鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)模擬雷電浪涌沖擊測試分析

2021-11-30 · 閱讀465

1概述

      鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)由鐵路局中心系統(tǒng)、現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備2級架構(gòu)組成，實(shí)時(shí)采集高速鐵路沿線風(fēng)、雨、雪、地震及公跨鐵的道路、橋梁的異物侵限數(shù)據(jù)，并接受既有災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)、相鄰鐵路局中心系統(tǒng)及地震、氣象等相關(guān)部門的信息。通過數(shù)據(jù)分析處理，為鐵路運(yùn)營管理提供有效、準(zhǔn)確、可靠的災(zāi)害監(jiān)測及預(yù)警信息，并在異物侵限及地震預(yù)警時(shí)，聯(lián)動觸發(fā)列控系統(tǒng)、牽引變電系統(tǒng)實(shí)施行車緊急處置。
      現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備包括監(jiān)控單元和現(xiàn)場采集設(shè)備(傳感器)。監(jiān)控單元一般設(shè)置于鐵路沿線的災(zāi)害監(jiān)測信號機(jī)房內(nèi)，與置于室外的各類傳感器連接，采集處理數(shù)據(jù)并為傳感器供電。由于直接與室外設(shè)備連接，各連接端口遭受到雷電傳導(dǎo)侵人的概率遠(yuǎn)大于其他鐵路信號系統(tǒng)設(shè)備。為了保障監(jiān)控單元的可靠運(yùn)行，減少在雷電電磁環(huán)境中的損壞，必須通過模擬雷擊試驗(yàn)，來檢驗(yàn)設(shè)備的雷擊過電壓耐受能力。
      目前，由于國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不完善，監(jiān)控單元的雷擊試驗(yàn)該如何進(jìn)行，一直沒有明確的要求。很多實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行雷擊試驗(yàn)時(shí)，由于端口類型、端口功能以及試驗(yàn)方法等不明確，不能有效地驗(yàn)證受試端口的耐雷擊性能。以TJ/GW 088- -2013 《 高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)總體技術(shù)方案》中定義的端口為基礎(chǔ)，結(jié)合TB/T 3498- -2018《鐵路通信信號設(shè)備雷擊試驗(yàn)方法》，對監(jiān)控單元的雷擊試驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)分析。

2監(jiān)控單元組成及功能

      監(jiān)控單元主要由電源單元、監(jiān)控主機(jī)、監(jiān)測模塊、接口繼電器組合組成。監(jiān)控單元組成如圖1所示。

      監(jiān)控單元與不同類型的室外設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)不同的監(jiān)測功能。室外設(shè)備遭受雷電侵?jǐn)_時(shí)，雷電波會沿著金屬導(dǎo)線傳導(dǎo)，侵人到監(jiān)測設(shè)備端口。明確各端口實(shí)現(xiàn)的功能以及與外部設(shè)備的接線方式，可以更準(zhǔn)確地進(jìn)行端口雷電沖擊試驗(yàn)。監(jiān)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(shè)備供電，220V/110V電源輸出模塊為室外數(shù)據(jù)傳輸單元供電;氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊(風(fēng)、雨、雪、地震)與室外傳感器連接，通過RS485串口進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸;異物監(jiān)測電網(wǎng)信號輸出模塊通過輸出電信號與豎直監(jiān)測電網(wǎng)連接;異
物接口繼電器組合與電網(wǎng)監(jiān)測信號聯(lián)動，通過控制直流電源模塊的開、斷，驅(qū)動列控系統(tǒng)繼電器，并控制柜旁控制器指示燈的顯示狀態(tài);繼電器采集模塊采集上、下行列控繼電器的狀態(tài);地震接口繼電器組合為牽引變電所2路高壓進(jìn)線電源回路提供無源常開接點(diǎn)和無源常閉接點(diǎn)。
      從圖2中可見，監(jiān)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(jiān)測電網(wǎng)信號輸出接口，風(fēng)、雨、雪、地震傳感器數(shù)據(jù)通信接口，列控繼電器采集接口，牽引變電接點(diǎn)接口。

3試驗(yàn)端口分類

      按照TB/T 3498-2018 端口功能劃分要求，試驗(yàn)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(qū)動列控繼電器的供電端口。
      第2類:數(shù)據(jù)通信接口，包括風(fēng)、雨、雪、地震傳感器數(shù)據(jù)傳輸接口( RS485串口)和異物監(jiān)測電網(wǎng)信號接口。
      第3類:開關(guān)量接口，包括開關(guān)量輸人接口和開關(guān)量輸出接口。開關(guān)量輸人接口是列控繼電器采集接口，開關(guān)量輸出接口是牽引變電接點(diǎn)接口。

4各端口試驗(yàn)方法分析

      試驗(yàn)中使用的雷電沖擊發(fā)生器采用可控自動切換放電回路技術(shù)。放電回路輸出的高壓端( HV )和低壓端(LV )分別連接2個(gè)金屬觸點(diǎn)，每個(gè)觸點(diǎn)與電磁鐵組成1組電磁開關(guān)，共4組電磁開關(guān)，分別為1#，2#，3#，4#。開關(guān)采用導(dǎo)電石墨材料與外部輸出(HV，LV，PE)相連。試驗(yàn)時(shí)，通過可編程邏輯控制器( PLC)控制電磁鐵通電，使金屬觸點(diǎn)與導(dǎo)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(yàn)波形。在試驗(yàn)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(yàn)的工作效率，消除試驗(yàn)人員頻繁手動切換線路的安全隱患。

4.1電源端口試驗(yàn)方法

電源輸入端口模擬雷擊試驗(yàn)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(yàn)接線如圖4所示。

      試驗(yàn)過程中，采用電容耦合方式，在給受試設(shè)備傳遞標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)波形的同時(shí)，防止輔助電子設(shè)備或受試設(shè)備的輸出與發(fā)生器的放電回路相關(guān)聯(lián)，造成損壞或干擾受試設(shè)備正常工作。去耦網(wǎng)絡(luò)通常采用LC反向?yàn)V波器電路來實(shí)現(xiàn)，作用是提供足夠的去耦阻抗，防止施加到受試設(shè)備.上的高壓脈沖波對輔助供電設(shè)備或電子負(fù)載造成干擾或損壞。
      在測試電源端口雷擊試驗(yàn)前，將沖擊發(fā)生器高壓端與火線(正線)連接，發(fā)生器低壓端與零線(負(fù)線)連接，發(fā)生器地線與設(shè)備防雷地線PE連接。試驗(yàn)時(shí)，設(shè)定電磁開關(guān)吸合邏輯:當(dāng)1#和4#開關(guān)吸合時(shí)，在火線( 正線)與設(shè)備防雷地線PE施加高壓沖擊;當(dāng)2#和4#開關(guān)吸合時(shí)，在零線
(負(fù)線)與設(shè)備防雷地線PE施加高壓沖擊;當(dāng)1#和3#開關(guān)吸合時(shí)，在火線(正線)與零線(負(fù)線)間施加高壓沖擊。
      試驗(yàn)在系統(tǒng)帶電工作狀態(tài)下進(jìn)行，對于相同類型的多個(gè)試驗(yàn)端口，只選取1個(gè)端口進(jìn)行試驗(yàn)。

4.2數(shù)據(jù)通信接口試驗(yàn)方法

      試驗(yàn)接口包括與傳感器連接的數(shù)據(jù)傳輸接口和與電網(wǎng)連接的電信號接口。數(shù)據(jù)通信接口模擬雷擊試驗(yàn)接線如圖5所示。
      試驗(yàn)過程中，因?yàn)橥ㄐ判盘杺鬏旑l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(fā)生器直接接入傳輸線路中對數(shù)據(jù)通信造成的影響。去耦網(wǎng)絡(luò)采用電感和通信類防護(hù)電路結(jié)合的方式，通過高壓脈沖波在電感上的壓降以及防護(hù)電路的作用,來保護(hù)輔助測試的傳感器等不受損壞。
      在測試數(shù)據(jù)通信接口雷擊試驗(yàn)前，將沖擊發(fā)生器高壓端與傳輸線路1連接，沖擊發(fā)生器低壓端與傳輸線路2連接，沖擊發(fā)生器地線與設(shè)備防雷地線PE連接。試驗(yàn)時(shí)，設(shè)定好電磁開關(guān)吸合邏輯。當(dāng)1#和4#開關(guān)吸合時(shí)，在傳輸線路1與設(shè)備防雷地線PE施加高壓沖擊;當(dāng)2#和4#開關(guān)吸合時(shí)，在傳輸線路2與設(shè)備防雷地線PE施加高壓沖擊。試驗(yàn)在系統(tǒng)正常的通信狀態(tài)下進(jìn)行。
      需要注意的是，對于采用RS485形式的數(shù)據(jù)傳輸接口，傳輸線為對稱線。按照TB/T 3498- -2018規(guī)定，與對稱線連接的通信信號端口開展模擬雷擊試驗(yàn)時(shí)，不進(jìn)行線一線間差模試驗(yàn)。根據(jù)圖2的端口功能，與電網(wǎng)連接的信號接口，在正常電網(wǎng)接通時(shí)，構(gòu)成單根環(huán)線?？紤]到這種情況，在試驗(yàn)時(shí)，僅對此環(huán)線與防雷地線間施加高壓沖擊。

4.3開關(guān)量接口試驗(yàn)方法

      采集列控繼電器接點(diǎn)狀態(tài)的開關(guān)量輸人接口模擬雷擊試驗(yàn)接線如圖6所示。

      開關(guān)量輸人接口采集上行、下行列控繼電器的狀態(tài)。監(jiān)控單元內(nèi)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(jié)點(diǎn)相連。監(jiān)控單元內(nèi)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(jié)點(diǎn)。在測試開關(guān)量輸人接口進(jìn)行雷擊試驗(yàn)前，將沖擊發(fā)生器高壓端與采集模塊前接點(diǎn)連接，發(fā)生器低壓端與采集模塊后接點(diǎn)連接，發(fā)生器地線與設(shè)備防雷地線PE連接。試驗(yàn)時(shí)，設(shè)定電磁開關(guān)吸合邏輯:當(dāng)1#和4#開關(guān)吸合時(shí)，在前接點(diǎn)與防雷地線施加高壓沖擊;當(dāng)2#和4#開關(guān)吸合時(shí)，在后接點(diǎn)與防雷地線施加高壓沖擊;當(dāng)1#和3#開關(guān)吸合時(shí)，在前后接點(diǎn)間施加高壓沖擊。
      給牽引變電系統(tǒng)提供接點(diǎn)信號的開關(guān)量輸出接口模擬雷擊試驗(yàn)接線如圖7所示。

      開關(guān)量輸出接口是監(jiān)控單元向牽引變電模擬系統(tǒng)高壓進(jìn)線電源回路輸出3組無源信號的接點(diǎn)。其中，2組為常開接點(diǎn)，驅(qū)動高壓斷路器跳閘;1組為常閉接點(diǎn)，通過綜合自動裝置報(bào)警。進(jìn)行雷擊試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)分別針對常開接點(diǎn)和常閉接點(diǎn)2種狀態(tài)實(shí)施。但是，因?yàn)樵摻涌趯?shí)際。上提供的僅是無源的開關(guān)接點(diǎn)，沒有接入實(shí)際的電子設(shè)備，雷電傳導(dǎo)侵人不會對該接口造成影響，所以是否進(jìn)行雷擊試驗(yàn)有待研究。

5雷擊試驗(yàn)要求

      按照TB/T 3498- -2018 中規(guī)定，電源端口雷擊試驗(yàn)使用1.2/50 μs- 8/20 μs組合波，有效輸出阻抗為20;數(shù)據(jù)通信接口和開關(guān)量接口雷擊試驗(yàn)使用10/700 μs- -5/320μs組合波，有效輸出阻抗為40日。試驗(yàn)在監(jiān)控單元通電工作狀態(tài)下進(jìn)行，在每個(gè)端口連接的線路上施加雷電沖擊波，正負(fù)極性各5次，每次時(shí)間間隔3min，并進(jìn)行基礎(chǔ)級和加強(qiáng)級2次試驗(yàn)。
      試驗(yàn)前，應(yīng)調(diào)整沖擊發(fā)生器輸出端開路電壓和短路電流的波形和幅值，以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)接上受試設(shè)備后，不要求沖擊發(fā)生器輸出端的波形滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。因?yàn)槭茉囋O(shè)備防護(hù)器件的非線性作用，輸出的波形會發(fā)生變化。試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)端口加裝的浪涌保護(hù)器應(yīng)作為監(jiān)控單元設(shè)備不可分的一-部分參與試驗(yàn)。
      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(yàn)嚴(yán)酷等級的規(guī)定，監(jiān)控單元端口試驗(yàn)等級選擇見表1。
      在雷擊試驗(yàn)的過程中和試驗(yàn)后，監(jiān)控單元中各端口的判定條件應(yīng)按照端口功能的安全等級選擇，對于風(fēng)、雨、雪氣象狀態(tài)監(jiān)測的非安全類端口，應(yīng)符合TB/T 3498- 2018中的 C類條件，即受試設(shè)備功能短暫喪失或暫時(shí)的運(yùn)行故障，能自動恢復(fù)或人
工恢復(fù);對于電源、監(jiān)測電網(wǎng)及地震信號并驅(qū)動列控繼電器吸起、控制牽引變電系統(tǒng)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(shè)備能持續(xù)、正常地工作，工作狀態(tài)和功能均無任何異常情況。

6結(jié)語

      與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、列控、信號集中監(jiān)測等大多數(shù)鐵路信號系統(tǒng)相比，防災(zāi)監(jiān)控單元的雷電沖擊試驗(yàn)更具有實(shí)際意義。首先，相較于處于屏蔽信號樓內(nèi)的其他信號設(shè)備間的室內(nèi)互連端口，監(jiān)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(hù)水平;其次，監(jiān)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(shù)據(jù)通信傳輸、開關(guān)量輸人輸出等多種形式，每種端口類型都應(yīng)根據(jù)其功能及接線方式，選擇合適的試驗(yàn)方法來
驗(yàn)證。目前，大多數(shù)企業(yè)設(shè)計(jì)的監(jiān)控單元還是以TB/T3074-2003《鐵道信號設(shè)備雷電電磁脈沖防護(hù)技術(shù)條件》作為試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。隨著現(xiàn)代防雷技術(shù)的發(fā)展，基于4/300μS雷擊試驗(yàn)波形已經(jīng)不適用于現(xiàn)在的雷電沖擊試驗(yàn)。TB/T 3498-2018 提出了新的試驗(yàn)波形及試驗(yàn)方法。監(jiān)控單元的防雷設(shè)計(jì)是否能夠滿足現(xiàn)階段的標(biāo)準(zhǔn)要求，還需要通過大量的試驗(yàn)去驗(yàn)證。中為智能防雷器浪涌保護(hù)器http://m.kaiyuanfeather.com.cn/

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作者：李洋，李博
(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所）