铁路灾害监测系统模拟雷电浪涌冲击测试分析

2021-11-30 · 阅读285

1概述

      铁路灾害监测系统由铁路局中心系统、现场监测设备2级架构组成，实时采集高速铁路沿线风、雨、雪、地震及公跨铁的道路、桥梁的异物侵限数据，并接受既有灾害监测系统、相邻铁路局中心系统及地震、气象等相关部门的信息。通过数据分析处理，为铁路运营管理提供有效、准确、可靠的灾害监测及预警信息，并在异物侵限及地震预警时，联动触发列控系统、牵引变电系统实施行车紧急处置。
      现场监测设备包括监控单元和现场采集设备(传感器)。监控单元一般设置于铁路沿线的灾害监测信号机房内，与置于室外的各类传感器连接，采集处理数据并为传感器供电。由于直接与室外设备连接，各连接端口遭受到雷电传导侵人的概率远大于其他铁路信号系统设备。为了保障监控单元的可靠运行，减少在雷电电磁环境中的损坏，必须通过模拟雷击试验，来检验设备的雷击过电压耐受能力。
      目前，由于国家及行业标准不完善，监控单元的雷击试验该如何进行，一直没有明确的要求。很多实验室在进行雷击试验时，由于端口类型、端口功能以及试验方法等不明确，不能有效地验证受试端口的耐雷击性能。以TJ/GW 088- -2013 《 高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统总体技术方案》中定义的端口为基础，结合TB/T 3498- -2018《铁路通信信号设备雷击试验方法》，对监控单元的雷击试验进行系统分析。

2监控单元组成及功能

      监控单元主要由电源单元、监控主机、监测模块、接口继电器组合组成。监控单元组成如图1所示。

      监控单元与不同类型的室外设备连接，实现不同的监测功能。室外设备遭受雷电侵扰时，雷电波会沿着金属导线传导，侵人到监测设备端口。明确各端口实现的功能以及与外部设备的接线方式，可以更准确地进行端口雷电冲击试验。监控单元与外部连接端口的功能如图2所示。
      在图2中，电源输人模块与信号电源屏连接输入220V给设备供电，220V/110V电源输出模块为室外数据传输单元供电;气象数据监测模块(风、雨、雪、地震)与室外传感器连接，通过RS485串口进行监测数据传输;异物监测电网信号输出模块通过输出电信号与竖直监测电网连接;异
物接口继电器组合与电网监测信号联动，通过控制直流电源模块的开、断，驱动列控系统继电器，并控制柜旁控制器指示灯的显示状态;继电器采集模块采集上、下行列控继电器的状态;地震接口继电器组合为牵引变电所2路高压进线电源回路提供无源常开接点和无源常闭接点。
      从图2中可见，监控单元与室外连接的端口包括:220V电源输人端口，220V/110V电源输出端口，直流电源输出端口，异物监测电网信号输出接口，风、雨、雪、地震传感器数据通信接口，列控继电器采集接口，牵引变电接点接口。

3试验端口分类

      按照TB/T 3498-2018 端口功能划分要求，试验端口可分为3类。
      第1类:电源端口，包括220V电源输入端口、220V/110V电源输出端口、直流电源输出端口。其中，直流电源输出端口包括给轨旁控制器指示灯的供电端口和驱动列控继电器的供电端口。
      第2类:数据通信接口，包括风、雨、雪、地震传感器数据传输接口( RS485串口)和异物监测电网信号接口。
      第3类:开关量接口，包括开关量输人接口和开关量输出接口。开关量输人接口是列控继电器采集接口，开关量输出接口是牵引变电接点接口。

4各端口试验方法分析

      试验中使用的雷电冲击发生器采用可控自动切换放电回路技术。放电回路输出的高压端( HV )和低压端(LV )分别连接2个金属触点，每个触点与电磁铁组成1组电磁开关，共4组电磁开关，分别为1#，2#，3#，4#。开关采用导电石墨材料与外部输出(HV，LV，PE)相连。试验时，通过可编程逻辑控制器( PLC)控制电磁铁通电，使金属触点与导电石墨吸合，从而使放电回路的高压端和低压端与外部输出连通，输出雷电冲击试验波形。在试验过程中，通过不同的程序组合，可以把高压端(HV)和低压端(LV)自动切换到不同的测试线路，从而提高试验的工作效率，消除试验人员频繁手动切换线路的安全隐患。

4.1电源端口试验方法

电源输入端口模拟雷击试验接线如图3所示，电源输出端口(交流输出和直流输出)模拟雷击试验接线如图4所示。

      试验过程中，采用电容耦合方式，在给受试设备传递标准试验波形的同时，防止辅助电子设备或受试设备的输出与发生器的放电回路相关联，造成损坏或干扰受试设备正常工作。去耦网络通常采用LC反向滤波器电路来实现，作用是提供足够的去耦阻抗，防止施加到受试设备.上的高压脉冲波对辅助供电设备或电子负载造成干扰或损坏。
      在测试电源端口雷击试验前，将冲击发生器高压端与火线(正线)连接，发生器低压端与零线(负线)连接，发生器地线与设备防雷地线PE连接。试验时，设定电磁开关吸合逻辑:当1#和4#开关吸合时，在火线( 正线)与设备防雷地线PE施加高压冲击;当2#和4#开关吸合时，在零线
(负线)与设备防雷地线PE施加高压冲击;当1#和3#开关吸合时，在火线(正线)与零线(负线)间施加高压冲击。
      试验在系统带电工作状态下进行，对于相同类型的多个试验端口，只选取1个端口进行试验。

4.2数据通信接口试验方法

      试验接口包括与传感器连接的数据传输接口和与电网连接的电信号接口。数据通信接口模拟雷击试验接线如图5所示。
      试验过程中，因为通信信号传输频率较高，电容类器件会影响通信，所以采用放电管耦合方式，来消除冲击发生器直接接入传输线路中对数据通信造成的影响。去耦网络采用电感和通信类防护电路结合的方式，通过高压脉冲波在电感上的压降以及防护电路的作用,来保护辅助测试的传感器等不受损坏。
      在测试数据通信接口雷击试验前，将冲击发生器高压端与传输线路1连接，冲击发生器低压端与传输线路2连接，冲击发生器地线与设备防雷地线PE连接。试验时，设定好电磁开关吸合逻辑。当1#和4#开关吸合时，在传输线路1与设备防雷地线PE施加高压冲击;当2#和4#开关吸合时，在传输线路2与设备防雷地线PE施加高压冲击。试验在系统正常的通信状态下进行。
      需要注意的是，对于采用RS485形式的数据传输接口，传输线为对称线。按照TB/T 3498- -2018规定，与对称线连接的通信信号端口开展模拟雷击试验时，不进行线一线间差模试验。根据图2的端口功能，与电网连接的信号接口，在正常电网接通时，构成单根环线。考虑到这种情况，在试验时，仅对此环线与防雷地线间施加高压冲击。

4.3开关量接口试验方法

      采集列控继电器接点状态的开关量输人接口模拟雷击试验接线如图6所示。

      开关量输人接口采集上行、下行列控继电器的状态。监控单元内的采集模块输出2组采集线，每组采集线分别与列控继电器的前后节点相连。监控单元内的直流电源模块正线作为采集回线，连接列控继电器的中节点。在测试开关量输人接口进行雷击试验前，将冲击发生器高压端与采集模块前接点连接，发生器低压端与采集模块后接点连接，发生器地线与设备防雷地线PE连接。试验时，设定电磁开关吸合逻辑:当1#和4#开关吸合时，在前接点与防雷地线施加高压冲击;当2#和4#开关吸合时，在后接点与防雷地线施加高压冲击;当1#和3#开关吸合时，在前后接点间施加高压冲击。
      给牵引变电系统提供接点信号的开关量输出接口模拟雷击试验接线如图7所示。

      开关量输出接口是监控单元向牵引变电模拟系统高压进线电源回路输出3组无源信号的接点。其中，2组为常开接点，驱动高压断路器跳闸;1组为常闭接点，通过综合自动装置报警。进行雷击试验时，应分别针对常开接点和常闭接点2种状态实施。但是，因为该接口实际。上提供的仅是无源的开关接点，没有接入实际的电子设备，雷电传导侵人不会对该接口造成影响，所以是否进行雷击试验有待研究。

5雷击试验要求

      按照TB/T 3498- -2018 中规定，电源端口雷击试验使用1.2/50 μs- 8/20 μs组合波，有效输出阻抗为20;数据通信接口和开关量接口雷击试验使用10/700 μs- -5/320μs组合波，有效输出阻抗为40日。试验在监控单元通电工作状态下进行，在每个端口连接的线路上施加雷电冲击波，正负极性各5次，每次时间间隔3min，并进行基础级和加强级2次试验。
      试验前，应调整冲击发生器输出端开路电压和短路电流的波形和幅值，以满足标准要求。当接上受试设备后，不要求冲击发生器输出端的波形满足标准要求。因为受试设备防护器件的非线性作用，输出的波形会发生变化。试验时，试验端口加装的浪涌保护器应作为监控单元设备不可分的一-部分参与试验。
      在所有受试端口中，只有220V电源输人端口与电源屏馈线连接，其他端口均与室外埋地电缆连接。按照TB/T 3498- -2018 中试验严酷等级的规定，监控单元端口试验等级选择见表1。
      在雷击试验的过程中和试验后，监控单元中各端口的判定条件应按照端口功能的安全等级选择，对于风、雨、雪气象状态监测的非安全类端口，应符合TB/T 3498- 2018中的 C类条件，即受试设备功能短暂丧失或暂时的运行故障，能自动恢复或人
工恢复;对于电源、监测电网及地震信号并驱动列控继电器吸起、控制牵引变电系统跳闸的安全类端口，必须符合TB/T 3498- 2018中的A类条件，即受试设备能持续、正常地工作，工作状态和功能均无任何异常情况。

6结语

      与计算机联锁、列控、信号集中监测等大多数铁路信号系统相比，防灾监控单元的雷电冲击试验更具有实际意义。首先，相较于处于屏蔽信号楼内的其他信号设备间的室内互连端口，监控单元的输出端口都是通过埋地电缆等方式直接与易遭受雷击的室外装置相连，按照TB/T 3498- -2018 中的定义，属于真正意义上的外部端口，需要更高的雷电防护水平;其次，监控单元外部端口的类型及传输功能种类繁多，包括电源输入输出、数据通信传输、开关量输人输出等多种形式，每种端口类型都应根据其功能及接线方式，选择合适的试验方法来
验证。目前，大多数企业设计的监控单元还是以TB/T3074-2003《铁道信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件》作为试验标准。随着现代防雷技术的发展，基于4/300μS雷击试验波形已经不适用于现在的雷电冲击试验。TB/T 3498-2018 提出了新的试验波形及试验方法。监控单元的防雷设计是否能够满足现阶段的标准要求，还需要通过大量的试验去验证。中为智能防雷器浪涌保护器https://www.zvspd.com/

参考文献

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作者：李洋，李博
(中国铁道科学研究院集团有限公司标准计量研究所）