轨道电路设备雷电冲击传递特性试验研究

徐 叶，高 彬，李 博，周雨秋，向念文，张 威

（1．北京铁路信号有限公司，北京 102613；2．合肥工业大学，合肥 230009；3．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

轨道电路是高速铁路列车控制系统的重要组成部分，关系到高铁的行车安全和运输效率[1-2]。国内高速铁路大量采用高架桥方式架设，与路基架设相比，接触网引雷能力显著增强。而轨道电路系统室外设备沿钢轨两侧敷设，雷电过电压易通过多个途径侵入轨道电路系统，相关运行经验表明：雷电过电压引起的轨道电路损坏故障时有发生，对高铁的准点运行有一定影响[3-4]。同时铁路设施遍布全国各地，轨道电路设备时刻承受不同温度、湿度环境的考验[5]，因此迫切需要研究不同温度、湿度条件对轨道电路设备雷电冲击传递特性的影响规律，对提升轨道电路设备环境适应能力和雷电防护水平十分重要。

雷击是造成轨道电路设备损坏的重要原因之一，国内外学者对轨道电路设备雷电过电压特性进行研究。Hideki Arai[6-7]研究建立了轨旁信号电缆雷电过电压监测系统，并获得信号电缆雷电过电压数据。Shunichi Yanagawa[8]开展普通隔离变压器和防雷隔离变压器雷击瞬态传递特性试验，试验发现防雷隔离变压器抑制能力较强，二次侧过电压衰减至一次侧0.1%。国内轨道电路设备要求开展标准工况下的雷电冲击耐受试验，北京全路通信信号研究设计院集团有限公司针对轨道电路雷击瞬态特性开展了大量测试并建立雷电宽频计算模型[9]。高铁穿越国内幅员辽阔的疆域，所处地区环境温度、湿度具有显著差异，会对轨道电路设备内部器件电气特性参数造成影响，引起雷电过电压的传递特性改变，进而影响设备耐受雷电冲击性能。综上所述，针对不同温度/湿度环境条件下轨道电路设备雷电冲击特性试验鲜有研究。

1 试验装置及接线布置

国内高铁采用ZPW-2000 系列轨道电路系统，本文对其典型代表ZPW-2000A 轨道电路进行研究，该系统由室内部分和室外部分组成。系统防雷可分为室内和室外两部分：室外一般防护从钢轨引入雷电信号，横向通过防雷模块进行防护。纵向根据设计，一般通过空心线圈中心线直接接地进行纵向雷电防护。不能直接接地时，应通过空心线圈中心线与地间加装横纵向防雷元件进行防护。室内防护由电缆引入的雷电信号，横向通过防雷模块进行防护。纵向利用低转移系数防雷变压器进行防护。防雷模拟网络是轨道电路室内外分界点，也是切断室外电缆引入雷电过电压的关键设备。调谐匹配单元是钢轨与信号电缆连接的分界点，是雷电过电压侵入信号电缆的关键设备[10-11]。上述两种设备的雷电过电压特性将直接影响轨道电路系统的雷电防护水平，因此本文主要针对防雷模拟电缆网络盘和调谐匹配单元开展不同温度/湿度条件下的雷电冲击传递特性试验。

1.1 试验装置

根据《铁路通信信号设备雷击试验方法》（TB/T 3498-2018）规定通信信号电子设备通信端口雷击试验应采用开路电压波形10/700 μs、短路电流波形5/320 μs 组合波发生器[12-13]。本文采用GCW10型多种波形冲击发生器，该装置输出开路电压波形为10±30%/700±10% μs，冲击电压幅值为0.4 ～6 kV 可调，雷电冲击通过高压电缆引入温度/湿度环境试验箱，采用橡胶塞密封电源接入通孔，保障试验箱体环境的密封性。试验采用AZWTH19L 型温度/湿度试验箱，实现设备工作温度和湿度的调节。参照轨道电路设备实际环境中可能出现的极限工况，温度分别选择-55°C、-5°C、25°C、40°C、95°C，湿度选择20%、50%、85%、98%。

1.2 防雷电缆模拟网络盘试验接线

防雷电缆模拟网络盘主要作用是补偿信号电缆长度，也是抑制室外侧侵入雷电过电压的重要设备。在雷电冲击差模传递特性试验中，冲击发生器高压输出两个端子分别连接防雷电缆模拟网络盘室外侧端子31 和32，端子 35 接地，测量室内侧端子1、2 之间和室外侧端子31、32 之间的过电压波形。在雷电冲击共模传递特性试验中，将室外侧端子31和32 并联，连接到冲击发生器高压输出端，35 端接冲击发生器接地端，端子1 和2 并联，分别测量室内侧和室外侧线地间的过电压波形，如图1（a）所示。

1.3 调谐匹配单元试验接线

调谐匹配单元由调谐部分和匹配部分组成。调谐匹配单元用于无绝缘轨道电路系统中的电气绝缘节处，铜板端子U1、U2与钢轨相连接，E1、E2与信号电缆相连接。在雷电冲击差模传递特性试验中，冲击发生器高压输出两个端子分别与调谐匹配单元端子U1、U2端子相连接，测量端子U1、U2间和端子E1、E2间的过电压波形。在雷电冲击共模传递特性试验中，将端子U1、U2并联，连接到冲击发生器高压输出端，分别测量U1、U2端子并联对地和测量E1、E2端子并联对地间的过电压波形，如图1（b）所示。

图1 接线布置Fig.1 Wiring arrangement

2 不同温度情况下雷电冲击试验

2.1 防雷模拟电缆网络盘传递特性不同温度影响规律

改变防雷模拟电缆网络盘工作环境的温度，使其分别处于-55°C、-5°C、25°C、40°C 和95°C下，环境湿度均保持20%，分别开展雷电冲击试验差模/共模传递特性试验，施加波形为10/700 μs，幅值为2 kV 的雷电冲击电压波，正、负极性各施加5 次，每次试验后检查测试设备功能是否出现异常，两次试验间隔3 ～5 min，其中25℃下防雷模拟电缆网络盘差模和共模雷电冲击响应波形如图2所示。

图2 防雷模拟电缆网络盘温度25 ℃、湿度20%试验波形Fig.2 Waveforms of the analog cable network panel of lightning protection under the condition of 25 ℃ and 20% humidity

在图2（a）雷电冲击差模响应试验中，输入侧施加冲击电压幅值为2 kV，输出侧差模电压幅值为1.24 kV，被抑制为输入侧的62%，输出侧差模电压波形呈现明显的尖脉冲，波尾出现一段稳定于0.76 kV 的过渡段。在图2（b）雷电冲击共模响应试验中，输出侧与输入侧波形基本一致，其幅值峰值为1.09 kV，被抑制为输入侧的54%。

取不同环境温度条件下，各次试验输出波形峰值如图3 所示。在-55℃及-5℃的低温环境下，防雷模拟电缆网络盘的共模及差模响应均保持相对稳定，其峰值在小范围内变化，幅度均不超过3%。当温度由-5℃上升至40℃时，共模响应峰值未出现显著变化规律，差模响应峰值呈增长趋势，增长幅度为1.51 V/℃。在温度由40℃升高至95℃后，共模响应峰值没有显著改变，差模响应峰值大幅升至1.95 kV。

图3 防雷模拟电缆网络盘输出峰值（不同温度）Fig.3 Peak outputs of the analog cable network panel of lightning protection (different temperatures)

2.2 调谐匹配单元传递特性不同温度影响规律

改变调谐匹配单元工作环境温度，使其分别处于-55°C、-5°C、25°C、40°C 和95°C 下，环境湿度均保持20%，分别开展雷电冲击试验差模/共模传递特性试验。施加波形为10/700 μs，幅值为2 kV 的雷电冲击电压波，正、负极性各施加5 次，其中25℃下调谐匹配单元差模和共模雷电冲击响应波形如图4 所示。

图4 调谐匹配单元2 kV输入响应波形Fig.4 Waveforms of responses to 2 kV input of tuning and matching unit

在图4（a）雷电冲击差模响应试验中，输入侧施冲击电压幅值为2 kV，输出侧差模电压波形呈先增后减的低频率振荡波，其电压峰值为0.48 kV；图4（b）雷电冲击共模响应试验中，输出侧共模电压波形为峰值71.2 V 的尖脉冲，波尾部分下降趋势与激励基本一致。

取不同环境温度下，各次试验输出波形峰值如图5 所示。在-55℃～40℃的工作环境下，调谐匹配单元共模及差模响应峰值保持稳定，但在环境温度达到95℃的极端工况后，调谐匹配单元的共模/差模响应峰值均有较大改变。其中共模响应峰值达到102 V，较40℃时响应峰值上升43.2%；差模响应峰值为232 V，较40℃时响应峰值有52.1%的下降。

图5 调谐匹配单元输出峰值（不同温度）Fig.5 Peak outputs of tuning and matching unit(different temperatures)

3 不同湿度情况下雷电冲击试验

3.1 防雷模拟电缆网络盘传递特性不同湿度影响规律

改变防雷模拟电缆网络盘工作环境的湿度，使其分别处于20%、50%、85%和98%湿度下，分别开展雷电冲击试验差模/共模传递特性试验，环境温度保持25℃，施加波形为10/700 μs 幅值为2 kV 的雷电冲击电压波，正、负极性各施加5 次，两次试验间隔3 ～5 min，其中20%湿度下防雷模拟电缆网络盘差模和共模雷电冲击响应波形如图2 所示。

取不同环境湿度条件下，各次试验输出波形峰值如图6 所示。防雷模拟电缆网络盘的共模响应没有随环境湿度的变化产生显著改变，其响应峰值于1.05 kV 处呈幅度不高于5.1%的波动；差模响应峰值在湿度小于50%范围内呈上升趋势，但在湿度为80%时响应峰值被抑制为0.92 kV，且在湿度98%时响应峰值未发生明显改变。

图6 防雷模拟电缆网络盘输出峰值（不同湿度）Fig.6 Peak outputs of the analog cable network panel of lightning protection (different humidity)

3.2 调谐匹配单元传递特性不同湿度影响规律

改变调谐匹配单元工作环境的湿度，使其分别处于20%、50%、85%和98%湿度下，环境温度保持25℃，分别开展雷电冲击试验差模/共模传递特性试验。施加波形为10/700 μs，幅值为2 kV雷电冲击电压波，正、负极性各施加5 次，其中25℃、20%湿度条件下调谐匹配单元差模和共模雷电冲击响应波形如图4 所示。

取不同环境湿度条件下，各次试验输出波形峰值如图7 所示。可见调谐匹配单元的共模响应在不同湿度环境下保持相对稳定，其响应波形峰值在71.2 V 附近呈幅度不超过8.9%的小范围波动。而差模响应在20%～50%湿度的相对干燥环境下，响应峰值呈小幅度下降趋势，在湿度高于80%时，调谐匹配单元的差模响应峰值跌落至320 V，随后在80%～98%湿度的试验中响应峰值保持不变。

图7 调谐匹配单元输出峰值（不同湿度）Fig.7 Peak outputs of tuning and matching unit (different humidity)

4 温度、湿度综合条件下雷电冲击试验

防雷模拟网络温度、湿度综合条件下雷电冲击试验条件等级设置如表1 所示。对端口进行雷击测试，防雷模拟网络试验雷电等级采用1 kV、2 kV、4 kV 等，正、负极性各5 次，记录测试端口与采集端口的数值。

表1 试验条件等级设置Tab.1 Settings of test conditions and levels

如图8（a）所示，横向雷电传递特性一致性规律比较好，随着输入电压的增大，输出电压有所增大。其中温度40°C、湿度98%的条件下，输出电压最大；温度20°C、湿度20%的条件下，输出电压最小。如图8（b）所示，温度40℃、湿度-20%时的4 kV 波形畸变。98%湿度时对应两种工况在2 kV 时均有波形畸变。

图8 防雷模拟网络雷电传递特性Fig.8 Characteristics of lightning transmission in the analog network of lightning protection

5 结论

通过对轨道电路关键核心设备开展不同温度/湿度条件下的雷电冲击传递特性试验，得到两种设备的共模及差模响应随环境变化的变化趋势，结论如下。

1）工作环境温度对设备的共模及差模响应均呈正相关性。低于-5℃低温环境下防雷模拟网络及调谐匹配单元的响应峰值保持稳定，-5℃～40℃时防雷模拟电缆网络盘差模响应峰值随温度升高，调谐匹配单元差模响应峰值未随温度产生显著改变。

2）工作环境的湿度仅对防雷模拟电缆网络盘及调谐匹配单元的差模响应峰值呈负相关性，而设备共模响应峰值未随湿度变化产生显著改变。

3）在极端高温环境下防雷模拟电缆网络盘及调谐匹配单元的响应波形均会出现畸变，响应峰值大幅升高。极端潮湿环境下防雷模拟网络及调谐匹配单元的差模响应峰值均会显著降低，且波形出现畸变。