客专ZPW-2000A轨道电路防雷整治初探

覃燕

(中国铁路总公司运输局，北京 100084)

客专ZPW-2000A轨道电路防雷整治初探

覃燕

(中国铁路总公司运输局，北京 100084)

统计和归纳客运专线ZPW-2000A轨道电路设备的雷击故障及其特点，并依据其原理框图，结合现场环境调查和相关设备防雷性能测试，寻找出雷电损坏其设备的途径和系统的防雷薄弱环节，有针对性的提出防雷整治措施。

客运专线；轨道电路；防雷；整治

1 概述

ZPW-2000A轨道电路自2005年全路推广使用以来，系统运行稳定、安全、可靠。客运专线（简称客专）ZPW-2000A轨道电路系统，是在继电编码基础上，升级为CAN总线通信编码方式，以满足我国客专CTCS列控系统需求，为我国高速铁路的快速发展奠定了技术和设备基础。

高速铁路线路主要以桥、隧为主，如京沪80%以上，武广70%以上，这种线路相对于路基线路，更易遭受雷击侵害。同时，无砟轨道、通信铁塔、综合接地等新技术在高铁线路上的引入，也使得客专ZPW-2000A轨道电路工作的电磁环境更加恶劣。因而，自客专线路开通运营以来，ZPW-2000A轨道电路因雷击发生的设备损坏故障明显增加。

本文针对客专ZPW-2000A轨道电路设备防雷故障的原因进行分析，从而对新运营条件下的信号设备的防雷展开一些探讨，并对信号防雷的技术管理提出一些建议。

2 故障统计及其特点

2.1 故障统计

从2009年至2012年，客专ZPW-2000A轨道电路的雷击故障逐年增多，尤其在2011年，达到了12次，且雷击故障后，呈现设备损坏范围大，恢复时间长，对铁路运输影响大等特点。根据对雷击故障的统计，发现雷击后设备故障，多以发送器、接收器的CAN总线端口故障率为最高，历年雷击故障统计情况如表1所示。

表1 雷击故障统计表

2.2 故障特点

客专线路与既有线路的外部环境差异主要体现在：

1）客专线路高架桥梁多，且线路平面通常高于普速线路，所以，更易接收到雷击；

2）客专广泛地采用无砟轨道线路，其对地的绝缘性能更优，不利于雷电的泄放；

3）客专采用综合接地体技术，接触网的杆塔接地均与轨旁信号设备连接在共同的综合接地体上，由接触网接下的雷电泄放可能会通过综合地线的反击，侵入轨道电路设备；而普速线为信号专用的贯通地线；

4）因客专GSM-R的引入，通信杆塔明显增多，通信杆塔是引雷设备；普速线的车站这类情况较少。

轨道电路系统是一个室内、外均有设备，且具有较为复杂的电气连接系统。室外设备包括钢轨线路、传输电缆和轨旁设备等；室内设备包括模拟网络设备、衰耗冗余设备、通信盘、发送器和接收器等；室内设备与列控中心设备和电源屏相连接，轨道电路的室外设备通过传输电缆连入室内。

经追踪各次雷击故障分析情况，雷击造成的设备故障特点如下。

1）通信杆塔距离机械室较近；

2）多为轨道电路的发送器和接收器故障，且以其CAN总线接口器件损坏最为严重；

3）与之在室内有连接的列控中心和电源屏等未见出现损坏。

其情况如图1所示。

图1 轨道电路原理框图及雷击故障情况

3 原因分析及现场整治

基于上述故障统计及其特点的进一步分析，雷电损坏设备的途径可以排除经列控中心或电源屏侵入，因此经由轨道电路电缆侵入的可能性最大。另外，在多次雷击故障现场的调查中也发现，存在较多的室内防雷施工不到位，如：接地线缆绕行过长、地线混用及布线不符合规范等，导致侵入室内的雷电信号泄流不畅、线缆间耦合严重等问题。

为了进一步分析雷电损坏设备的途径，寻找薄弱环节，以便有针对性的提出防雷整治意见。首先，要求设备研制单位根据TB/T3074-2003《铁道信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件》，对设备各端口的防护电压值进行测试，其测试结果如表2所示。

表2 各端口的防护电压值

其次，要求设备的研制单位对室外电缆引入通道进行雷电压升级测试，在防雷模拟网络盘室外侧，试验电压从4000V，按100V递增进行破坏性测试工作。当电压升至4500V时，发现模拟网络发生放电现象，与此同时，伴随室内的发送器、接收设备出现了损坏，且其损坏位置与现场雷击后故障设备损坏位置一致。因此，可以初步判定：模拟网络设备的纵向隔离能力失效，强雷电信号击穿或旁路了模拟网络设备中的纵向隔离变压器后，侵入了室内电子设备的不同端口间，造成设备损坏。

综合上述分析和现场调查情况，雷电信号的侵入路径包含2类：一类是通信杆塔地线直接接入信号机房地线，杆塔遭受雷击后地电位抬高，通过室内设备的接地点造成地反击，损坏模拟网络纵向隔离性能后，经传输电缆泄放入地；另一类是室外电缆引入雷电信号，损坏模拟网络纵向隔离性能后，经室内的设备接地点泄放入地。其路径如图2所示。

综合故障案例的特点、室内测试、现场环境调查、雷电泄放路径等相关因素，其与雷击故障间的关系归纳如图3所示。

综上可以初步判断雷击损坏ZPW-2000A轨道电路设备主要是纵向途径。

纵向雷电防护的技术通常采用2种措施：一种是“疏”的方式（如图4所示），在线对对地间增加压敏电阻等防护器件，它是通过钳位电压方式吸收超出钳位电压限制的能量来消减雷击信号；一种是“堵”的方式（如图5所示），在线对上插入高隔离变压器，通过对雷电分压的方法削减雷击信号的侵入。根据最新标准，转移系数标准为1/100，即：在10kV外部雷电信号侵入时，其信号要削减至100V以下，隔离变压器方式对于雷电信号的防护没有延时，不会由于器件的响应时间造成短时高电压侵入。因ZPW-2000A轨道电路系统是浮地系统，故其采用后者纵向悬浮的隔离变压器“堵”的方式。

图2 雷电信号侵入途径示意图

图3 雷击故障树

图4 压敏电阻纵向防护雷电原理

图5 隔离变压器纵向雷电防护原理

综上所述，除因施工导致的雷电环境存在问题外，在高雷电信号条件下，轨道电路模拟网络设备也会被击穿而导致故障的发生。通过试验再现以及对设备的排查分析，确定了轨道电路模拟网络纵向隔离失效的原因是：室外侧线缆（板条）与室内侧线缆（板条）间出现了空气击穿，主要的因素有2点：1）底座端子的输入输出端子距离过近，如图6所示；2）印制电路板上的室外侧板条和室内侧的板条排布距离不足。

图6 模拟网络底座端子实物图

针对上述问题，设备研究单位提出：防雷模拟网络盘内隔离变压器室内侧信号线在设备内采用绝缘导线方式直接引出至新增的独立端子，现场可配线修改后直接更换设备，示意如图7所示。

经测试验证，改造前该设备可防护4500V电缆侧侵入的纵向雷电信号；改造后可防护电缆侧侵入10000V纵向雷电信号。

综上分析，导致雷击故障的末端因素共计包含以下7点（如表3所示），对其在引发故障的条件及整改可行性进行了综合分析，考虑“易实施”、“有效”的原则，确定了“现场环境整治”和“模拟网络设备整改”同步展开的整治措施。

表3 雷击故障的末端因素表

1）环境整治要求

根据多次现场雷击故障调查中发现的现场环境存在的问题，结合相关规范，提出对于环境整治的6项主要要求：

a.电源防雷箱处的接地汇集线需单独设置，不与其他地线混用。

b.电缆钢带、铝护套不得深入室内过长。

c.规范接地汇集排的使用，严格执行不同类型地线分开设置的原则。

d.去除防雷柜地线串接的闸刀及保险。

e.泄流导线就近连入，不得绕行。

f.完善补强电缆钢带及铝护套的接地。

2）模拟网络整治要求

模拟网络盘设备采用返厂整修，现场更换的方式。为了最大限度地减少雷击损坏设备对运输的影响，按照雷害故障分布及影响严重程度合理排布，分批完成模拟网络设备的整治工作。

4 整改效果

图7 模拟网络盘改造原理及实物图

通过“现场环境整治”和“模拟网络设备整改”的综合整治，防雷导致的设备故障得到了大幅改善，其效果如下。

4.1 电磁环境整治

温福线和福厦线在2010年和2011年雷害较多，共发生8次损坏轨道电路设备的情况，其在2011年9～10月曾根据现场调查情况进行了现场环境整治，2012年未再出现雷击大面积损害设备的情况，由此看出整治效果较为明显。

4.2 模拟网络设备整改

对2013年至2014年8月的雷害故障进行跟踪，分析了主要发生的6次雷击故障情况（如表4所示）：3起发生在未进行模拟网络整改的车站，均有发送器、接收器等室内电子设备损坏故障情况；另外3起发生在已经完成了模拟网络整改的车站，现场调查有2次造成了接触网绝缘端子的碎裂，1次是广深港汕尾站造成了大量其他设备损坏，包括电源屏、监测机甚至应答器，初步判定应均为直击雷，但这3起雷击均没有造成室内发送器、接收器等室内电子设备的损坏。其中一起发生在武广线中继49，该站在改造前，曾于2012年5月13日也有过雷击故障，造成了发送器1台、接收器4台及衰耗器3台设备故障，而改造后未再出现室内设备的故障。因此，模拟网络设备整改克服了雷击造成的发送器、接收器故障，其效果显著。

5 后续的思考及工作措施

本次全路的整改工作得到了研究单位、现场运营维护单位、设备生产单位的大力支持，也取得显著的实效。但是，本次整改工作，暴露出我国铁路信号防雷技术仍比较薄弱，并且技术标准与相关规范也不够完善,信号防雷技术的研究仍是一个长期不懈的工作。

表4 雷击故障统计分析表

根据本文中对可能导致雷击故障的各类末端因素的分析，本次仅从室内环境改善和设备耐受能力方面初步消除了现场的雷击故障问题，如何更为有效的从综合设计方面避免雷击侵入，仍旧是一个尚待研究的课题。因此，希望有关研究单位继续深追猛打、立足基础性原理研究，对于“综合接地引入接触网杆塔反击能量”、“室外电缆单端接地”和“通信杆塔与机械室环形地网共地”等问题展开更为深入的研究。为我国铁路的信号防雷技术体系和技术标准的完善奠定技术基础，为我国高铁“走出去”战略提供强有力的技术支撑。

[1]中华人民共和国铁道部.TB/T3074-2003 铁道信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件[S].2003.

[2]中华人民共和国铁道部.铁运〔2006〕26号 铁路信号设备雷电及电磁兼容综合防护实施指导意见[S].2006.

[3]国家技术监督局，中华人民共和国建设部.GB50057-2010 建筑物防雷设计规范[S].北京：中国建设出版社，2008.

This paper gives the statistic and the summary of lightning faults and characteristics of ZPW-2000A track circuit equipment used in dedicated passenger lines. Based on the block diagram of the ZPW-2000A track circuit, it introduces hot to fi nd out the ways to damage equipment by lightning and lighting protection weaknesses of the systems combining with the field investigation and lightning protection performance tests of related equipment, in order to implement lightning protection measures accordingly.

dedicated passenger line; track circuit equipment; lightning protection; remediation

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.02.001

2015-03-26）