对客运专线ZPW-2000A轨道电路系统防雷问题的探讨

2012-05-08刘锐冬

铁路通信信号工程技术 2012年5期

关键词：芯线护套轨道电路

刘锐冬

（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

客运专线（以下简称客专）ZPW-2000A轨道电路系统自2008年开通应用以来，设备运用稳定，但截至目前已发生20多起雷电损坏客专ZPW-2000A轨道电路设备的情况，与既有线ZPW-2000A轨道电路系统较少遭受雷电损坏的现象差异较大。

本文基于客专ZPW-2000A轨道电路系统防雷设计特点，重点论述雷电信号侵入通道及设备损坏原因，并提出系统防雷设计方案相关改进措施。

1 客专ZPW-2000A轨道电路系统防雷设计概况

轨道电路系统的防雷分为横向防雷和纵向防雷。

横向防雷的设计，均采用防雷元件进行防护，防雷元件具有模块化、阻燃、带电插拔、可靠性高和热熔断等功能。

纵向防雷的设计采用“泄”和“抗”两种方式。

客专ZPW-2000A轨道电路系统室内侧发送端和接收端信号幅度差异较大（发送端与接收端电压比最大可达1 000左右），室内信号端口纵向防雷采用低转移系数的防雷变压器进行防护，不采用通过防雷元件接地的方式，如果在送端、受端信号线上通过防雷元件接地，则存在以下问题：当同频的室内发送端、接收端的防雷元件同时故障短路时，会造成室内发送端信号电缆和接收端信号电缆的串音干扰，目前客专ZPW-2000A轨道电路系统采用 “数字信号内屏蔽电缆”，此电缆单芯故障接地后串音衰耗为89 dB ，即：

如果送端信号为170 V，则耦合到受端信号为59.6 mV左右。因此，为防止故障情况下发送端、接收端信号产生串音干扰，经叠加，加大了列车分路残压，因此，客专ZPW-2000A轨道电路系统与既有线ZPW-2000A轨道电路系统室内信号端口纵向防护均采用低转移系数的防雷变压器。同时室内设备电路板和室内信号传输芯线均“浮地”，不直接或不通过防雷元件与“地”连接。

为减少雷电信号对人员安全的影响、静电干扰或线缆间信号耦合强度，提高设备的抗干扰性，客专ZPW-2000A轨道电路系统机柜、设备外壳、信号电缆内屏蔽层均与“地”连接。

客专ZPW-2000A轨道电路系统室外侧的纵向防护采用如下方式。

1）根据设计，一般可通过空心线圈中心线直接接地进行纵向雷电防护。

2）在不能直接接地时，通过空心线圈中心线与地间加装纵向防雷元件。

2 雷电信号入侵通道分析

可能的雷害通道来源有以下几方面。

2.1 电缆单端接地降低金属护层对雷电电磁干扰的屏蔽效果

根据《铁路信号设计规范》（TB10007-2006）14.1.8进出信号机房的电力线路和信号传输电缆应采用屏蔽电缆，屏蔽层至少两端接地，并与建筑物界面做等电位连接，电气化区段或接地系统有较大干扰时，应只在机房界面一端接地。

根据《高速铁路设计规范（试行）》（TB10621-2009）14.10.4修改为室外电缆钢带（铝护套）应采取分段单端接地方式。

既有线ZPW-2000A轨道电路多采用电缆护套双端接地方式，客专京津城际ZPW-2000A轨道电路系统采用电缆护套双端接地方式，其他客专线路多采用电缆护套单端接地方式。

雷击电缆的方式有两种：直接雷击和感应雷击，由于信号电缆敷设在地下，直接雷击很少发生，多为感应雷击。

雷云对地放电产生的强大电磁场，可以在附近的电缆和金属导管中感应出电磁脉冲即感应雷。在电磁场的作用下，电缆金属护套与大地回路和电缆芯线与大地回路产生了电动势E0об和E0дс，这两个电动势大致相等，双端接地的电缆金属护套上与大地形成闭合回路，产生感应电流IOб，感应电流IOб利用下式表示。

式中：H——磁场强度；

rбp——铠装外半径；

rбp·cp——铠装平均半径。

金属护套上的感应电流IOσ在屏蔽空间产生反向电磁场，在电缆芯线和外皮回路间引起反向感应电动势Eдс-об，因此，电缆芯线对大地的合成感应电动势为（E0дс-Eдс-об），从而全部或部分抵消外界电磁脉冲对电缆芯线的影响，电缆金属护套产生了电磁屏蔽效果，屏蔽效能通常采用转移阻抗来确定电缆的屏蔽效能，转移阻抗Zr表示的是芯线与屏蔽层之间电压和屏蔽层电流的比值，能反映屏蔽层内部场与外部场的耦合关系和电缆的屏蔽性能，即：

式中：I0为屏蔽层电流；dV/dx为传输线单位上形成的干扰电压，转移阻抗越低，屏蔽效果越好。

由于客专ZPW-2000A轨道电路系统室外SPT电缆多采用单端接地的方式，因此由雷云感应在电缆护套上的电磁脉冲雷电流不能构成闭合回路，不能形成反向电磁场，从而不能全部或部分抵消在电缆芯线和大地间上感应的电磁脉冲信号，因此，沿着电缆芯线对大地间产生大的感应电动势，降低了金属护套对雷电信号的屏蔽效果。当雷电脉冲信号超过室内设备纵向电压防护等级后，可能导致室内客专ZPW-2000A轨道电路设备损坏。

另一方面，室外SPT电缆单端接地在特殊条件下也存在一定的优点。如在山区，特别是对于石质地层的地区，大地的电阻导电率低，电气化区段牵引电流回流不畅，采用单端接地的方式能够降低电缆外皮通过大的牵引电流导致烧电缆的问题。但目前，客专系统室外有完整的贯通地线、架空电缆，在贯通地线、架空电缆不被损坏的条件下，牵引电流在电缆外皮上流经的量很小。

综上所述，建议室外SPT电缆屏蔽层接地方式，应维持“《铁路信号设计规范》（TB10007-2006）14.1.8进出信号机房的电力线路和信号传输电缆应采用屏蔽电缆，屏蔽层至少两端接地，并与建筑物界面做等电位连接，电气化区段或接地系统有较大干扰时，应只在机房界面一端接地。”且建议电缆屏蔽层应逐段进行双端接地。

2.2 通信杆塔与机械室连接的方式和距离

客专车站由于面积局限，通信杆塔距离机械室较近，特别在中继站，通信杆塔距离机械室多在5 m以内，通信杆塔外体多通过金属物体与机械室墙体连接。当在空旷的场地下，遭遇雷雨天气，通信杆塔就相当于一个引雷装置，机械室遭受“直击雷”或“地反击”的情况增加，如图1所示。

如图1所示，雷击电流在接地电阻（0.5～1Ω）上产生压降URe，由于信号电缆是从远处引来，结果URe就出现在电缆芯线和机械室地之间，就是雷电反击问题。

“雷电反击”造成的雷击事故，多表现为损坏的设备分散且数量较多。

因此，建议无线杆塔的设置应远离机械室，无线杆塔避雷针的引下线接地点应与机械室地分开。

2.3 区间电源屏24 V直流输出端口对地通道通过电容接地

区间电源屏为满足电磁兼容性能指标，减少输出纹波幅度，在输出+24 V、024 V端口双线均对“地”连接了安规电容，安规电容一方面对侵入客专ZPW-2000A设备的雷电信号形成泄放通道，从而损坏客专ZPW-2000A设备，如图2所示。

另一方面，当电源屏入口侧遭遇纵向雷击时，雷电信号会越过电源屏或存在“地”反击信号时，雷电信号进入轨道电路系统设备24 V电源端口，从而造成设备大面积损坏。

2.4 ZPW-2000A轨道电路设备本身防雷存在提升空间

经测试，防雷模拟网络盘能满足标准纵向雷击电压（4 000 V）测试。但是当纵向雷击电压超过4 000 V时，防雷模拟网络盘电缆侧和设备侧之间的设备端子或线条之间存在放电现象，使纵向的雷电信号越过防雷模拟网络盘内的防雷变压器，进入接收器侧，造成雷电信号进入室内微电子设备。以2012年6月秦沈线中继2站遭遇雷击情况为例，损坏设备区段的电缆模拟网络盘内防雷变压器端子2引出线与端子3引出线之间存在放电痕迹。因此，在现有外部条件不变的情况下，可通过增强防雷模拟网络盘的绝缘性能来提升系统防雷效果。