徐宗奇
(北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京 100070)
雷電是人類最早觀察到的自然現(xiàn)象,其本質(zhì)就是“放電現(xiàn)象”。直擊雷是指帶電的云層與大地上某一點(diǎn)之間發(fā)生迅猛的放電,放電電流通過被擊目標(biāo)流入大地的現(xiàn)象。直擊雷伴隨而產(chǎn)生的電效應(yīng)、熱效應(yīng)或機(jī)械力等一系列的破壞作用,可以危及地面的森林、草原、人、畜和建筑物、建筑物內(nèi)電子設(shè)備和人。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球平均每秒產(chǎn)生大約100 次地閃(每天大約800 萬次),對(duì)電力、航空航天、信息通信、電氣化鐵路、石油化工等重要基礎(chǔ)設(shè)施的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅,雷電是聯(lián)合國公布的十大自然災(zāi)害之一。
國內(nèi)鐵路發(fā)展經(jīng)歷了電氣集中設(shè)備向電子集成設(shè)備的過渡,也經(jīng)歷了非電氣化鐵路向電氣化鐵路的過渡。早期電氣集中設(shè)備或非電氣化鐵路雷電耐受水平高,遭受雷擊損壞的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低,鐵路整體雷電防護(hù)需求不強(qiáng),防護(hù)技術(shù)發(fā)展較慢。21 世紀(jì)以來,以6502 電氣集中為代表的繼電聯(lián)鎖系統(tǒng)被效率更高、性能更強(qiáng)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)逐步代替,加之列車運(yùn)行調(diào)度指揮系統(tǒng)、調(diào)度集中系統(tǒng)、列控中心設(shè)備、信號(hào)集中監(jiān)測等計(jì)算機(jī)類電子設(shè)備的大量上道運(yùn)用、防雷技術(shù)的發(fā)展和國內(nèi)對(duì)信號(hào)防雷認(rèn)識(shí)的不斷深入,信號(hào)設(shè)備對(duì)雷電的防護(hù)逐步得到重視。
2008 年以后,國內(nèi)高速鐵路快速發(fā)展,相對(duì)普速鐵路,高速鐵路引入較多新技術(shù),產(chǎn)生了新特點(diǎn),如:高架橋的敷設(shè)、無砟軌道技術(shù)的應(yīng)用等,這些新技術(shù)和特點(diǎn)惡化了線路電磁環(huán)境。2011 至2012年底,中國通號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)公司組織在全路范圍內(nèi)開展了信號(hào)機(jī)械室電磁環(huán)境調(diào)查,并對(duì)ZPW-2000A 軌道電路進(jìn)行了全面的防雷測試。2012 年底,原鐵道部根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果及整改建議發(fā)布了《鐵道部運(yùn)輸局關(guān)于印發(fā)〈ZPW-2000A 軌道電路整治會(huì)議紀(jì)要〉的通知》(運(yùn)電信號(hào)函[2012]640 號(hào)),要求全路范圍內(nèi)開展信號(hào)機(jī)械室電磁環(huán)境整改,客專范圍內(nèi)開展ZPW-2000A 防雷性能加強(qiáng)措施。
國內(nèi)高速鐵路是高度集成、裝備關(guān)系復(fù)雜、耦合度高的巨大系統(tǒng),雷電科學(xué)與防護(hù)工程則是涉及整個(gè)高鐵網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行安全和可靠性的關(guān)鍵要素之一,是國內(nèi)高鐵在技術(shù)自主創(chuàng)新過程中不可缺少且必須解決的一項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)。加之國內(nèi)高速鐵路有著線路里程長、全天候運(yùn)營、線路復(fù)雜等特點(diǎn),面臨的雷電科學(xué)與防護(hù)工程問題更加嚴(yán)峻。主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。
1)無雷電活動(dòng)監(jiān)測手段,缺乏符合自身特點(diǎn)的差異化防護(hù)體系,防護(hù)效率不高。
首先,國內(nèi)高鐵主要集中分布在雷電活動(dòng)頻繁的中東部和沿海地區(qū),國外高鐵主要集中在日本和歐洲,其緯度接近或高于國內(nèi)東北地區(qū),雷電活動(dòng)相對(duì)較弱,因此國內(nèi)高鐵遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于歐洲和日本。其次,國內(nèi)高鐵有著自己的技術(shù)特點(diǎn)。為了獲得更平穩(wěn)的運(yùn)行環(huán)境,國內(nèi)高鐵多為高架線路,如:京滬線80%以上、武廣線90%以上,這大大提高了電牽系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和軌旁弱電系統(tǒng)的雷擊風(fēng)險(xiǎn);無砟軌道技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得雷電在系統(tǒng)中傳播過程中的對(duì)地電位大幅提高,故障風(fēng)險(xiǎn)大幅提高;綜合接地技術(shù)使得鐵路所有設(shè)施和裝備融為一體,電磁耦合緊密。而高鐵在“引進(jìn)—消化—再創(chuàng)新”的過程中,多沿用或借鑒上述國家的高鐵防雷標(biāo)準(zhǔn)體系,無法滿足國內(nèi)強(qiáng)雷暴活動(dòng)天氣和技術(shù)特點(diǎn)的要求,同時(shí)也不能滿足高鐵走出去戰(zhàn)略需求,例如承建印度尼西亞“雅萬高鐵”所在的區(qū)域雷暴日達(dá)到300天以上,亟需針對(duì)強(qiáng)雷暴天氣下高速鐵路裝備體系的防護(hù)方法研究和防護(hù)措施研發(fā),建立針對(duì)不同雷電環(huán)境的差異化雷電防護(hù)體系。
2)無智能化分析手段,雷擊故障處置效率低下
我國高鐵是世界上裝備率最高的國家,高裝備率同時(shí)意味著雷擊故障風(fēng)險(xiǎn)的提升。雷擊故障具有隨機(jī)性強(qiáng)、影響范圍大、排查難度大的特點(diǎn),然而當(dāng)前高鐵雷電缺少必要的觀測方法和數(shù)據(jù),智能化定位和排查手段缺失,一旦發(fā)生往往嚴(yán)重影響列車運(yùn)行。以南方某鐵路局為例,2014 至2016 年,高速鐵路通信信號(hào)設(shè)備每次雷擊故障影響時(shí)間均超過1 h,如表1 所示。
表1 南方某路局2014至2016年信號(hào)設(shè)備雷電故障情況表Tab.1 Table of lightning fault conditions of signal equipment of a railway bureau in south China from 2014 to 2016
歐洲和日本是高速鐵路較為集中的地區(qū)和國家,同樣面臨雷電引起的鐵路設(shè)備故障和防護(hù)問題,國外均采取了雷電活動(dòng)監(jiān)測和故障定位技術(shù),提升防護(hù)的智能化水平。
日本信號(hào)系統(tǒng)故障占總運(yùn)行故障約10%,雷擊引起的信號(hào)設(shè)備故障占信號(hào)設(shè)備故障總數(shù)10%~20%,統(tǒng)計(jì)如圖1 所示。
圖1 日本信號(hào)系統(tǒng)雷擊故障分布情況Fig.1 Distribution of lightning fault in Japanese signal system
同時(shí),日本全國新干線裝備了雷電活動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng),根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)和線路的重要程度,將全國鐵路雷電防護(hù)劃分為3 個(gè)級(jí)別:A、B 和C級(jí),最高等級(jí)為A 級(jí)。
2010 至2013 年,英國鐵路每年雷擊影響192次,每次雷擊導(dǎo)致361 min 的延時(shí)。他們采取了雷電故障定位技術(shù),提高處置效率,降低延時(shí)時(shí)間。
鐵路雷電活動(dòng)定位及故障診斷系統(tǒng)能夠有效實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵路線路沿線雷電活動(dòng)和分布情況,指導(dǎo)裝備和工程的差異化防護(hù)設(shè)計(jì),提升防護(hù)效率;同時(shí),結(jié)合雷擊故障診斷,準(zhǔn)確識(shí)別雷擊故障,及時(shí)給出雷擊入侵途徑和故障設(shè)備位置,提高故障處置效率。
雷電活動(dòng)覆蓋面廣、隨機(jī)性強(qiáng),廣域地閃監(jiān)測可通過探測雷電地閃產(chǎn)生的VLF 電磁波,定位地閃發(fā)生位置、反演其強(qiáng)度等特征參數(shù)。但是,地閃電磁波信號(hào)傳播易受到山體、水系影響,低幅值雷電信號(hào)衰減畸變尤為明顯,特征減弱,準(zhǔn)確探測難度很大。
鐵路雷電活動(dòng)定位系統(tǒng)根據(jù)雷電回?fù)敉ǖ拦こ棠P?,?jì)算回?fù)敉ǖ离姶盘卣鲄?shù),根據(jù)多個(gè)參數(shù)給出雷擊通道位置,如圖2 所示。能夠全自動(dòng)、大面積、高精度、實(shí)時(shí)雷電監(jiān)測系統(tǒng);實(shí)時(shí)遙測并顯示云對(duì)地閃擊的時(shí)間、位置、雷電流峰值和極性、回?fù)舸螖?shù)以及每次回?fù)魠?shù)。
雷電定位系統(tǒng)包括雷電探測站、雷電系統(tǒng)中心站和用戶工作站組成,可實(shí)現(xiàn)中國鐵路總公司、路局和站段三級(jí)監(jiān)控,如圖3所示。
圖2 雷電活動(dòng)定位系統(tǒng)工作原理示意圖Fig.2 Working principle diagram of lightning activity positioning system
雷電探測站探頭有GPS 天線、雷電探測天線、電子組件和電源組件組成,如圖4 所示。
配合上位機(jī)軟件,查詢實(shí)時(shí)的或歷史的線路雷電活動(dòng)和分布情況,如圖5 所示。
圖3 雷電活動(dòng)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱DFig.3 Structure topology of lightning activity positioning system
圖4 雷電活動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖Fig.4 Structure composition diagram of lightning activity positioning system
軌道電路是最易遭受雷擊的信號(hào)設(shè)備之一,其故障處置效率的提升能夠有效降低故障延時(shí)時(shí)間。軌道電路傳輸距離長,雷電屬寬頻暫態(tài)電磁信號(hào),其在軌道電路中的傳輸模型較為復(fù)雜。采用有理函數(shù)逼近和電網(wǎng)絡(luò)等值計(jì)算等方法,建立了雷電0 ~10 MHz的寬頻模型,并據(jù)此建立了信號(hào)系統(tǒng)雷擊暫態(tài)寬頻計(jì)算模型,提出了基于鐵路內(nèi)屏蔽數(shù)字信號(hào)電纜的暫態(tài)計(jì)算方法和模型,如圖6 所示。
軌道電路雷電故障診斷功能能夠?qū)崿F(xiàn):
雷電入侵途徑確認(rèn):結(jié)合雷電活動(dòng)定位功能,根據(jù)雷電信號(hào)在軌道電路系統(tǒng)的傳輸特性,確認(rèn)雷電入侵通道,為故障排查和后續(xù)整改提供支撐;
故障設(shè)備快速定位:實(shí)時(shí)給出雷擊故障設(shè)備位置,給出排查建議,提高雷擊故障處置效率;
圖5 雷電活動(dòng)定位系統(tǒng)上位機(jī)軟件顯示圖Fig.5 Display diagram of upper computer software of lightning activity positioning system
圖6 鐵路內(nèi)屏蔽數(shù)字信號(hào)電纜剖分模型Fig.6 Dissection model of railway shielded digital signal cable
雷擊故障辨別:在雷雨季,現(xiàn)場難以查找的事故,常會(huì)定性為雷害事故,這樣就可能未及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理非雷擊事故,從而埋下再次發(fā)生故障的隱患,可能引發(fā)更大范圍故障。
長期以來,鐵道系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)主要采用氣象部門提供的雷暴日分布和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦的雷電流幅值概率分布,在普速鐵路接觸網(wǎng)雷電防護(hù)中取得了成效。但此做法不能準(zhǔn)確反映鐵路沿線走廊雷電活動(dòng)分布特征,可能對(duì)高速鐵路系統(tǒng)雷電防護(hù)設(shè)計(jì)造成較大偏差。
若全路裝備雷電活動(dòng)定位及診斷系統(tǒng),每年將會(huì)有海量數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù),基于此類數(shù)據(jù)繪制鐵路線路走廊雷電地閃密度分布圖,可應(yīng)用于工程防雷設(shè)計(jì)階段和已有工程的技改項(xiàng)目。同時(shí),通過數(shù)據(jù)深度挖掘,可為裝備防雷性能提升、優(yōu)化差異化防護(hù)設(shè)計(jì)、雷電科學(xué)與防護(hù)工程相關(guān)基礎(chǔ)性研究提供有力的科學(xué)支撐。
目前雷電預(yù)警多為氣象部門根據(jù)大氣活動(dòng)情況提供的云層中放電的概率情況,而真正對(duì)設(shè)備造成影響的是云層與大地放電后的“地閃現(xiàn)象”,此類電磁現(xiàn)象目前尚無有效的預(yù)警手段。
未來應(yīng)進(jìn)一步研究和探索建立廣域雷電監(jiān)測與局部大氣電場測量相結(jié)合的雷電預(yù)警系統(tǒng),為構(gòu)建鐵路系統(tǒng)的“主動(dòng)防雷體系”奠定基礎(chǔ)。
電氣化鐵路條件下,供電專業(yè)是最直接面對(duì)雷害的專業(yè),其接觸網(wǎng)及支柱極易遭受直接雷侵襲,每年因雷擊造成跳閘時(shí)有發(fā)生,雷擊故障發(fā)生后,故障查找也極為困難。
在工電專業(yè)聯(lián)合一體化的背景下,大力推廣智能化雷電防護(hù)技術(shù)在供電專業(yè)的應(yīng)用,可有效提升防護(hù)效率,更加凸顯工電資源整合的優(yōu)勢(shì)。