悬浮结构铁路信号设备雷击损坏的原因分析及防护方法探讨

李永毅 王州龙

李永毅:中国铁道科学研究院通信信号研究所 高级工程师 100081 北京

王州龙:中国铁道科学研究院通信信号研究所 助理研究员 100081 北京

针对高速铁路运营中电磁环境发生的变化，以及可能发生的雷害事故，铁路总公司加强了对信号设备雷电防护的研究工作，部署了《高速铁路综合雷电防护关键技术研究》重大科研课题，对高速铁路雷害防护工作，特别是受雷害频次最多轨道电路做了重点研究。

为了防止雷电防护器件发生短路出现第三轨问题，ZPW-2000A轨道电路雷电防护方案中只采用差模防护的目的。差模防护是为了防止钢轨遭直击雷，经轨道变压器传导过电压。由于目前铁路信号设备多采用埋地电缆，电缆芯线紧密，对地分布特性接近，感应雷在各芯线间感应出的雷电过电压值差别小，而芯线与大地之间电位差大。所以在考虑感应雷防护时，还应采用共模防护措施。如果没有共模防护，完全依靠系统绝缘性能来承担较高过电压冲击，则系统的绝缘将很容易烧损。

1 试验分析

1.1 现场雷击损坏情况与试验对比

在现场雷害调查中，发现雷击损坏的器件除了接口芯片外，还有CAN总线控制芯片SJA1000T、总线驱动芯片74HC245N、光电隔离器件A6N137、A/D转换器AD7865等内部芯片会同时损坏，而且还会发生器件爆裂现象。说明雷电泄放通道是经过接口及内部芯片，且能量较高。

针对信号设备耐冲击水平的试验，包括了ZPW-2000A轨道电路在内的各种悬浮系统冲击试验。一旦冲击电压升高到一定值(冲击耐受水平UW)，系统内部绝缘会击穿，并发出放电声，同时受试设备接口及内部芯片大面积损坏。几种系统设备的耐冲击水平值，如表1所示。

表1 受试信号设备纵向绝缘冲击击穿值

由表1可见，ZPW-2000A轨道电路CANE通信单元纵向耐冲击值在3700V左右，按照TB/T3074-2003《铁路信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件》中的要求，对室内CAN总线纵向雷击试验采用10/700 μs 2kV冲击试验，显然CANE通信单元纵向耐冲击能力能够通过标准要求的雷电抗扰度试验。可在现场应用中，ZPW-2000A轨道电路的发送、接收和CAN总线电路遭雷电冲击损坏现象很多，原因何在?

1.2 模拟计算

在铁路信号机房内，信号设备接口雷电过电压侵入途径有传导、感应和地电位反击3种方式。因传导雷电电涌电压可以被信号分线柜处的防雷设施限制在一定数值以内，故在此不用考虑。

以一个三等车站为例，模拟计算信号机房线路雷电反击或感应的电压等级。假设机房等效冲击接地电阻为0.2 Ω，当50 kA直击雷击在机房避雷带上，雷电流沿接地极泄放入地时，系统地电位升高电压等于0.2 Ω×50 kA=10 kV。雷击在距车站100 m远处，车站屏蔽为5 m×5 m的钢混结构，钢筋直径20 mm，机房内信号线与地线构成10 m×3 m的环路，其开路最大感应电压Uoc/max由下式计算:

其中:μ0为真空的磁导系数，4π×10－7(V·s)/(A·m);b为环路的宽度(m);l为环路的长度(m);H1/max为LPZ1区内最大的磁场强度(A·m);T1为雷电流的波前时间(s)。

按照GB50057-2010《建筑物防需设计规范》中表F.0.1-1、F.0.1-2和表F.0.1-3中一类建筑物考虑，防护的最大雷电流，由计算可知:

200 kA首次正极性雷击，波前时间 T1=10 μs，在信号线路内感应的电压 Uoc/max=720(V);

100 kA首次负极性雷击，波前时间T1=1 μs，在信号线路内感应的电压Uoc/max=3600(V);

50 kA首次负极性以后雷击，波前时间T1=0.25 μs，在信号线路内感应的电压 Uoc/max=7215(V)。

可见，设备地电位反击电压和信号线路内可能感应出的电涌电压，都有可能超过系统绝缘电压，会造成系统设备击穿损坏。雷电点距信号楼的距离和雷击电流大小是随机的，实际应用中，由于很多机房附近有无线通信铁塔，导致遭雷击的概率增加，所以，信号线路内存在产生超过系统绝缘等级电涌电压的可能性。

1.3 雷害分析

由雷电电涌模拟计算和信号设备绝缘耐冲击水平试验数据可以说明，单个车站出现超过信号设备绝缘耐受水平的雷电电涌电压的概率虽然较小，但分布在全国范围内的各个车站遭雷害概率总和却很大。一旦较高电涌电压出现，沿线路端口到击穿点间所经过通路上的所有器件都会损坏，损坏路径如图1所示。

图1 悬浮系统击穿损坏机理示意图

2 防护方案

感应雷电电涌电压和反击电压受雷电流峰值、雷击点远近、雷电流上升速率等多种因素影响，信号线路内的雷电电涌电压变化范围很大。系统的防护靠提升绝缘等级，既增加设备费用，又不能彻底解决绝缘击穿问题。所以，最有效的方案是增加纵向防护。

因ZPW-2000A轨道电路采用悬浮系统，不加装纵向防护的原因是防止在应用中发送和接收两侧SPD同时出现短路损坏情况，在轨道占用时可能出现第三轨，使故障升级。可是，由于没有纵向SPD防护，使信号系统出现雷击事故较多。为了解决这一矛盾。正确分析SPD出现短路损坏的条件，采用恰当的方法设计SPD，既可以防止出现第三轨，又能够有效避免信号系统遭雷击损坏。

由表1可知ZPW-2000A轨道电路系统纵向的耐冲击水平UW在2000 V以上，按照UW选择SPD的防护水平Up，保护绝缘不被击穿就可以有效防护。因此，采用压敏电阻、放电管就可以满足对ZPW-2000A轨道电路系统纵向防护要求。

2.1 SPD损坏模式分析

SPD的主要元件是压敏电阻和放电管。压敏电阻损坏的原因主要有2个:一是产生漏电流劣化，当压敏电阻温度升高到一定值后，会使压敏电阻过热形成局部击穿短路;另一个原因是瞬态电涌电流(雷击电流)过大，超过压敏电阻通流能力，烧坏压敏电阻造成短路。放电管损坏出现短路的原因主要有3个:一是电气化干扰，使放电管长时间弧光放电;另一个是雷电流过大，这2种情况都会使电极熔化镀在陶瓷壁上形成一层金属膜，使放电管呈现阻性状态;第3个原因是早期的放电管采用轴形电极工艺。

2.2 SPD设计方法

1．压敏电阻出现短路的因素是漏流和过流，SPD采用压敏串放电管结构可以截断漏流，当过电流造成压敏电阻击穿时，由于SPD中存在着串联的放电间隙，可使SPD保持开路状态。

2．选择杯形结构放电管，结构如图2所示，防止电极变形或脱落造成短路情况。

3．高速铁路的电化干扰是由于牵引回流流经贯通地线引起，电压一般在几十伏以内，个别情况最大也不超过几百伏。SPD中选用高标称导通电压(大于600 V)的放电管和压敏电阻串联，既能防止系统绝缘被击穿，又能避免电气化干扰使放电管呈现阻性状态，避免第三轨出现。

图2 杯形放电管工艺结构图

4．铁路信号系统线路内雷电感应电流等级范围一般在几十安到几百安，在设计SPD时。选择小通流容量(1 kA)的压敏电阻和大通流容量(20 kA)的放电管串联组合。按照GB/T9043-2008《通信设备过电压防护用气体放电管通用技术条件》规定:使用8/20 μs波形标称放电电流冲击放电管10次，放电管特性不应损坏。雷电感应电流远小于放电管标称放电电流，不会使放电管电极熔化损坏出现短路情况。假如线路中出现大于放电管标称放电电流的雷电流，使放电管电极熔化损坏时，该电流因远大于压敏电阻的通流容量，压敏电阻会炸碎开路，同样不会出现信号对地短路情况。这样就保证不会出现压敏电阻和放电管同时短路的状态，避免第三轨出现。

5．在SPD内增加过流熔断装置，确保雷电流过大时，过流保护装置动作，将SPD脱离线路，确保不会出现第三轨。

3 结论

因降低设备的雷击损坏事故刻不容缓，所以轨道电路系统的纵向防护十分必要。采用本文介绍的方法设计SPD，必要时采用短路检测装置，将出现短路的SPD自动脱离信号线路，再加上定期检测等管理方法，就可消除第三轨出现的可能性。只有加装纵向防护，才能有效保护轨道电路系统设备免遭雷击损坏，保证行车安全。

［1］中华人民共和国GB 50057-2010.建筑物防雷设计规范［S］.2010.

［2］中华人民共和国GB/T9043-2008.通信设备过电压防护用气体放电管通用技术条件［S］.2008.

［3］中华人民共和国铁道部.TB/T3074-2003.铁路信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件［S］.2008.