鐵路災害監測系統模擬雷電浪涌沖擊測試分析

2021-11-30 · 閱讀448

1概述

      鐵路災害監測系統由鐵路局中心系統、現場監測設備2級架構組成，實時采集高速鐵路沿線風、雨、雪、地震及公跨鐵的道路、橋梁的異物侵限數據，并接受既有災害監測系統、相鄰鐵路局中心系統及地震、氣象等相關部門的信息。通過數據分析處理，為鐵路運營管理提供有效、準確、可靠的災害監測及預警信息，并在異物侵限及地震預警時，聯動觸發列控系統、牽引變電系統實施行車緊急處置。
      現場監測設備包括監控單元和現場采集設備(傳感器)。監控單元一般設置于鐵路沿線的災害監測信號機房內，與置于室外的各類傳感器連接，采集處理數據并為傳感器供電。由于直接與室外設備連接，各連接端口遭受到雷電傳導侵人的概率遠大于其他鐵路信號系統設備。為了保障監控單元的可靠運行，減少在雷電電磁環境中的損壞，必須通過模擬雷擊試驗，來檢驗設備的雷擊過電壓耐受能力。
      目前，由于國家及行業標準不完善，監控單元的雷擊試驗該如何進行，一直沒有明確的要求。很多實驗室在進行雷擊試驗時，由于端口類型、端口功能以及試驗方法等不明確，不能有效地驗證受試端口的耐雷擊性能。以TJ/GW 088- -2013 《 高速鐵路自然災害及異物侵限監測系統總體技術方案》中定義的端口為基礎，結合TB/T 3498- -2018《鐵路通信信號設備雷擊試驗方法》，對監控單元的雷擊試驗進行系統分析。

2監控單元組成及功能

      監控單元主要由電源單元、監控主機、監測模塊、接口繼電器組合組成。監控單元組成如圖1所示。

      監控單元與不同類型的室外設備連接，實現不同的監測功能。室外設備遭受雷電侵擾時，雷電波會沿著金屬導線傳導，侵人到監測設備端口。明確各端口實現的功能以及與外部設備的接線方式，可以更準確地進行端口雷電沖擊試驗。監控單元與外部連接端口的功能如圖2所示。
      在圖2中，電源輸人模塊與信號電源屏連接輸入220V給設備供電，220V/110V電源輸出模塊為室外數據傳輸單元供電;氣象數據監測模塊(風、雨、雪、地震)與室外傳感器連接，通過RS485串口進行監測數據傳輸;異物監測電網信號輸出模塊通過輸出電信號與豎直監測電網連接;異
物接口繼電器組合與電網監測信號聯動，通過控制直流電源模塊的開、斷，驅動列控系統繼電器，并控制柜旁控制器指示燈的顯示狀態;繼電器采集模塊采集上、下行列控繼電器的狀態;地震接口繼電器組合為牽引變電所2路高壓進線電源回路提供無源常開接點和無源常閉接點。
      從圖2中可見，監控單元與室外連接的端口包括:220V電源輸人端口，220V/110V電源輸出端口，直流電源輸出端口，異物監測電網信號輸出接口，風、雨、雪、地震傳感器數據通信接口，列控繼電器采集接口，牽引變電接點接口。

3試驗端口分類

      按照TB/T 3498-2018 端口功能劃分要求，試驗端口可分為3類。
      第1類:電源端口，包括220V電源輸入端口、220V/110V電源輸出端口、直流電源輸出端口。其中，直流電源輸出端口包括給軌旁控制器指示燈的供電端口和驅動列控繼電器的供電端口。
      第2類:數據通信接口，包括風、雨、雪、地震傳感器數據傳輸接口( RS485串口)和異物監測電網信號接口。
      第3類:開關量接口，包括開關量輸人接口和開關量輸出接口。開關量輸人接口是列控繼電器采集接口，開關量輸出接口是牽引變電接點接口。

4各端口試驗方法分析

      試驗中使用的雷電沖擊發生器采用可控自動切換放電回路技術。放電回路輸出的高壓端( HV )和低壓端(LV )分別連接2個金屬觸點，每個觸點與電磁鐵組成1組電磁開關，共4組電磁開關，分別為1#，2#，3#，4#。開關采用導電石墨材料與外部輸出(HV，LV，PE)相連。試驗時，通過可編程邏輯控制器( PLC)控制電磁鐵通電，使金屬觸點與導電石墨吸合，從而使放電回路的高壓端和低壓端與外部輸出連通，輸出雷電沖擊試驗波形。在試驗過程中，通過不同的程序組合，可以把高壓端(HV)和低壓端(LV)自動切換到不同的測試線路，從而提高試驗的工作效率，消除試驗人員頻繁手動切換線路的安全隱患。

4.1電源端口試驗方法

電源輸入端口模擬雷擊試驗接線如圖3所示，電源輸出端口(交流輸出和直流輸出)模擬雷擊試驗接線如圖4所示。

      試驗過程中，采用電容耦合方式，在給受試設備傳遞標準試驗波形的同時，防止輔助電子設備或受試設備的輸出與發生器的放電回路相關聯，造成損壞或干擾受試設備正常工作。去耦網絡通常采用LC反向濾波器電路來實現，作用是提供足夠的去耦阻抗，防止施加到受試設備.上的高壓脈沖波對輔助供電設備或電子負載造成干擾或損壞。
      在測試電源端口雷擊試驗前，將沖擊發生器高壓端與火線(正線)連接，發生器低壓端與零線(負線)連接，發生器地線與設備防雷地線PE連接。試驗時，設定電磁開關吸合邏輯:當1#和4#開關吸合時，在火線( 正線)與設備防雷地線PE施加高壓沖擊;當2#和4#開關吸合時，在零線
(負線)與設備防雷地線PE施加高壓沖擊;當1#和3#開關吸合時，在火線(正線)與零線(負線)間施加高壓沖擊。
      試驗在系統帶電工作狀態下進行，對于相同類型的多個試驗端口，只選取1個端口進行試驗。

4.2數據通信接口試驗方法

      試驗接口包括與傳感器連接的數據傳輸接口和與電網連接的電信號接口。數據通信接口模擬雷擊試驗接線如圖5所示。
      試驗過程中，因為通信信號傳輸頻率較高，電容類器件會影響通信，所以采用放電管耦合方式，來消除沖擊發生器直接接入傳輸線路中對數據通信造成的影響。去耦網絡采用電感和通信類防護電路結合的方式，通過高壓脈沖波在電感上的壓降以及防護電路的作用,來保護輔助測試的傳感器等不受損壞。
      在測試數據通信接口雷擊試驗前，將沖擊發生器高壓端與傳輸線路1連接，沖擊發生器低壓端與傳輸線路2連接，沖擊發生器地線與設備防雷地線PE連接。試驗時，設定好電磁開關吸合邏輯。當1#和4#開關吸合時，在傳輸線路1與設備防雷地線PE施加高壓沖擊;當2#和4#開關吸合時，在傳輸線路2與設備防雷地線PE施加高壓沖擊。試驗在系統正常的通信狀態下進行。
      需要注意的是，對于采用RS485形式的數據傳輸接口，傳輸線為對稱線。按照TB/T 3498- -2018規定，與對稱線連接的通信信號端口開展模擬雷擊試驗時，不進行線一線間差模試驗。根據圖2的端口功能，與電網連接的信號接口，在正常電網接通時，構成單根環線。考慮到這種情況，在試驗時，僅對此環線與防雷地線間施加高壓沖擊。

4.3開關量接口試驗方法

      采集列控繼電器接點狀態的開關量輸人接口模擬雷擊試驗接線如圖6所示。

      開關量輸人接口采集上行、下行列控繼電器的狀態。監控單元內的采集模塊輸出2組采集線，每組采集線分別與列控繼電器的前后節點相連。監控單元內的直流電源模塊正線作為采集回線，連接列控繼電器的中節點。在測試開關量輸人接口進行雷擊試驗前，將沖擊發生器高壓端與采集模塊前接點連接，發生器低壓端與采集模塊后接點連接，發生器地線與設備防雷地線PE連接。試驗時，設定電磁開關吸合邏輯:當1#和4#開關吸合時，在前接點與防雷地線施加高壓沖擊;當2#和4#開關吸合時，在后接點與防雷地線施加高壓沖擊;當1#和3#開關吸合時，在前后接點間施加高壓沖擊。
      給牽引變電系統提供接點信號的開關量輸出接口模擬雷擊試驗接線如圖7所示。

      開關量輸出接口是監控單元向牽引變電模擬系統高壓進線電源回路輸出3組無源信號的接點。其中，2組為常開接點，驅動高壓斷路器跳閘;1組為常閉接點，通過綜合自動裝置報警。進行雷擊試驗時，應分別針對常開接點和常閉接點2種狀態實施。但是，因為該接口實際。上提供的僅是無源的開關接點，沒有接入實際的電子設備，雷電傳導侵人不會對該接口造成影響，所以是否進行雷擊試驗有待研究。

5雷擊試驗要求

      按照TB/T 3498- -2018 中規定，電源端口雷擊試驗使用1.2/50 μs- 8/20 μs組合波，有效輸出阻抗為20;數據通信接口和開關量接口雷擊試驗使用10/700 μs- -5/320μs組合波，有效輸出阻抗為40日。試驗在監控單元通電工作狀態下進行，在每個端口連接的線路上施加雷電沖擊波，正負極性各5次，每次時間間隔3min，并進行基礎級和加強級2次試驗。
      試驗前，應調整沖擊發生器輸出端開路電壓和短路電流的波形和幅值，以滿足標準要求。當接上受試設備后，不要求沖擊發生器輸出端的波形滿足標準要求。因為受試設備防護器件的非線性作用，輸出的波形會發生變化。試驗時，試驗端口加裝的浪涌保護器應作為監控單元設備不可分的一-部分參與試驗。
      在所有受試端口中，只有220V電源輸人端口與電源屏饋線連接，其他端口均與室外埋地電纜連接。按照TB/T 3498- -2018 中試驗嚴酷等級的規定，監控單元端口試驗等級選擇見表1。
      在雷擊試驗的過程中和試驗后，監控單元中各端口的判定條件應按照端口功能的安全等級選擇，對于風、雨、雪氣象狀態監測的非安全類端口，應符合TB/T 3498- 2018中的 C類條件，即受試設備功能短暫喪失或暫時的運行故障，能自動恢復或人
工恢復;對于電源、監測電網及地震信號并驅動列控繼電器吸起、控制牽引變電系統跳閘的安全類端口，必須符合TB/T 3498- 2018中的A類條件，即受試設備能持續、正常地工作，工作狀態和功能均無任何異常情況。

6結語

      與計算機聯鎖、列控、信號集中監測等大多數鐵路信號系統相比，防災監控單元的雷電沖擊試驗更具有實際意義。首先，相較于處于屏蔽信號樓內的其他信號設備間的室內互連端口，監控單元的輸出端口都是通過埋地電纜等方式直接與易遭受雷擊的室外裝置相連，按照TB/T 3498- -2018 中的定義，屬于真正意義上的外部端口，需要更高的雷電防護水平;其次，監控單元外部端口的類型及傳輸功能種類繁多，包括電源輸入輸出、數據通信傳輸、開關量輸人輸出等多種形式，每種端口類型都應根據其功能及接線方式，選擇合適的試驗方法來
驗證。目前，大多數企業設計的監控單元還是以TB/T3074-2003《鐵道信號設備雷電電磁脈沖防護技術條件》作為試驗標準。隨著現代防雷技術的發展，基于4/300μS雷擊試驗波形已經不適用于現在的雷電沖擊試驗。TB/T 3498-2018 提出了新的試驗波形及試驗方法。監控單元的防雷設計是否能夠滿足現階段的標準要求，還需要通過大量的試驗去驗證。中為智能防雷器浪涌保護器http://www.kaiyuanfeather.com.cn/

參考文獻

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作者：李洋，李博
(中國鐵道科學研究院集團有限公司標準計量研究所）