高速铁路信号系统雷击瞬态传输特性研究

王州龙

(中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所,北京 100081)

信号系统可靠运行是保障高速铁路运营安全的重要基础。高速铁路信号设备多采用大规模集成电路和低耐压器件，承受雷击电磁瞬态干扰能力弱，雷击电磁脉冲成为威胁信号设备的重要风险源。

随着我国高铁飞速发展，雷击电磁脉冲对信号设备的影响也越来越多[1]。覃燕、李永毅等[2-3]分析了典型轨道电路系统雷击侵入途径，通过调研2013～2020年哈尔滨局、沈阳局、南昌局、广州局、南宁局等多起雷击事故发现，很多进入轨道电路系统的雷击电磁脉冲由信号电缆传导而来，雷害源感应到敷设于高架桥的信号电缆后传导到模拟网络盘，进而使得发送器、接收器、衰耗器、CAN通信单元等损坏。轨道电路雷害故障，通常导致多个设备损坏，短时间很难恢复，对运输的影响非常大。

为有效降低现场信号系统雷害发生率，应准确分析雷击电磁脉冲对信号系统危害程度，在此基础上实现可靠的防护，因此，应深入研究雷击电磁脉冲在信号系统的瞬态传输特性，建立信号系统设备的等效电路模型，并对模型的有效性试验验证。

等效电路建模方法分为物理等效电路模型方法[4]，基于场路结合的建模方法[5-8]和黑盒建模方法[9-13]。由于雷电电磁脉冲为宽频分布，因此，分析信号设备的雷击瞬态过程，可采用基于黑箱技术的宽频宏模型建模方法[14-15]。基于黑箱技术的宽频建模方法在变压器、互感器等电气设备的宽频建模中被广泛采用[16]，建模相对简单，可提高计算规模，有效缩短计算时间。

针对雷击电磁脉冲为宽频分布的特点，提出基于黑箱技术的铁路信号设备雷击瞬态过程建模方法，分析了建模过程。参照文献[17-18]的系统雷击试验方法对设备进行动态冲击试验，对试验结果和模型计算结果进行比对，验证模型的有效性。对于多设备级联的信号系统，建立设备级联试验系统，对级联系统模型的有效性进行验证。

1 典型信号系统结构及雷电侵入途径

轨道电路是信号系统的重要组成部分，属于低压弱电系统，正常工作电压小于百伏级，绝缘水平较低难以承受较强雷击电磁脉冲的侵扰。该系统室外部分沿高铁沿线装设于户外，当雷击接触网或附近构筑物时，雷击瞬态电压升或空间电磁辐射可能导致轨道电路设备绝缘损坏，影响列车安全稳定运行。

ZPW-2000A轨道电路包含室外设备和室内设备两部分[19]，室内部分包括安装在综合柜上的模拟网络盘，以及安装在移频柜上的发送器、接收器等。室外部分包括调协单元、空芯线圈、隔离变压器等，如图1所示。

图1 轨道电路系统结构

室外遭受强雷击侵扰时，钢轨或电缆感应过高的雷击瞬态电压升，通过信号电缆传导到模拟网络盘，击穿防雷模拟网络盘，引起雷电信号对隔离变压器室内侧线条放电，传导至移频柜损坏发送器、接收器等， 如图2所示。

图2 典型轨道电路系统雷击侵入途径

2 信号系统雷击瞬态建模方法

采用宽频宏模型建模方法进行信号设备的雷击瞬态过程建模，通过求得导纳参数，进行数值逼近，获取设备的传递函数，构建信号设备瞬态等效电路模型。建模方法如下。

第一步，根据获得的端口散射参数转换求得导纳参数。

基于信号电压比值，得到端口间入射波和反射波关系的矢量参数，双端口散射参数包含4个参数，根据获得的端口散射参数求得能描述端口电压和电流关系的导纳参数。

首先，采用计算或扫频测试方法提取信号系统设备端子散射参数频率曲线，测试工具选择网络分析仪，测试二端口散射参数，特性阻抗选择50 Ω。

二端口散射参数是基于信号电压比值的参数，如图3所示，对应关系为

图3 散射参数表示的二端口网络示意

(1)

式中，S11为输入端反射系数；S12为反向传输系数；S21为正向传输系数；S22为输出端反射系数；a1、a2、b1、b2为入射波和反射波参量。

然后，将设备端子散射参数转化为导纳参数频率曲线。将多端子信号设备看作多端口网络，其中，有一个公共接地端子，建立设备端子对地、端子对端子间的瞬态耦合模型。

导纳参数是描述端口间电压和电流关系的参量，如图4所示，其关系式为

图4 导纳参数表示的二端口网络示意

(2)

第二步，对设备端子短路导纳频率特性曲线进行数值逼近，获取设备的传递函数。

信号设备主要器件为无源器件，属于线性时不变系统，传递函数为有理函数，从更一般数学概念出发，要获取信号系统设备传递函数，就是要进行有理函数逼近。采用矢量匹配法将目标有理函数表示成极点-留数结构，见式(3)。

(3)

其中，N为阶数；{c1，c2，…，cN}为留数，{p1，p2，…，pN}为极点，留数和极点或为实数，或为共轭复数对；d为常数项；es为一次项系数。

采用矢量匹配法将非线性问题转化为线性问题后，再通过迭代进行求解：首先迭代确定极点{p1，p2，…，pN}；然后确定留数{c1，c2，…，cN，d，es}。通过上述计算，得到传递函数。

第三步，依据传递函数构建信号设备瞬态等效电路模型。

逼近获得传递函数后，接下来根据该函数构建设备的暂态等值电路。设备传递函数是由常数项d，一次项es与N个部分分式累加构成，将N个部分分式划分为共轭复数极点部分分式与实数极点部分分式两组，函数可写为

(4)

式中，tk(s)为实数极点pk及其对应的实数留数ck组成部分分式

(5)

(6)

在对设备传递函数的逼近求解过程中，如输入的频响数据为传递受到电流激励时的电压响应，根据物理概念，获得的函数将表征传递阻抗，这种输入条件下得到的函数被称为传递阻抗函数；如输入的频响数据为传递受到电压激励时的电流响应，获得的函数则表征传递导纳，函数被称为短路导纳函数。

当f(s)为短路导纳函数时，可采用图5所示电路来实现设备的暂态等值电路。

图5 导纳支路等值电路

(1)电阻支路R0，R0的阻值等于f(s)的常数项d的倒数

R0=1/d

(7)

(2)电容支路C0，C0的值等于f(s)的一次项系数e

C0=e

(8)

(3)Lr，Rr串联支路与f(s)实数极点分式对应，共N个，并联电路单元的阻抗为

(9)

其中

(10)

(4)Rh，Lh，Ch，Gh电路单元与f(s)共轭复数极点分式对应，共(N-M)/2个，Rh，Lh，Ch，Gh电路单元阻抗为

(11)

其中

(12)

对于四端子或复杂的多端子器件设备，可以建立π型等效电路或多个π型等效电路组成的等值电路，获得各支路电路参数。

3 信号系统雷击瞬态模型及验证

3.1 建模举例

对ZPW.PT1700进行建模，调谐匹配单元电路，主要包括两个部分：调谐部分和匹配部分，如图6所示。调谐匹配单元的匹配部分为：变比为1∶9的匹配变压器和匹配电缆电容效应的电感，连接SPT铁路信号电缆E1E2为高压侧，实现钢轨间差模信号的增益及钢轨、信号电缆阻抗的匹配连接。

图6 调谐匹配单元电路示意

ZPW.PT1700匹配单元差模模型及试验验证过程如下。

首先根据第2节的宽频建模方法，采用网络分析仪获取端口U1U2和端子E1E2的差模散射参数频率特性，S21散射参数频率特性如图7所示。

图7 ZPW.PT1700匹配单元差模S21参数特性

通过矢量匹配和网络综合建立ZPW.PT1700匹配单元等值电路形式，其四端口网络散射参数矩阵，经6次二端口散射参数测试获得4×4×1601四端口散射参数矩阵，然后将散射参数矩阵转化为导纳参数矩阵，拟合出具有多个共振峰的导纳参数幅频特性曲线，阶数20，误差不超过10-6。

对ZPW.PT1700匹配单元差模传递特性试验验证，在两个端子U1U2之间施加1.2/50 μs雷电冲击电压，测量连接电缆侧端子E1E2之间的浪涌电压波形。由于匹配单元的负载效应，施加在端子U1U2间的电压波形畸变严重，但不影响模型有效性的验证，端子U1U2间的电压波形峰值为32 V，端子E1E2间的响应电压波形峰值为250 V，差模信号被放大约7.8倍。将示波器采集的施加电压波形导出作为仿真计算激励源，采用建立的ZPW.PT1700匹配单元差模模型，计算获得端子E1E2的差模响应波形，如图8所示，黑色曲线为施加电压波形，红色曲线为试验测得响应波形，蓝色曲线为模型计算得到响应波形，试验验证与模型计算偏差小于5%。

图8 ZPW.PT1700匹配单元差模响应波形

3.2 信号系统级联雷击传输特性验证

(1)设备级联共模传递特性冲击试验及模型验证

建立由ZPW.PT1700调谐匹配单元、信号电缆、2 km电缆模拟单元、隔离变压器组成的设备级联系统，开展级联系统共模冲击传递特性试验，其中，信号电缆长108.5 m，如图9所示。

图9 设备级联共模冲击试验

雷电模拟冲击源采用KV1103B-G-20型发生器，冲击电压幅值测量采用泰克Tektronix P5100A探头，记录示波器采用带宽500 MHz的泰克DPO3032示波器。

ZPW.PT1700调谐匹配单元首端铜板端子U1连接雷电脉冲发生器的高压端，末端端子E1与8芯SPT电缆红色四线组中的红色相连接，芯线末端与2 km电缆模拟单元相连，隔离变压器的初级线圈与电缆模拟单元的输出端子相连，测量ZPW.PT1700调谐匹配单元首端铜板端子U1对地电压和隔离变压器室内侧端子对地电压U2。调谐匹配单元铜端子U1上施加电压波形峰值为1 134 V，隔离变压器次级线圈对地电压波形峰值为28 V。建立与设备级联试验系统连接方式一致的级联计算模型，采用试验获得的施加冲击电压波形作为理想电压源激励仿真模型，仿真计算获得的隔离变压器次级线圈冲击电压响应特性与试验结果吻合，误差约为7%，如图10 所示，试验测得响应波形峰值为28 V，模型计算响应波形峰值为26 V。

图10 设备级联共模仿真计算与试验对比

(2)设备级联差模传递特性冲击试验及模型验证

建立由ZPW.PT1700调谐匹配单元、信号电缆、2 km电缆模拟单元、隔离变压器组成的设备级联系统，开展设备级联系统差模传递特性试验，其中，信号电缆长108.5 m。

雷电脉冲发生器用可产生1.2/50 μs～8/20 μs组合波的KV1103B-G-20型发生器，冲击电压幅值测量采用泰克Tektronix P5100A探头，记录示波器采用带宽500 MHz的泰克DPO3032示波器。

设备级联完成后，将1.2/50 μs～8/20 μs雷电冲击电压波施加到调谐匹配单元首端两个铜端子U1U2之间，末端E1E2端子与8芯SPT电缆红色四线组中的红色和绿色连根芯线相连接，电缆两个芯线末端与2 km电缆模拟单元相连，隔离变压器的初级线圈与电缆模拟单元的输出端子相连。调谐匹配单元两个铜端子施加电压波形峰值为560 V，隔离变压器次级线圈对地电压波形峰值为740 V，级联系统放大了差模干扰信号。建立与设备级联实现系统连接方式一致的级联系统计算模型，采用试验获得的施加冲击电压波形作为理想电压源激励仿真模型，仿真计算获得的隔离变压器次级线圈冲击电压响应特性与试验结果吻合，误差约为8%，如图11所示，试验测得响应波形峰值为740 V，模型计算响应波形峰值为680 V。

图11 设备级联差模仿真计算与试验对比

4 结论

(1)针对雷击电磁脉冲为宽频分布的特点，研究了基于黑箱技术的铁路信号设备雷击瞬态过程建模方法，采用宽频宏模型建模方法，将端口散射参数转换为导纳参数，然后对设备端子短路导纳频率特性曲线进行数值逼近，获取设备传递函数，依据传递函数构建设备瞬态等效电路模型。以调谐匹配单元为例进行建模分析，并采用雷电冲击差模传递特性试验进行了试验验证，验证建模方法有效。

(2)通过建立多设备级联的模拟雷击试验系统，并对多设备级联系统开展雷电冲击共模、差模传递特性试验，得到级联系统对雷击共模传递特性及差模传递特性：级联系统对共模雷电冲击信号的衰减主要依靠隔离变压器，对差模雷电冲击信号无明显衰减作用。对级联系统模型的有效性进行了验证，通过对比多设备级联雷电冲击共模、差模传递特性试验结果与模型计算结果，误差不超过8%，基本满足工程应用需求。

(3)掌握雷击电磁脉冲在信号系统的瞬态传输特性，在此基础上实现可靠的防护，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。