軌道電路設備雷電沖擊傳遞特性試驗研究

2022-07-25 13:35:04周雨秋向念文

鐵路通信信號工程技術 2022年7期

徐葉，高彬，李博，周雨秋，向念文，張威

（1．北京鐵路信號有限公司，北京 102613；2．合肥工業大學，合肥 230009；3．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

軌道電路是高速鐵路列車控制系統的重要組成部分，關系到高鐵的行車安全和運輸效率[1-2]。國內高速鐵路大量采用高架橋方式架設，與路基架設相比，接觸網引雷能力顯著增強。而軌道電路系統室外設備沿鋼軌兩側敷設，雷電過電壓易通過多個途徑侵入軌道電路系統，相關運行經驗表明：雷電過電壓引起的軌道電路損壞故障時有發生，對高鐵的準點運行有一定影響[3-4]。同時鐵路設施遍布全國各地，軌道電路設備時刻承受不同溫度、濕度環境的考驗[5]，因此迫切需要研究不同溫度、濕度條件對軌道電路設備雷電沖擊傳遞特性的影響規律，對提升軌道電路設備環境適應能力和雷電防護水平十分重要。

雷擊是造成軌道電路設備損壞的重要原因之一，國內外學者對軌道電路設備雷電過電壓特性進行研究。Hideki Arai[6-7]研究建立了軌旁信號電纜雷電過電壓監測系統，并獲得信號電纜雷電過電壓數據。Shunichi Yanagawa[8]開展普通隔離變壓器和防雷隔離變壓器雷擊瞬態傳遞特性試驗，試驗發現防雷隔離變壓器抑制能力較強，二次側過電壓衰減至一次側0.1%。國內軌道電路設備要求開展標準工況下的雷電沖擊耐受試驗，北京全路通信信號研究設計院集團有限公司針對軌道電路雷擊瞬態特性開展了大量測試并建立雷電寬頻計算模型[9]。高鐵穿越國內幅員遼闊的疆域，所處地區環境溫度、濕度具有顯著差異，會對軌道電路設備內部器件電氣特性參數造成影響，引起雷電過電壓的傳遞特性改變，進而影響設備耐受雷電沖擊性能。綜上所述，針對不同溫度/濕度環境條件下軌道電路設備雷電沖擊特性試驗鮮有研究。

1 試驗裝置及接線布置

國內高鐵采用ZPW-2000 系列軌道電路系統，本文對其典型代表ZPW-2000A 軌道電路進行研究，該系統由室內部分和室外部分組成。系統防雷可分為室內和室外兩部分：室外一般防護從鋼軌引入雷電信號，橫向通過防雷模塊進行防護?？v向根據設計，一般通過空心線圈中心線直接接地進行縱向雷電防護。不能直接接地時，應通過空心線圈中心線與地間加裝橫縱向防雷元件進行防護。室內防護由電纜引入的雷電信號，橫向通過防雷模塊進行防護?？v向利用低轉移系數防雷變壓器進行防護。防雷模擬網絡是軌道電路室內外分界點，也是切斷室外電纜引入雷電過電壓的關鍵設備。調諧匹配單元是鋼軌與信號電纜連接的分界點，是雷電過電壓侵入信號電纜的關鍵設備[10-11]。上述兩種設備的雷電過電壓特性將直接影響軌道電路系統的雷電防護水平，因此本文主要針對防雷模擬電纜網絡盤和調諧匹配單元開展不同溫度/濕度條件下的雷電沖擊傳遞特性試驗。

1.1 試驗裝置

根據《鐵路通信信號設備雷擊試驗方法》（TB/T 3498-2018）規定通信信號電子設備通信端口雷擊試驗應采用開路電壓波形10/700 μs、短路電流波形5/320 μs 組合波發生器[12-13]。本文采用GCW10型多種波形沖擊發生器，該裝置輸出開路電壓波形為10±30%/700±10% μs，沖擊電壓幅值為0.4 ～6 kV 可調，雷電沖擊通過高壓電纜引入溫度/濕度環境試驗箱，采用橡膠塞密封電源接入通孔，保障試驗箱體環境的密封性。試驗采用AZWTH19L 型溫度/濕度試驗箱，實現設備工作溫度和濕度的調節。參照軌道電路設備實際環境中可能出現的極限工況，溫度分別選擇-55°C、-5°C、25°C、40°C、95°C，濕度選擇20%、50%、85%、98%。

1.2 防雷電纜模擬網絡盤試驗接線

防雷電纜模擬網絡盤主要作用是補償信號電纜長度，也是抑制室外側侵入雷電過電壓的重要設備。在雷電沖擊差模傳遞特性試驗中，沖擊發生器高壓輸出兩個端子分別連接防雷電纜模擬網絡盤室外側端子31 和32，端子 35 接地，測量室內側端子1、2 之間和室外側端子31、32 之間的過電壓波形。在雷電沖擊共模傳遞特性試驗中，將室外側端子31和32 并聯，連接到沖擊發生器高壓輸出端，35 端接沖擊發生器接地端，端子1 和2 并聯，分別測量室內側和室外側線地間的過電壓波形，如圖1（a）所示。

1.3 調諧匹配單元試驗接線

調諧匹配單元由調諧部分和匹配部分組成。調諧匹配單元用于無絕緣軌道電路系統中的電氣絕緣節處，銅板端子U1、U2與鋼軌相連接，E1、E2與信號電纜相連接。在雷電沖擊差模傳遞特性試驗中，沖擊發生器高壓輸出兩個端子分別與調諧匹配單元端子U1、U2端子相連接，測量端子U1、U2間和端子E1、E2間的過電壓波形。在雷電沖擊共模傳遞特性試驗中，將端子U1、U2并聯，連接到沖擊發生器高壓輸出端，分別測量U1、U2端子并聯對地和測量E1、E2端子并聯對地間的過電壓波形，如圖1（b）所示。

圖1 接線布置Fig.1 Wiring arrangement

2 不同溫度情況下雷電沖擊試驗

2.1 防雷模擬電纜網絡盤傳遞特性不同溫度影響規律

改變防雷模擬電纜網絡盤工作環境的溫度，使其分別處于-55°C、-5°C、25°C、40°C 和95°C下，環境濕度均保持20%，分別開展雷電沖擊試驗差模/共模傳遞特性試驗，施加波形為10/700 μs，幅值為2 kV 的雷電沖擊電壓波，正、負極性各施加5 次，每次試驗后檢查測試設備功能是否出現異常，兩次試驗間隔3 ～5 min，其中25℃下防雷模擬電纜網絡盤差模和共模雷電沖擊響應波形如圖2所示。

圖2 防雷模擬電纜網絡盤溫度25 ℃、濕度20%試驗波形Fig.2 Waveforms of the analog cable network panel of lightning protection under the condition of 25 ℃ and 20% humidity

在圖2（a）雷電沖擊差模響應試驗中，輸入側施加沖擊電壓幅值為2 kV，輸出側差模電壓幅值為1.24 kV，被抑制為輸入側的62%，輸出側差模電壓波形呈現明顯的尖脈沖，波尾出現一段穩定于0.76 kV 的過渡段。在圖2（b）雷電沖擊共模響應試驗中，輸出側與輸入側波形基本一致，其幅值峰值為1.09 kV，被抑制為輸入側的54%。

取不同環境溫度條件下，各次試驗輸出波形峰值如圖3 所示。在-55℃及-5℃的低溫環境下，防雷模擬電纜網絡盤的共模及差模響應均保持相對穩定，其峰值在小范圍內變化，幅度均不超過3%。當溫度由-5℃上升至40℃時，共模響應峰值未出現顯著變化規律，差模響應峰值呈增長趨勢，增長幅度為1.51 V/℃。在溫度由40℃升高至95℃后，共模響應峰值沒有顯著改變，差模響應峰值大幅升至1.95 kV。

圖3 防雷模擬電纜網絡盤輸出峰值（不同溫度）Fig.3 Peak outputs of the analog cable network panel of lightning protection (different temperatures)

2.2 調諧匹配單元傳遞特性不同溫度影響規律

改變調諧匹配單元工作環境溫度，使其分別處于-55°C、-5°C、25°C、40°C 和95°C 下，環境濕度均保持20%，分別開展雷電沖擊試驗差模/共模傳遞特性試驗。施加波形為10/700 μs，幅值為2 kV 的雷電沖擊電壓波，正、負極性各施加5 次，其中25℃下調諧匹配單元差模和共模雷電沖擊響應波形如圖4 所示。

圖4 調諧匹配單元2 kV輸入響應波形Fig.4 Waveforms of responses to 2 kV input of tuning and matching unit

在圖4（a）雷電沖擊差模響應試驗中，輸入側施沖擊電壓幅值為2 kV，輸出側差模電壓波形呈先增后減的低頻率振蕩波，其電壓峰值為0.48 kV；圖4（b）雷電沖擊共模響應試驗中，輸出側共模電壓波形為峰值71.2 V 的尖脈沖，波尾部分下降趨勢與激勵基本一致。

取不同環境溫度下，各次試驗輸出波形峰值如圖5 所示。在-55℃～40℃的工作環境下，調諧匹配單元共模及差模響應峰值保持穩定，但在環境溫度達到95℃的極端工況后，調諧匹配單元的共模/差模響應峰值均有較大改變。其中共模響應峰值達到102 V，較40℃時響應峰值上升43.2%；差模響應峰值為232 V，較40℃時響應峰值有52.1%的下降。

圖5 調諧匹配單元輸出峰值（不同溫度）Fig.5 Peak outputs of tuning and matching unit(different temperatures)

3 不同濕度情況下雷電沖擊試驗

3.1 防雷模擬電纜網絡盤傳遞特性不同濕度影響規律

改變防雷模擬電纜網絡盤工作環境的濕度，使其分別處于20%、50%、85%和98%濕度下，分別開展雷電沖擊試驗差模/共模傳遞特性試驗，環境溫度保持25℃，施加波形為10/700 μs 幅值為2 kV 的雷電沖擊電壓波，正、負極性各施加5 次，兩次試驗間隔3 ～5 min，其中20%濕度下防雷模擬電纜網絡盤差模和共模雷電沖擊響應波形如圖2 所示。

取不同環境濕度條件下，各次試驗輸出波形峰值如圖6 所示。防雷模擬電纜網絡盤的共模響應沒有隨環境濕度的變化產生顯著改變，其響應峰值于1.05 kV 處呈幅度不高于5.1%的波動；差模響應峰值在濕度小于50%范圍內呈上升趨勢，但在濕度為80%時響應峰值被抑制為0.92 kV，且在濕度98%時響應峰值未發生明顯改變。

圖6 防雷模擬電纜網絡盤輸出峰值（不同濕度）Fig.6 Peak outputs of the analog cable network panel of lightning protection (different humidity)

3.2 調諧匹配單元傳遞特性不同濕度影響規律

改變調諧匹配單元工作環境的濕度，使其分別處于20%、50%、85%和98%濕度下，環境溫度保持25℃，分別開展雷電沖擊試驗差模/共模傳遞特性試驗。施加波形為10/700 μs，幅值為2 kV雷電沖擊電壓波，正、負極性各施加5 次，其中25℃、20%濕度條件下調諧匹配單元差模和共模雷電沖擊響應波形如圖4 所示。

取不同環境濕度條件下，各次試驗輸出波形峰值如圖7 所示。可見調諧匹配單元的共模響應在不同濕度環境下保持相對穩定，其響應波形峰值在71.2 V 附近呈幅度不超過8.9%的小范圍波動。而差模響應在20%～50%濕度的相對干燥環境下，響應峰值呈小幅度下降趨勢，在濕度高于80%時，調諧匹配單元的差模響應峰值跌落至320 V，隨后在80%～98%濕度的試驗中響應峰值保持不變。

圖7 調諧匹配單元輸出峰值（不同濕度）Fig.7 Peak outputs of tuning and matching unit (different humidity)

4 溫度、濕度綜合條件下雷電沖擊試驗

防雷模擬網絡溫度、濕度綜合條件下雷電沖擊試驗條件等級設置如表1 所示。對端口進行雷擊測試，防雷模擬網絡試驗雷電等級采用1 kV、2 kV、4 kV 等，正、負極性各5 次，記錄測試端口與采集端口的數值。

表1 試驗條件等級設置Tab.1 Settings of test conditions and levels

如圖8（a）所示，橫向雷電傳遞特性一致性規律比較好，隨著輸入電壓的增大，輸出電壓有所增大。其中溫度40°C、濕度98%的條件下，輸出電壓最大；溫度20°C、濕度20%的條件下，輸出電壓最小。如圖8（b）所示，溫度40℃、濕度-20%時的4 kV 波形畸變。98%濕度時對應兩種工況在2 kV 時均有波形畸變。