基于层次分析法的高速铁路信号系统雷害风险评价

王州龙，孙建国，张 宾，靳邵云

高速铁路作为大容量公共交通工具,其安全性直接关系到乘客的生命安全［1］。信号系统担负着各种行车设备的控制和行车信息的传输,在高速铁路中有着举足轻重的地位,更是保障高速铁路运营安全、杜绝事故发生的重要基础［2］。

我国高速铁路多采用高架方式,牵引供电接触网的导线对地高度明显增加,接近甚至超过了电力系统110 kV输电线路［3］,而信号设备多采用大规模集成电路和低耐压器件,耐过能量不高,对外界电磁感应更加敏感,承受雷击电磁瞬态干扰能力不强,遭雷击损坏或不正常工作的概率普遍增加。

目前,高速铁路信号系统雷电防护还局限于定性描述防护策略阶段,对现有信号系统雷电防护措施的评价主要基于经验判断,对于高铁信号系统雷害风险的认识比较模糊,许多潜在的雷害风险尚未完全掌握。而高速铁路多为长距离线路,受铁路沿线不同雷暴、土壤电阻率区域及雷电强度的影响,对信号设备造成影响的差别很大,用统一的标准来考量信号设备的防雷可靠性,容易出现防护盲点。调查发现线路信号楼内信号设备遭雷击损坏的风险程度,与设备端口的感应过电压值、信号设备自身耐雷电冲击水平及防护措施有关。

国际电工委员会率先将风险评估引至建筑物雷电防护中,提出雷害风险评估体系,核心是以雷电活动频度、地闪密度、雷暴日等数据作为风险分析因子,通过对风险因子计算进行概率统计,但这种概率统计方法并不能定量确定系统的雷害风险。华北电力大学的边凯［4］建立了高铁牵引网雷电过电压计算模型,计算了不同桥高下雷击跳闸率风险；程宏波等［5］通过确定牵引供电系统各部分雷击危险区的大小,对高铁牵引供电系统各部分遭受雷击损害的风险程度进行评估；国家电网的谷山强等［6］对高速铁路牵引供电系统雷害风险评估做了相关研究；赵淳等［7］提出了全层级电网雷害风险评价体系,但均未对高速铁路信号进行系统级的雷害风险评价方法研究。

为此,本文在获取线路信息和雷电参数信息的基础上,利用信号系统雷击瞬态模型［8］计算设备雷击过电压,并试验研究信号设备自身耐雷电冲击水平,尝试建立一套基于定量计算的、多层次分析的方法［9］,根据风险评价结果及时采取相应的防护措施,彻底规避不可接受风险。

1 信号系统雷击侵入途径

本文以CTCS-2级列控系统地面子系统（包括轨道电路、列控中心、LEU等）及联锁系统为例,介绍雷击侵入导致信号系统过电压的途径。

雷击导致信号系统过电压主要有3种途径:①雷击附近大地,在信号电缆内感应过电压,并传导到信号设备端口,这种情况在铁路信号系统中最为常见,室外遭受强雷击侵扰时,钢轨或电缆感应过高的雷击瞬态过电压,虽然经过一次、二次成端的屏蔽接地处理和分线柜防护,但仍有较高的雷电过电压侵入信号设备端口,典型雷电侵入信号系统途径见图1；②雷击附近高建筑引起地电位反击；③雷击远端或附近大地,在信号楼内的传输线缆上电磁耦合产生过电压。

图1 典型雷电侵入信号系统途径示意图

2 信号系统雷害风险评价体系实现

建立信号系统雷害风险评价体系,可以从项目设计、实施、维护等全生命周期,对铁路信号系统防雷工作予以指导,采用更可靠的信号系统防雷方案,使信号系统雷害风险在可接受水平,以确保信号系统雷电防护安全。本文提出基于定量计算的、多层次分析的信号系统雷害风险评价方法,总流程见图2,具体流程如下。

图2 高速铁路信号系统雷害风险评价总流程

1）雷电及线路信息获取。可采用分区段统计法,统计该区段轨道两侧一定范围、一定时间内超过一定幅值的雷电信息（即危险雷电）。线路信息包括线路特征信息、线路地理信息等。线路特征信息包括轨道高度、土壤电阻率等；线路地理信息包括高铁线路的区段坐标、经纬度坐标、海拔高度等。

2）区段内各信号子系统雷击过电压计算。根据线路危险雷电信息,结合线路地理信息、线路特征信息,利用信号系统雷击瞬态模型,计算信号设备端口雷击过电压。可采用基于频域参数提取和矢量匹配拟合技术的雷击瞬态建模方法,建立信号设备雷击瞬态模型。

3）信号子系统设备耐雷电冲击水平研究。采用试验室模拟雷击试验的方法,试验各信号系统设备端口的耐雷电冲击水平。

4）信号子系统雷害风险等级分析及评价。划分信号系统雷害风险等级,建立信号子系统雷害风险矩阵；依据信号子系统端口雷击过电压与耐雷电冲击水平比较计算结果,得到区段内各信号子系统雷害风险等级；根据风险等级分析结果,提出评价结果和防护改进措施,确定线路中易发生雷害的信号子系统。

3 信号系统雷害风险评价体系应用

以发生过雷击故障的某高铁线路为例,基于雷击故障时间段雷电监测数据,对信号系统进行雷害风险评价研究。本例中雷电参数获取自有关部门雷电监测网数据。

3.1 参数获取

1）线路信息:线路全长约21 km,分为28个段,故障发生在4-5段,为高架段,桥高16 m,轨道高度近似设定为16 m,土壤电阻率ρ=100Ω·m。

2）雷电参数:根据雷电监测数据,4-5段某日19:00:00～20:30:00时间段沿线走廊共记录发生雷击26次,120 m内雷击5次,其中超过30 kA的危险雷电共4次,分别为5号（−52.5 kA,66 m）、15号（−45.0 kA,40 m）、22号（−30.4 kA,69 m）和26号（−48.6 kA,16 m）。

3.2 信号子系统雷击过电压计算

设定条件:雷电回击电流波头时间为2.6μs,半峰值时间为50μs,通信信号电缆采用单端接地方式,考虑在严苛情况下,雷电回击通道正对位置电缆护套不接地,1 km外铠装、护套、屏蔽层接地。

利用瞬态计算模型,对危险雷电分别计算其在轨道电路系统各单元瞬态过电压值。考虑到雷击地面感应雷的作用范围、雷电监测网定位误差等因素,本文采取典型最低边界条件计算方法,对超过30 kA但未超60 kA的雷击按30 kA考虑；0～30 m范围的雷击按30 m考虑,30～60 m范围的雷击按60 m考虑,60～120 m范围的雷击按120 m考虑。分别计算雷击点距轨道30、60、120 m时,在电缆芯线及轨道电路系统各单元瞬态过电压值,见表1。结合监测数据可以得出,15号雷电在模拟网络盘末端,过电压可达到或超过5.02 kV；26号雷电在模拟网络盘末端,过电压可达到或超过10.47 kV；5号和22号雷电在模拟网络盘末端,过电压可达到或超过1.01 kV。

表1 轨道电路各单元雷击瞬态过电压值（雷电流30 k A）

对于只有室内信号传输线的设备端口,可按格栅空间屏蔽衰减模型,计算雷电在信号机房内线路感应的电压等级。假定该站信号楼机房等效冲击接地电阻为0.2Ω,雷击在距车站信号机房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。通过计算可得50 kA后续雷击在信号线路内感应的电压为7 217 V,30 kA后续雷击在信号线路内感应的电压为4 329 V。

3.3 信号设备耐雷电冲击水平

采用最小系统动态冲击试验的方法,即对设备进行最小系统级联,并使之处于正常工作状态,在设备接口不加装浪涌保护器（SPD）的条件下,按照《铁路通信信号设备雷击试验方法》（TB/T 3498—2018）中规定的模拟雷电冲击波形,对试验接口从低到高逐渐增加冲击电压进行冲击试验,采用示波器监测被试接口,直到设备工作状态发生故障或错误状态时,记录并确定被测接口电压波形,通过数据分析得到设备接口的耐冲击水平。

根据TB/3498—2018要求,轨道电路设备电源端口采用1.2/50～8/20μs组合波冲击试验,其他通信端口采用10/700～5/320μs组合波冲击试验。

分别对该站计算机联锁、ZPW-2000A轨道电路、列控中心等子系统进行试验室设备耐雷电冲击水平试验,得到各子系统设备耐雷电冲击水平值,见表2。几种设备纵向耐冲击水平差别较大,在2 k～4 kV之间；轨道电路CAND通信单元横向耐雷电冲击水平值很低。由前述空间屏蔽衰减模型计算结果可知,危险雷电在信号楼内传输线缆电磁耦合产生的过电压,可远超信号设备纵向耐冲击水平,会造成系统击穿损坏。

表2 信号设备耐雷电冲击水平值

3.4 信号系统雷害风险等级分析

根据EN50126对信号系统安全等级划分的方法及ALARP原则,结合信号系统雷害风险特点,将信号系统雷害风险等级划分为R1、R2、R3和R4等级。R1为不容许的风险,R2为不希望的风险,R3为可容许的风险,R4为可忽略的风险。

根据雷击过电压与设备耐雷电冲击水平比较结果,结合信号设备安装SPD的情况,将信号设备雷击严重程度也分为C1～C4共4级。C1表示信号设备未安装SPD,雷击过电压超过设备耐冲击水平；C2表示信号设备按要求安装了SPD,雷击后残压超过设备耐冲击水平；C3表示信号设备未安装SPD,雷击过电压未超过设备耐冲击水平；C4表示信号设备按要求安装了SPD,雷击后残压未超过设备耐冲击水平。

在EN50126中推荐的6×4风险矩阵基础上,结合信号设备雷害风险等级和雷击严重程度,建立信号设备雷害风险矩阵表,见表3。

表3 信号系统雷害风险矩阵

经调研发现,该站信号系统设备的防护情况是:联锁子系统各接口都安装了浪涌保护器防护；列控中心驱动采集单元电源回路未合理防护,列控中心其他各接口都安装了SPD防护；轨道电路纵向都未防护,横向虽然安装了SPD,但SPD的残压远超其80 V的耐雷电冲击水平。比较设备接口雷击过电压与耐雷电冲击水平,依据比较计算结果和雷害风险矩阵,统计出不同雷击后果严重程度的数量,得到各信号子系统雷害风险等级,形成信号子系统雷害风险评价结果,见表4。

表4 信号子系统雷害风险评价结果

1）列控中心驱动采集单元雷害风险属于R1级,风险不可以接受,必须采取强制性风险降低措施,并在运营维护中重点加强监测和分析；列控中心其他设备接口风险属于R4级,即风险水平较低,风险可以忽略,只需要在运营维护中进行定期防雷安全检查。

2）计算机联锁设备接口风险水平较低,风险可以忽略,只需在运营维护中进行定期防雷安全检查。

3）ZPW-2000A轨道电路所有接口雷害风险属于R1级,风险不可接受,必须采取强制性风险降低措施,并在运营维护中重点加强监测和分析。

经调研发现该区段某站实际雷害故障情况是:车站列控中心驱动采集单元的采集电路电源回路熔断器熔断,轨道电路4个发送盒、2个接收盒被雷击损坏,轨道电路与列控中心信号传输的CAN总线阻抗下降,轨道电路与列控中心通信故障,雷击造成的信号系统故障与本文风险评价结果基本一致。

4 结论

本文提出了基于层次分析法的信号系统雷害风险评价方法。根据雷电参数和线路信息,利用雷击瞬态模型,计算信号设备接口雷击过电压；试验研究信号设备自身耐雷电冲击水平；通过计算得到的雷击过电压与自身耐雷电冲击水平的比较,对信号系统雷害风险进行评价,最终得到信号系统雷害风险等级；根据风险等级采取相应措施,将风险评价结果用于指导高铁信号系统的防雷优化设计,从而彻底规避信号系统不可接受雷害风险,对实现高速铁路全天候正常运行具有重要的工程价值和社会效益。