赫忠良，王福文，林智文

（中國鐵路哈爾濱局集團(tuán)有限公司電務(wù)部，哈爾濱 150006）

1 概述

在電氣電子設(shè)備大量上道的今天，為保證其可靠應(yīng)用，必須為其打造一個(gè)優(yōu)良的電磁環(huán)境。說到優(yōu)良的電磁環(huán)境，就必須提到防雷電脈沖及靜電干擾。而信號(hào)系統(tǒng)是鐵路的重要組成部分，對(duì)保證列車的行車安全和運(yùn)輸效率至關(guān)重要。

在中國國家鐵路集團(tuán)有限公司及各鐵路局集團(tuán)公司的重視下，鐵路信號(hào)設(shè)備建設(shè)天網(wǎng)、地網(wǎng)、法拉第籠，并對(duì)室內(nèi)機(jī)柜、機(jī)架管線進(jìn)行了等電位連接，在高速鐵路及電氣化區(qū)段設(shè)置貫通地線，并與地網(wǎng)進(jìn)行等電位連接，為室內(nèi)信號(hào)設(shè)備可靠運(yùn)用營造一個(gè)優(yōu)良的雷電及電磁環(huán)境，而室外信號(hào)設(shè)備由于裸露于軌旁，其雷電環(huán)境則相對(duì)惡劣的多。軌道電路利用沿鋼軌線敷設(shè)的信號(hào)電纜進(jìn)行室內(nèi)、室外的連接，弱電系統(tǒng)也通過電纜與室外軌旁信號(hào)設(shè)備、鋼軌、綜合接地系統(tǒng)進(jìn)行電氣連接，是雷電信號(hào)侵入軌道電路設(shè)備的重要途徑。

雖然目前鐵路信號(hào)系統(tǒng)具有規(guī)范的防雷及綜合接地系統(tǒng)來進(jìn)行雷電防護(hù)，但是發(fā)生雷擊故障后，大都僅憑現(xiàn)場運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)判斷，本文以軌道電路經(jīng)典的雷電入侵方式為例，闡述雷電在軌道電路的侵入途徑。

2 ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)構(gòu)成

ZPW-2000A 軌道電路系統(tǒng)是國內(nèi)普遍使用的軌道電路制式，其室外部分包含傳輸電纜、鋼軌、空心線圈、匹配變壓器、調(diào)諧單元、補(bǔ)償電容等，室內(nèi)部分包括發(fā)送器、接收器、衰耗器、防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤等電子設(shè)備。室外與牽引供電系統(tǒng)緊緊相鄰，包含AF 線、PW 線、T 線和接觸線、接觸網(wǎng)桿等，牽引供電系統(tǒng)的接觸網(wǎng)桿沿鋼軌豎立，網(wǎng)桿底部接入貫通地線，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of ZPW-2000A track circuit system

ZPW-2000A 軌道電路室外信號(hào)電纜的電纜外皮與相鄰的接地接觸網(wǎng)桿塔共同采用一個(gè)貫通地線接地點(diǎn)，換而言之，接觸網(wǎng)桿塔與信號(hào)電纜外皮等電位相連，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 室外電纜接地圖Fig.2 Outdoor cable grounding diagram

3 直擊雷侵入路徑分析

2014 年5 月23 日18:52 ～21:48，雷 擊造 成 某站下行區(qū)間21911AG 紅光帶。該次直擊雷造成21911AG 受端處接觸網(wǎng)桿絕緣子擊穿、21911AG受端PT 損壞、21911AG 電纜芯線斷線。本文將以此故障案例作為分析對(duì)象。

3.1 雷電活動(dòng)情況

該站地理坐標(biāo)為東經(jīng)113.174°、北緯23.771°，通過調(diào)閱中國電網(wǎng)雷電監(jiān)測系統(tǒng)的雷電數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)日18:00～22:00 之間，該處雷電活動(dòng)頻繁，雷電流幅值范圍約為30～60 kA。

3.2 設(shè)備損壞情況

經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場損壞設(shè)備情況如下。

3.2.1 牽引供電設(shè)備損壞情況

21911AG 受端附近的接觸網(wǎng)桿T 線絕緣子被擊穿，絕緣子損壞情況如圖3 所示。

圖3 雷擊位置圖Fig.3 Position struck by lightning

3.2.2 軌道電路設(shè)備損壞情況

1) 21911AG 受端分支電纜芯線斷線，如圖4 所示。

圖4 電纜灼傷實(shí)物圖Fig.4 Photo of burnt cables

2) 21911AG 受端PT 損壞，其中E1、E2 萬可端子附近的V1-V2 金屬連接片有明顯灼燒痕跡，如圖5 所示。

3.3 雷電侵入路徑分析

圖5 雷擊位置圖Fig.5 Spot struck by lightning in PT

通過現(xiàn)場調(diào)查，該故障明顯是一起直擊雷故障，且發(fā)現(xiàn)雷擊接觸網(wǎng)桿和損壞的PT 距離很近，如圖6 所示。根據(jù)雷擊現(xiàn)場位置、損壞設(shè)備情況及雷電泄放機(jī)理，抽象出雷擊后雷電流泄放通道如圖7 所示，即PW 線、AF 線或T 線→接觸網(wǎng)桿→貫通地→電纜外皮→電纜芯線→PT →鋼軌→遠(yuǎn)方的地。雷電侵入軌道電路的過程簡述如下。

圖6 損壞PT現(xiàn)場位置圖Fig.6 Position of onsite PT struck by lightning

圖7 雷電流泄放路徑圖Fig.7 Diagram of the path of lightning current discharge

1）雷的引入：雷的引入途徑可能有兩種：一是雷電直接擊中接觸網(wǎng)桿、PW 線，雷電流直接入地，同時(shí)把絕緣子擊穿；二是雷電擊中AF 線或者T 線（接觸線），使得其與接觸網(wǎng)桿產(chǎn)生高電位差，將絕緣子擊穿，然后雷電流通過接觸網(wǎng)桿入地。

2）地電位升、電纜外皮擊穿：雷擊后，入地雷電流急劇增大，使得地電位急劇抬升。由于此處電纜的外皮接地，所以電纜外皮電位也隨之抬升，從而在電纜外皮和芯線間產(chǎn)生非常大的電位差，造成電纜外皮和芯線間絕緣被擊穿。

3）PT 擊穿、產(chǎn)生紅光帶：雷電流通過電纜芯線進(jìn)入PT，在E1、E2 處產(chǎn)生高電位，從而造成E1、E2 端子與鋼軌側(cè)端子放電，雷電流經(jīng)鋼軌向遠(yuǎn)處低電位處泄放。此過程中PT 被擊穿損壞，軌道電路產(chǎn)生紅光帶。

4 雷感應(yīng)雷侵入路徑分析

2017 年8 月27 日19:00:53，某站區(qū)間下行線15607G、上行線15604G 出現(xiàn)紅光帶，20:14 電務(wù)段簽認(rèn)設(shè)備恢復(fù)正常，影響客車4 列、貨車4 列，故障持續(xù)時(shí)間74 min。

4.1 雷電活動(dòng)情況

經(jīng)雷電監(jiān)測信息查詢，發(fā)現(xiàn)故障當(dāng)天19:00 故障區(qū)間附近雷電活動(dòng)頻繁，根據(jù)區(qū)域附近故障時(shí)段內(nèi)11 次雷電的具體監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，其中距離區(qū)段較近處形成過一次大幅值對(duì)地雷電流，其雷擊監(jiān)測數(shù)據(jù)為：8 月27 日19:00:32.309，在北緯27.5462，東經(jīng)109.8747 地點(diǎn)，雷擊主放電之后伴隨1 次回?fù)簦颠_(dá)到254.4 kA，距離故障區(qū)段6 297 m。（鋼軌區(qū)段坐標(biāo)：北緯27.5414，東經(jīng)109.8111 至北緯27.5322，東經(jīng)109.8061）。

4.2 設(shè)備損壞情況

此次設(shè)備損壞情況如下。

1）室內(nèi)兩個(gè)15607GJS、15604BGJS 接收器損壞，一個(gè)衰耗采集盒損壞。

2）一個(gè)發(fā)送器報(bào)警未損壞。

4.3 雷電侵入路徑分析

通過對(duì)區(qū)域雷電數(shù)據(jù)、機(jī)械室布局、現(xiàn)場實(shí)際布線接地情況和室內(nèi)損壞設(shè)備的分析，認(rèn)為造成此次雷擊故障的主要原因是室外感應(yīng)雷電流入侵。

入侵通道如圖8 所示。

圖8 雷電入侵通道Fig.8 Path of Lightning

由于鋼軌區(qū)段附近有254.4 kA 大幅值雷電流對(duì)地放電，鋼軌上產(chǎn)生感應(yīng)雷電流，形成高電位端。雷電流通過室外電纜的內(nèi)屏蔽層和芯線進(jìn)入室內(nèi)，由于室內(nèi)外電纜在柜上線槽存在并行走線，雷電流感應(yīng)耦合至室內(nèi)組合柜至移頻柜的電纜上，進(jìn)入接收器形成高電位。因?yàn)榻邮掌魍鈿そ佑诎踩兀ǖ碗娢唬?，接收器?nèi)形成電位差，放電造成接收器損壞，形成雷電流的泄放通路，雷電流從接收器外殼通過安全地流向室外低電位。

4.4 室內(nèi)接口柜接地建議

由于ZPW-2000A 軌道電路的接口柜是室內(nèi)外電纜的分界處，也是臟線、凈線的分界，接口柜上有防雷地FLE 和屏蔽地PBE（以前叫DLE），針對(duì)這兩個(gè)地應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

1）防雷地FLE 與機(jī)柜柜體絕緣，屏蔽地PBE與機(jī)柜柜體良好導(dǎo)通連接。

2）防雷地FLE：機(jī)柜內(nèi)電纜側(cè)信號(hào)線纜屏蔽層單端接地至機(jī)柜防雷地FLE 銅牌；防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤端子35、分線采集器端子25 連接至組匣背面接地銅條，由組匣接地銅條連接至機(jī)柜防雷地FLE 銅牌。

3）屏蔽地PBE：機(jī)柜內(nèi)設(shè)備側(cè)信號(hào)線纜屏蔽層單端接地至機(jī)柜屏蔽地PBE 接地銅牌；CAN 總線屏蔽層單端接至機(jī)柜屏蔽地PBE 接地銅牌。

5 結(jié)論

本文以兩起雷擊故障為例，講述直擊雷和感應(yīng)雷兩種雷電流在軌道電路上的侵入路徑，并提出軌道電路接口柜接地建議，對(duì)現(xiàn)場雷電防護(hù)和雷擊故障分析具有一定指導(dǎo)意義。