鐵路災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模擬雷電浪涌沖擊測(cè)試分析

2021-11-30 · 閱讀389

1概述

      鐵路災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由鐵路局中心系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備2級(jí)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(cè)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(guò)數(shù)據(jù)分析處理，為鐵路運(yùn)營(yíng)管理提供有效、準(zhǔn)確、可靠的災(zāi)害監(jiān)測(cè)及預(yù)警信息，并在異物侵限及地震預(yù)警時(shí)，聯(lián)動(dòng)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(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備包括監(jiān)控單元和現(xiàn)場(chǎng)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(cè)信號(hào)機(jī)房?jī)?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(hào)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(guò)模擬雷擊試驗(yàn)，來(lái)檢驗(yàn)設(shè)備的雷擊過(guò)電壓耐受能力。
      目前，由于國(guó)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(méi)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(cè)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(hào)設(shè)備雷擊試驗(yàn)方法》，對(duì)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(cè)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(cè)功能。室外設(shè)備遭受雷電侵?jǐn)_時(shí)，雷電波會(huì)沿著金屬導(dǎo)線傳導(dǎo)，侵人到監(jiān)測(cè)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(hào)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(cè)模塊(風(fēng)、雨、雪、地震)與室外傳感器連接，通過(guò)RS485串口進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸;異物監(jiān)測(cè)電網(wǎng)信號(hào)輸出模塊通過(guò)輸出電信號(hào)與豎直監(jiān)測(cè)電網(wǎng)連接;異
物接口繼電器組合與電網(wǎng)監(jiān)測(cè)信號(hào)聯(lián)動(dòng)，通過(guò)控制直流電源模塊的開、斷，驅(qū)動(dòng)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(wú)源常開接點(diǎn)和無(wú)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(cè)電網(wǎng)信號(hào)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(dòng)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(cè)電網(wǎng)信號(hào)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(dòng)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(guò)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(guò)程中，通過(guò)不同的程序組合，可以把高壓端(HV)和低壓端(LV)自動(dòng)切換到不同的測(cè)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(dòng)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(guò)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(lái)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(duì)輔助供電設(shè)備或電子負(fù)載造成干擾或損壞。
      在測(cè)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(duì)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(hào)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(guò)程中，因?yàn)橥ㄐ判盘?hào)傳輸頻率較高，電容類器件會(huì)影響通信，所以采用放電管耦合方式，來(lái)消除沖擊發(fā)生器直接接入傳輸線路中對(duì)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(guò)高壓脈沖波在電感上的壓降以及防護(hù)電路的作用,來(lái)保護(hù)輔助測(cè)試的傳感器等不受損壞。
      在測(cè)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(duì)于采用RS485形式的數(shù)據(jù)傳輸接口，傳輸線為對(duì)稱線。按照TB/T 3498- -2018規(guī)定，與對(duì)稱線連接的通信信號(hào)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(hào)接口，在正常電網(wǎng)接通時(shí)，構(gòu)成單根環(huán)線。考慮到這種情況，在試驗(yàn)時(shí)，僅對(duì)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(cè)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(hào)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(wú)源信號(hào)的接點(diǎn)。其中，2組為常開接點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)高壓斷路器跳閘;1組為常閉接點(diǎn)，通過(guò)綜合自動(dòng)裝置報(bào)警。進(jìn)行雷擊試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)分別針對(duì)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(wú)源的開關(guān)接點(diǎn)，沒(méi)有接入實(shí)際的電子設(shè)備，雷電傳導(dǎo)侵人不會(huì)對(duì)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(jí)和加強(qiáng)級(jí)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(huì)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(jí)的規(guī)定，監(jiān)控單元端口試驗(yàn)等級(jí)選擇見表1。
      在雷擊試驗(yàn)的過(guò)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(jí)選擇，對(duì)于風(fēng)、雨、雪氣象狀態(tài)監(jiān)測(cè)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?jiǎn)适Щ驎簳r(shí)的運(yùn)行故障，能自動(dòng)恢復(fù)或人
工恢復(fù);對(duì)于電源、監(jiān)測(cè)電網(wǎng)及地震信號(hào)并驅(qū)動(dòng)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(wú)任何異常情況。

6結(jié)語(yǔ)

      與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、列控、信號(hào)集中監(jiān)測(cè)等大多數(shù)鐵路信號(hào)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(hào)樓內(nèi)的其他信號(hào)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(guò)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(lái)
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(hào)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(guò)大量的試驗(yàn)去驗(yàn)證。中為智能防雷器浪涌保護(hù)器http://www.youliou.cn/

參考文獻(xiàn)

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作者：李洋，李博
(中國(guó)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）