號的增益及鋼軌、信號電纜阻抗的匹配連接。

圖6 調諧匹配單元電路示意

ZPW.PT1700匹配單元差模模型及試驗驗證過程如下。

首先根據第2節的寬頻建模方法，采用網絡分析儀獲取端口U1U2和端子E1E2的差模散射參數頻率特性，S21散射參數頻率特性如圖7所示。

圖7 ZPW.PT1700匹配單元差模S21參數特性

通過矢量匹配和網絡綜合建立ZPW.PT1700匹配單元等值電路形式，其四端口網絡散射參數矩陣，經6次二端口散射參數測試獲得4×4×1601四端口散射參數矩陣，然后將散射參數矩陣轉化為導納參數矩陣，擬合出具有多個共振峰的導納參數幅頻特性曲線，階數20，誤差不超過10-6。

對ZPW.PT1700匹配單元差模傳遞特性試驗驗證，在兩個端子U1U2之間施加1.2/50 μs雷電沖擊電壓，測量連接電纜側端子E1E2之間的浪涌電壓波形。由于匹配單元的負載效應，施加在端子U1U2間的電壓波形畸變嚴重，但不影響模型有效性的驗證，端子U1U2間的電壓波形峰值為32 V，端子E1E2間的響應電壓波形峰值為250 V，差模信號被放大約7.8倍。將示波器采集的施加電壓波形導出作為仿真計算激勵源，采用建立的ZPW.PT1700匹配單元差模模型，計算獲得端子E1E2的差模響應波形，如圖8所示，黑色曲線為施加電壓波形，紅色曲線為試驗測得響應波形，藍色曲線為模型計算得到響應波形，試驗驗證與模型計算偏差小于5%。

圖8 ZPW.PT1700匹配單元差模響應波形

3.2 信號系統級聯雷擊傳輸特性驗證

(1)設備級聯共模傳遞特性沖擊試驗及模型驗證

建立由ZPW.PT1700調諧匹配單元、信號電纜、2 km電纜模擬單元、隔離變壓器組成的設備級聯系統，開展級聯系統共模沖擊傳遞特性試驗，其中，信號電纜長108.5 m，如圖9所示。

圖9 設備級聯共模沖擊試驗

雷電模擬沖擊源采用KV1103B-G-20型發生器，沖擊電壓幅值測量采用泰克Tektronix P5100A探頭，記錄示波器采用帶寬500 MHz的泰克DPO3032示波器。

ZPW.PT1700調諧匹配單元首端銅板端子U1連接雷電脈沖發生器的高壓端，末端端子E1與8芯SPT電纜紅色四線組中的紅色相連接，芯線末端與2 km電纜模擬單元相連，隔離變壓器的初級線圈與電纜模擬單元的輸出端子相連，測量ZPW.PT1700調諧匹配單元首端銅板端子U1對地電壓和隔離變壓器室內側端子對地電壓U2。調諧匹配單元銅端子U1上施加電壓波形峰值為1 134 V，隔離變壓器次級線圈對地電壓波形峰值為28 V。建立與設備級聯試驗系統連接方式一致的級聯計算模型，采用試驗獲得的施加沖擊電壓波形作為理想電壓源激勵仿真模型，仿真計算獲得的隔離變壓器次級線圈沖擊電壓響應特性與試驗結果吻合，誤差約為7%，如圖10 所示，試驗測得響應波形峰值為28 V，模型計算響應波形峰值為26 V。

圖10 設備級聯共模仿真計算與試驗對比

(2)設備級聯差模傳遞特性沖擊試驗及模型驗證

建立由ZPW.PT1700調諧匹配單元、信號電纜、2 km電纜模擬單元、隔離變壓器組成的設備級聯系統，開展設備級聯系統差模傳遞特性試驗，其中，信號電纜長108.5 m。

雷電脈沖發生器用可產生1.2/50 μs～8/20 μs組合波的KV1103B-G-20型發生器，沖擊電壓幅值測量采用泰克Tektronix P5100A探頭，記錄示波器采用帶寬500 MHz的泰克DPO3032示波器。

設備級聯完成后，將1.2/50 μs～8/20 μs雷電沖擊電壓波施加到調諧匹配單元首端兩個銅端子U1U2之間，末端E1E2端子與8芯SPT電纜紅色四線組中的紅色和綠色連根芯線相連接，電纜兩個芯線末端與2 km電纜模擬單元相連，隔離變壓器的初級線圈與電纜模擬單元的輸出端子相連。調諧匹配單元兩個銅端子施加電壓波形峰值為560 V，隔離變壓器次級線圈對地電壓波形峰值為740 V，級聯系統放大了差模干擾信號。建立與設備級聯實現系統連接方式一致的級聯系統計算模型，采用試驗獲得的施加沖擊電壓波形作為理想電壓源激勵仿真模型，仿真計算獲得的隔離變壓器次級線圈沖擊電壓響應特性與試驗結果吻合，誤差約為8%，如圖11所示，試驗測得響應波形峰值為740 V，模型計算響應波形峰值為680 V。

圖11 設備級聯差模仿真計算與試驗對比

4 結論

(1)針對雷擊電磁脈沖為寬頻分布的特點，研究了基于黑箱技術的鐵路信號設備雷擊瞬態過程建模方法，采用寬頻宏模型建模方法，將端口散射參數轉換為導納參數，然后對設備端子短路導納頻率特性曲線進行數值逼近，獲取設備傳遞函數，依據傳遞函數構建設備瞬態等效電路模型。以調諧匹配單元為例進行建模分析，并采用雷電沖擊差模傳遞特性試驗進行了試驗驗證，驗證建模方法有效。

(2)通過建立多設備級聯的模擬雷擊試驗系統，并對多設備級聯系統開展雷電沖擊共模、差模傳遞特性試驗，得到級聯系統對雷擊共模傳遞特性及差模傳遞特性：級聯系統對共模雷電沖擊信號的衰減主要依靠隔離變壓器，對差模雷電沖擊信號無明顯衰減作用。對級聯系統模型的有效性進行了驗證，通過對比多設備級聯雷電沖擊共模、差模傳遞特性試驗結果與模型計算結果，誤差不超過8%，基本滿足工程應用需求。

(3)掌握雷擊電磁脈沖在信號系統的瞬態傳輸特性，在此基礎上實現可靠的防護，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。