轨道电路的雷击侵入路径分析

赫忠良，王福文，林智文

（中国铁路哈尔滨局集团有限公司电务部，哈尔滨 150006）

1 概述

在电气电子设备大量上道的今天，为保证其可靠应用，必须为其打造一个优良的电磁环境。说到优良的电磁环境，就必须提到防雷电脉冲及静电干扰。而信号系统是铁路的重要组成部分，对保证列车的行车安全和运输效率至关重要。

在中国国家铁路集团有限公司及各铁路局集团公司的重视下，铁路信号设备建设天网、地网、法拉第笼，并对室内机柜、机架管线进行了等电位连接，在高速铁路及电气化区段设置贯通地线，并与地网进行等电位连接，为室内信号设备可靠运用营造一个优良的雷电及电磁环境，而室外信号设备由于裸露于轨旁，其雷电环境则相对恶劣的多。轨道电路利用沿钢轨线敷设的信号电缆进行室内、室外的连接，弱电系统也通过电缆与室外轨旁信号设备、钢轨、综合接地系统进行电气连接，是雷电信号侵入轨道电路设备的重要途径。

虽然目前铁路信号系统具有规范的防雷及综合接地系统来进行雷电防护，但是发生雷击故障后，大都仅凭现场运用经验判断，本文以轨道电路经典的雷电入侵方式为例，阐述雷电在轨道电路的侵入途径。

2 ZPW-2000A轨道电路系统构成

ZPW-2000A 轨道电路系统是国内普遍使用的轨道电路制式，其室外部分包含传输电缆、钢轨、空心线圈、匹配变压器、调谐单元、补偿电容等，室内部分包括发送器、接收器、衰耗器、防雷模拟网络盘等电子设备。室外与牵引供电系统紧紧相邻，包含AF 线、PW 线、T 线和接触线、接触网杆等，牵引供电系统的接触网杆沿钢轨竖立，网杆底部接入贯通地线，具体系统结构如图1 所示。

图1 ZPW-2000A轨道电路系统框图Fig.1 Block diagram of ZPW-2000A track circuit system

ZPW-2000A 轨道电路室外信号电缆的电缆外皮与相邻的接地接触网杆塔共同采用一个贯通地线接地点，换而言之，接触网杆塔与信号电缆外皮等电位相连，具体结构如图2 所示。

图2 室外电缆接地图Fig.2 Outdoor cable grounding diagram

3 直击雷侵入路径分析

2014 年5 月23 日18:52 ～21:48，雷 击造 成 某站下行区间21911AG 红光带。该次直击雷造成21911AG 受端处接触网杆绝缘子击穿、21911AG受端PT 损坏、21911AG 电缆芯线断线。本文将以此故障案例作为分析对象。

3.1 雷电活动情况

该站地理坐标为东经113.174°、北纬23.771°，通过调阅中国电网雷电监测系统的雷电数据发现，当日18:00～22:00 之间，该处雷电活动频繁，雷电流幅值范围约为30～60 kA。

3.2 设备损坏情况

经过调查发现现场损坏设备情况如下。

3.2.1 牵引供电设备损坏情况

21911AG 受端附近的接触网杆T 线绝缘子被击穿，绝缘子损坏情况如图3 所示。

图3 雷击位置图Fig.3 Position struck by lightning

3.2.2 轨道电路设备损坏情况

1) 21911AG 受端分支电缆芯线断线，如图4 所示。

图4 电缆灼伤实物图Fig.4 Photo of burnt cables

2) 21911AG 受端PT 损坏，其中E1、E2 万可端子附近的V1-V2 金属连接片有明显灼烧痕迹，如图5 所示。

3.3 雷电侵入路径分析

图5 雷击位置图Fig.5 Spot struck by lightning in PT

通过现场调查，该故障明显是一起直击雷故障，且发现雷击接触网杆和损坏的PT 距离很近，如图6 所示。根据雷击现场位置、损坏设备情况及雷电泄放机理，抽象出雷击后雷电流泄放通道如图7 所示，即PW 线、AF 线或T 线→接触网杆→贯通地→电缆外皮→电缆芯线→PT →钢轨→远方的地。雷电侵入轨道电路的过程简述如下。

图6 损坏PT现场位置图Fig.6 Position of onsite PT struck by lightning

图7 雷电流泄放路径图Fig.7 Diagram of the path of lightning current discharge

1）雷的引入：雷的引入途径可能有两种：一是雷电直接击中接触网杆、PW 线，雷电流直接入地，同时把绝缘子击穿；二是雷电击中AF 线或者T 线（接触线），使得其与接触网杆产生高电位差，将绝缘子击穿，然后雷电流通过接触网杆入地。

2）地电位升、电缆外皮击穿：雷击后，入地雷电流急剧增大，使得地电位急剧抬升。由于此处电缆的外皮接地，所以电缆外皮电位也随之抬升，从而在电缆外皮和芯线间产生非常大的电位差，造成电缆外皮和芯线间绝缘被击穿。

3）PT 击穿、产生红光带：雷电流通过电缆芯线进入PT，在E1、E2 处产生高电位，从而造成E1、E2 端子与钢轨侧端子放电，雷电流经钢轨向远处低电位处泄放。此过程中PT 被击穿损坏，轨道电路产生红光带。

4 雷感应雷侵入路径分析

2017 年8 月27 日19:00:53，某站区间下行线15607G、上行线15604G 出现红光带，20:14 电务段签认设备恢复正常，影响客车4 列、货车4 列，故障持续时间74 min。

4.1 雷电活动情况

经雷电监测信息查询，发现故障当天19:00 故障区间附近雷电活动频繁，根据区域附近故障时段内11 次雷电的具体监测数据可知，其中距离区段较近处形成过一次大幅值对地雷电流，其雷击监测数据为：8 月27 日19:00:32.309，在北纬27.5462，东经109.8747 地点，雷击主放电之后伴随1 次回击，幅值达到254.4 kA，距离故障区段6 297 m。（钢轨区段坐标：北纬27.5414，东经109.8111 至北纬27.5322，东经109.8061）。

4.2 设备损坏情况

此次设备损坏情况如下。

1）室内两个15607GJS、15604BGJS 接收器损坏，一个衰耗采集盒损坏。

2）一个发送器报警未损坏。

4.3 雷电侵入路径分析

通过对区域雷电数据、机械室布局、现场实际布线接地情况和室内损坏设备的分析，认为造成此次雷击故障的主要原因是室外感应雷电流入侵。

入侵通道如图8 所示。

图8 雷电入侵通道Fig.8 Path of Lightning

由于钢轨区段附近有254.4 kA 大幅值雷电流对地放电，钢轨上产生感应雷电流，形成高电位端。雷电流通过室外电缆的内屏蔽层和芯线进入室内，由于室内外电缆在柜上线槽存在并行走线，雷电流感应耦合至室内组合柜至移频柜的电缆上，进入接收器形成高电位。因为接收器外壳接于安全地（低电位），接收器内形成电位差，放电造成接收器损坏，形成雷电流的泄放通路，雷电流从接收器外壳通过安全地流向室外低电位。

4.4 室内接口柜接地建议

由于ZPW-2000A 轨道电路的接口柜是室内外电缆的分界处，也是脏线、净线的分界，接口柜上有防雷地FLE 和屏蔽地PBE（以前叫DLE），针对这两个地应注意以下几点。

1）防雷地FLE 与机柜柜体绝缘，屏蔽地PBE与机柜柜体良好导通连接。

2）防雷地FLE：机柜内电缆侧信号线缆屏蔽层单端接地至机柜防雷地FLE 铜牌；防雷模拟网络盘端子35、分线采集器端子25 连接至组匣背面接地铜条，由组匣接地铜条连接至机柜防雷地FLE 铜牌。

3）屏蔽地PBE：机柜内设备侧信号线缆屏蔽层单端接地至机柜屏蔽地PBE 接地铜牌；CAN 总线屏蔽层单端接至机柜屏蔽地PBE 接地铜牌。

5 结论

本文以两起雷击故障为例，讲述直击雷和感应雷两种雷电流在轨道电路上的侵入路径，并提出轨道电路接口柜接地建议，对现场雷电防护和雷击故障分析具有一定指导意义。