城市轨道交通信号系统采集和驱动电路雷击试验方法

李 洋

(中国铁道科学研究院标准计量研究所,100081,北京//助理研究员)

城市轨道交通信号系统采集和驱动电路雷击试验方法

李 洋

(中国铁道科学研究院标准计量研究所,100081,北京//助理研究员)

通过分析城市轨道交通信号系统采集和驱动电路的工作原理,找到了雷电电磁脉冲的引入途径。结合测试标准要求,分别给出了采集电路、光控可控硅驱动电路和晶体管驱动电路等三种不同接线形式的雷击试验方法。指出了试验过程中需要注意的问题,为城市轨道交通信号采集和驱动电路的防雷设计提供合理的试验方法。

城市轨道交通; 信号系统; 采集驱动电路; 雷击试验

Author′s address Standards & Metrology Research Institute of China Academy of Railway Sciences,100081,Beijing,China

目前,我国城市轨道交通信号系统雷击试验主要依据GB/T 3482—2008《电子设备雷击试验方法》和TB/T 3074—2003《铁路信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件》。但上述标准中对信号端口尤其是计算机采集驱动端口的雷击试验方法规定的不详细,加上测试人员对城市轨道交通信号系统采集和驱动电路的工作原理不了解,使得很多实验室在进行采集驱动端口的模拟雷击试验时无从下手,有些甚至盲目施加,造成大量的重复性和无意义的工作,降低了试验效率。

本文列出了现阶段城市轨道交通信号系统常用的采集和驱动电路的原理图,详细介绍了计算机采集和驱动的工作原理;并结合GB/T 17626.5—2008《电磁兼容试验和测量技术 浪涌(冲击)抗扰度试验》中的试验方法,分析城市轨道交通信号采集驱动电路的特殊性;最终给出了采集驱动电路施加模拟雷电冲击的试验方法和建议。

1 信号采集和驱动电路的工作原理

计算机采集继电器状态的工作原理图如图1所示,其采用了2个光电耦合器GD1和GD2。当继电器处于吸起状态时,直流24 V电压加到GD1的集电极,计算机先向GD1输出一个高电平信号“1”,使GD1导通,GD1的集电极输出一个低电平到GD2。这时,GD2截止,输出一个高电平“1”供计算机读入。然后,计算机再向GD1输出一个低电平“0”,使GD1截止,GD1的集电极输出一个高电平到GD2。这时GD2导通,输出一个低电平“0”供计算机读入。因此,当计算机输出脉冲串1010信号,读回1010脉冲信号,计算机判断该继电器处于吸起状态。如果继电器断电落下,无论计算机输出任何信号,GD2始终处于截止状态,输出高电平信号(1111)供计算机读入,此时计算机判断继电器处于落下状态。

该电路采用电平变换的闭环电路来检测继电器状态,并采用光耦合器防止电路故障时计算机输出脉冲串到输入端。光耦合器还起到电源隔离及抗干扰的作用。

计算机驱动继电器动作有两种方式:

一种是采用光控可控硅驱动电路,其工作原理如图2所示。驱动继电器时,计算机输入一序列脉冲串,脉冲电压经过光电耦合器,使光敏三极管导通,输出的信号经过C1去掉直流分量,并由C2、D1、D2构成的电路整流滤波后,施加在光可控硅T的两端,使光可控硅初级稳定发光,次级可靠导通,继电器线圈通电,驱动继电器吸起;当计算机没有输出时,光敏三极管处于截止状态,光可控硅初级两端无电压,次级不导通,从而使继电器线圈断电,继电器落下。

图1 计算机动态采集电路原理图

图2 光控可控硅驱动电路原理图

另一种是采用晶体管输出驱动电路,其工作原理如图3所示。驱动继电器时,计算机输入一序列脉冲串,脉冲电压经过光电耦合器,使光敏三极管导通,脉冲电压经过晶体三极管T1放大输出,然后经过C1去掉直流分量,并由C2、D1、D2构成的电路整流滤波后,以直流输出方式给继电器线圈通电,驱动继电器吸起;当计算机没有输出时,光敏三极管处于截止状态,T1集电极无电压输出,继电器断电落下。

图3 晶体管输出驱动电路原理图

2 采集电路雷击试验方法分析

城市轨道交通信号采集电路雷击试验方法如图4所示:信号系统每块采集板卡上输出多路采集线(图4中模拟了32路采集),分别与继电器的节点相连,系统电源柜内的直流电源“+”线作为公共回线连接继电器的另一节点,“-”线作为系统内部跳线连接到采集模块的电气地(GND)。根据雷电电磁感应原理,浪涌过电压主要通过外引出线感应到受试设备,所以应该施加浪涌的线路为L1～L32以及电源“+”线,电源“-”线可忽略。

图4 城市轨道交通信号采集电路雷击试验方法

试验主要依据为GB/T 17626.5—2008 《电磁兼容 试验和测量技术 浪涌(冲击)抗扰度试验》及TB/T 3074—2003 《铁路信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件》。按照标准要求,采集模块输出为非屏蔽不对称互连线,应对每一线路和地之间进行纵向冲击,对线路和线路间进行横向冲击。考虑到采集线路数量太多,且每条线路连接的电路结构一致,为提高试验效率,可选取其中2条采集回路,分别模拟采集时的吸起、断开两种状态,对其施加线-地/线-线冲击试验。

从图1可以看到,采集线路雷击浪涌主要从晶体管集电极注入,考察元器件与防雷地之间的耐受能力。如果晶体管被击穿,呈短路或开路状态,会导致计算机反馈得到的采集信息与实际情况不一致,造成误采集。另外,不要将电源“-”线和防雷地共地,因为晶体管集电极和发射极之间的耐过电压能力远小于集电极和绝缘层之间的耐过电压能力,更容易被击穿。

3 驱动电路雷击试验方法分析

目前,城市轨道交通信号驱动电路主要采用光控可控硅驱动电路和晶体管输出驱动电路,前者通过可控硅控制直流电源模块的通断提供直流电压,后者通过晶体管将脉冲信号放大整流提供直流电压。光控可控硅驱动电路的雷击试验方法如图5所示:每块驱动卡上输出多路驱动线与继电器线圈正极连接(图5中模拟了16路驱动),系统电源柜内的直流电源“-”线作为公共回线连接继电器线圈的负极,“+”线作为系统内部跳线与采集板上的集电极和可控硅相连。根据雷电电磁感应原理,浪涌过电压主要通过外引出线感应到受试设备,所以应该施加浪涌的线路为L1～L16以及电源“-”线,电源“+”线可忽略。

类似采集电路,驱动模块输出为非屏蔽不对称互连线,应对每一线路和地之间进行纵向冲击,对线路和线路间进行横向冲击。考虑到驱动线路数量太多,且每条线路连接的电路结构一致,为了提高试验效率,可选取其中2条驱动回路,驱起一路落下一路,对其施加线-地/线-线冲击试验。

图5 城市轨道交通信号光控可控硅驱动电路雷击试验方法

从图2中可以看到,驱动线路雷击浪涌主要从可控硅负极注入,考察可控硅元件与防雷地之间的耐受能力,如果可控硅被击穿,呈开路或短路状态,会无法正常驱动继电器,造成危害。

晶体管驱动电路的雷击试验方法如图6所示:直流电源直接接入驱动板作为直流偏置电路,保证晶体管处于导通放大状态;集电极输出的电压经过整流滤波后连接到继电器线圈的正负极,每块驱动板上输出16对连接线(LJF1-LJZ1～LJF16-LJZ16),没有公共回线。根据雷电电磁感应原理,浪涌过电压主要通过外引出线感应到受试设备,所以应在每对连接线上施加浪涌。

如果驱动模块输出采用双绞线或其他形式的对称电缆,按照标准要求,应分别对每组线中的每根线对地进行冲击。考虑到理想状况下对称线间不会感应出雷电电磁脉冲,所以不进行线-线间的横向冲击。如果输出采用非对称电缆,则要增加两根线之间的冲击试验。

从图3中可以看到,雷击浪涌沿着继电器线圈的正负极从整流滤波电路的两端开始注入,考察元器件与防雷地之间的耐受能力;如果元器件损坏,没有稳定的输出,则继电器线圈两端加不上电压,继电器无法吸起。

图6 城市轨道交通信号晶体管驱动电路雷击试验方法

此外,除了晶体管驱动电路外,其他采集、驱动回路均采用系统直流电源的正负极作为公共回线引出机柜外,这样,在直流电源端口同样会引入浪涌过电压。所以,建议信号系统的直流电源模块也要进行雷电冲击试验,以保证电源模块的稳定性。

4 雷击试验过程中注意的问题

模拟雷电冲击发生器放电回路结构如图7所示,其由阻值较低的电阻及电容元器件组成。如果在试验过程中,直接把发生器输出接到受试设备,相当于无形中在受试设备输入或输出端并联了一个小电阻。在采集电路线-线间进行雷击试验时,如果直接把冲击发生器并入采集线1和采集线2之间,会使原本采集继电器节点落下的采集回路2接入采集回路1的直流电压,导致误采集。因此,试验时,应该在冲击发生器放电回路端接入合适的耦合网络,防止上述情况的发生。

在其他线路的试验过程中,如果接入冲击发生器后对受试设备正常的工作状态产生影响,应采取合适的耦合方式接入;如果冲击发生器不会影响设备正常工作,则可以不加入额外的耦合网络。毕竟,耦合网络的接入会造成脉冲试验波形的失真,影响试验的准确性。

5 结语

计算机采集驱动控制电路作为计算机联锁系统、车站列控中心系统等的核心组件,对行车安全起着至关重要的作用。为了合理、有效地通过试验来提高采集驱动电路抗雷电电磁脉冲干扰的能力,就必须了解采集驱动电路的工作原理,找到雷电电磁脉冲的引入途径,在正确的位置施加防护手段或提高绝缘等级,不盲目接地,最终通过反复的模拟雷击试验来验证产品的可靠性。

图7 模拟雷击发生器放电回路结构图

采集驱动电路的形式有很多种,本文仅选取了几个有代表性的电路进行分析。希望在以后的试验中,面对不同的电路结构,可参考本文的测试方法,首先读懂电路原理图,然后绘制受试设备与外界的接线图,找到雷电电磁脉冲的引入途径;最后结合标准要求,有针对性地施加雷电冲击,合理、高效地完成试验。

[1] 中国国家标准化管理委员会.电磁兼容试验和测量技术 浪涌(冲击)抗扰度试验:GB/T 17626.5—2008[S].北京:中国标准出版社,2008.

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Lightning Impulse Test for Acquisition and Driving Circuit of Urban Rail Transit Signal

LI Yang

With an analysis of the working principle of acquisition and driving circuit of urban rail transit signal,the induction way of lightning impulse is detected.According to the test standards,three test methods for lightning impulse——acquisition circuit,optocoupler SCR circuit and transistor drive circuit are given respectively.The purpose is to provide a reasonable test method for the lightning protection design of railway signal acquisition and drive circuit.

urban rail transit; signal system; acquisition and drive circuit; lightning impulse test

U231.7

10.16037/j.1007-869x.2017.04.017

2016-04-12)