全电子计算机联锁系统中点灯控制电路的抗雷电冲击性能分析与设计

? 全电子计算机联锁系统中点灯控制电路的抗雷电冲击性能分析与设计 全电子计算机联锁系统中点灯控制电路的抗雷电冲击性能分析与设计

苏　琛1，旷文珍1，许　丽2

(1.兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室，兰州　730070；2.兰州交通大学自动化与电气工程学院，兰州　730070)

摘　要：对全电子计算机联锁系统中的信号点灯控制电路的雷电冲击过程建立电流模型；在建立的模型基础上，分析、计算点灯控制回路中电缆长度、电缆芯数、电子开关内阻、防雷器件等参数对控制回路中关键器件——电子开关的抗雷电冲击的影响，分析结果能为全电子计算机联锁系统中信号点灯控制回路电子开关的参数选取提供重要的参考依据。

关键词：铁路信号；全电子；计算机联锁；点灯电路；雷电；冲击

1　概述

《铁路信号设备雷电及电磁兼容综合防护实施指导意见》中对全电子计算机联锁系统中的信号机的防雷做了详细规定，并有相应的防雷电路图[1]。随着全电子计算机联锁系统的广泛推广应用，作为电子化、智能化的信号设备，其抗雷电性能受到很大的关注。信号点灯控制回路作为全电子计算机联锁系统的核心控制电路，必须保证在《铁道信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件》中规定的冲击等级下能稳定、可靠地工作，所以在设计过程中对控制回路中的关键器件需要选择与其抗冲击能力相匹配的参数。本文对全电子计算机联锁系统中的信号点灯控制电路的雷电冲击电流建立模型；在建立模型基础上，分析、计算点灯控制回路中电缆长度、电缆芯数、防雷器件等参数对控制回路中关键器件——电子开关的抗雷电冲击的影响，分析结果能为全电子计算机联锁系统中信号点灯控制回路电子开关的参数选取提供重要的参考依据。

2　点灯控制回路雷电冲击模型的建立

2.1　雷电模型

点灯控制电路通过信号传输电缆直接与室外的信号机相连，采用试验等级三级进行冲击试验，采用10/700 μs波形，线地试验电压2 kV[2]进行冲击试验。电压冲击波形如图1所示。其中波前时间

T1=1.67×T=10×(1±30%)μs

半峰值时间

T2=700×(1±20%) μs

图1　电压模型

对于图1浪涌冲击电压波形进行曲线函数拟合，拟合后的电压曲线波形函数近似为

2.2　点灯控制电路图

全电子计算机联锁系统中的调车信号机点灯控制电路如图2所示[3]。其中，K1、K2、K3为电子开关，B和A为室外调车信号灯的兰、白灯，SPD1、SPD2、SPD3为安装在防雷分线柜上的信号传输线防雷保安器，T1、T2为室外信号灯变压器。

图2　调车信号机点灯控制电路原理

点灯控制电路正常工作情况下，开关K1、K2闭合、K3断开，点亮调车信号机的兰灯；开关信号机的K1、K3闭合、K2断开，点亮调车白灯。由于蓝灯和白灯控制电路具有对称性，选取蓝灯控制电路进行分析。室外信号设备在遇到雷电时，尤其是严重的雷击过后，产生的巨大电流会沿着电缆线路传递[4]，电缆的长度、芯数等参数对于雷电在电缆的传递有严重影响，因此在等效电路中必须考虑电缆参数对于整个回路里电流的影响，等效电路图如图3所示。其中，F(t)为雷电脉冲；RK1、RK2为开关K1、K2的内阻；R1、R2为电缆电阻；ZT为变压器阻抗；Z1、Z2为电缆线对地阻抗。

图3　等效电路

3　雷电冲击电流的计算

防雷保安器SPD遭受雷电时会对地泄流，来防止雷电对于动作开关的冲击。室外信号设备的防雷保安器限制电压700 V[5]，所以SPD当浪涌冲击电压大于700 V时，SPD才响应，才对地泄流。当浪涌冲击电压小于700 V时，雷电对动作开关造成冲击，所以需要计算在SPD响应之前雷电对于动作开关的冲击电流。

在SPD响应之前，根据雷电电压波形的函数，可以得出当浪涌冲击电压小于700 V时电压曲线波形函数公式F(t)=2×108t(0≤t≤3.5 μs)　　根据图3的等效电路可以看到，当雷电脉冲冲击点灯电路时，SPD1会先于SPD2响应。用10/700 μs组合波发生器模拟雷电。利用网孔分析法分析电路[6]，其电路图如图4所示，网孔电流为I1、I2、I3，其中I3为通过动作开关的冲击电流，交流电源为AC220V ，输出内阻R=10 Ω[7]，雷电脉冲函数为F(t)，输出电阻R3=40 Ω[3]，开关电阻RK1=RK2=RK=0.5 Ω[8]，电缆电阻R1=R2=Rd，电缆线对地阻抗Z1=Z2=Z。对参数的计算分别如下。

(1)信号传输电缆线采用铁路信号电缆，以型号PTYA23为例，其直流电阻规定小于等于23.5 Ω/km[9]，所以电阻Rd=0.235l Ω(l为电缆长度)。

(2)PTYA23型号电缆对地绝缘电阻r≥3 000 MΩ/km[10]，对地电容公式

其中，ε0为真空介电常数；n为电缆芯数；l为电缆长度；ε为绝缘材料相对介质常数对于聚乙烯绝缘，ε=23[10]；ε0=8.86×10-12 F/m；Di绝缘层外径；Dc导电线芯外径。为方便计算可以写成公式

其中，G为几何因数，根据查表G=2.0[8]。所以电容c的阻抗

所以电缆线对地阻抗

(3)变压器BX1-34功率为34 W，一次线圈的额定电压U1=220 V，二次线圈的额定电压U2=16 V[11]，所以电压比

=13.75

变压器的二次线圈的负载为信号灯，信号灯功率P=41 W[12]，假设BX1-34为理想变压器，根据理想变压器的负载转换[6]，等效的变压器阻抗ZT为

图4　网孔分析电路

根据图4的等效电路图列出网孔方程

通过动作开关的电路I3

其中电缆芯数n的规格为：4、6、8、9、12、14、16、19、21、24、28、30、33、37、42、44、48、52、56、61[9]，电缆长度l取0～5 km不同的值。

当电缆芯数n取4、14、48、61，电缆长度l取0～5 km不同的值时，对于电子开关的冲击峰值电流仿真曲线如图5所示，冲击电流的波形如图5中小图所示。

图5　冲击电流仿真曲线

当电缆长度l取1、2、5 km，电缆芯数n取4～61不同的值时，对于电子开关的冲击峰值电流仿真曲线如图6所示。

图6　冲击电流仿真曲线

4　结论

本文通过电路分析的方法计算了在SPD响应之前雷电对于动作开关的冲击电流波形(如图5和图6所示)，分析可以得出：当电缆芯数小于28时，冲击电流的峰值的大小会随着电缆的长度l的增加而变大，因此电缆芯数n=28并且电缆长度l=5 km时，雷电对于动作开关冲击电流最大，峰值电流Imax=1.752 A；当电缆芯数为大于28时，冲击电流的峰值在2 km达到最大，因此电缆芯数n=61并且电缆长度l=2 km时，雷电对于动作开关冲击电流最大，峰值电流Imax=2.034 A；总结上述两种情况可以得出：当电缆芯数n=61并且电缆长度l=2 km时，雷电对于动作开关的冲击电流最大，峰值电流为Imax=2.034 A，所以在选择动作开关的时候应该考虑动作开关的抗雷电冲击的电流大于峰值电流2.034 A，以确保雷电对于开关的冲击电流在可以承受的范围以内。

参考文献：

[1]许丽，旷文珍.提高四线制道岔控制电路防雷能力的研究与设计[J].铁道标准设计，2014(10):124-127.

[2]中华人民共和国铁道部.TB/T3074—2003铁道信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件[S].北京：中国铁道出版社，2003.

[3]林瑜筠，吕永昌.计算机联锁[M].北京：中国铁道出版社，2013.

[4]马博.浅谈信号设备防雷的重要性[J].科技创新与应用，2013(6):35.

[5]中华人民共和国铁道部.GB-T17626[1].5—2008浪涌(冲击)抗扰度试验[S].北京：中国铁道出版社，2008.

[6]金波.电路分析基础[M].西安：西安电子科技出版社，2008.

[7]中华人民共和国铁道部.TB/T1528.4—2002铁路信号电源屏 第4部分：计算机联锁信号电源屏[S].北京：中国铁道出版社，2002.

[8]Kudom Electronics Technology. KSFA交流输出型固态继电器规格书[Z].上海：库顿电子科技有限责任公司，2014.

[9]中华人民共和国铁道部.TB/T 3100.1—2004铁路数字信号电缆 第1部分:一般规定[S].北京：中国铁道出版社，2004.

[10]杨贵河.电缆电容的计算[J].电气开关，2010(1):80-81.

[11]中华人民共和国铁道部.TB/T 1869.2—2013铁路信号用变压器 第2部分:信号变压器[S].北京：中国铁道出版社，2013.

[12]中华人民共和国铁道部.TB/T 3242—2010LED铁路信号机构通用技术条件[S].北京：中国铁道出版社，2010.

Analysis and Design of Lightning Resistance Ability of Signal lightning Control Circuit for All-electronic Computer Interlocking System

SU Chen1， KUANG Wen-zhen1， XU Li2

(1.Key Laboratory of Opto-electronic Technology and Intelligent Control， Ministry of Education， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China; 2.School of Automation and Electrical Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China)

Abstract： This paper establishes a current model for the lighting impulse process of the signal lighting control circuit for all-electronic computer interlocking system to analyze the effects of such parameters as the cable length， the number of cable cores， the electronic switch internal resistance and the lighting resistance devices on the lighting resistance of such key device as electronic switch. The results can provide important references for the computer based interlocking system.

Key words： Railway signaling; all-electronic; Computer interlocking; Signal lightning control circuit; Lightning; Impulse

文章编号：1004-2954(2016)05-0137-03

收稿日期：2015-07-27； 修回日期：2015-09-02

基金项目：甘肃省青年科技基金计划项目(1308RJYA096)；甘肃省高校科研项目(2013A-050)

作者简介：苏　琛(1990—)，男，硕士研究生，E-mail：[email protected]。

中图分类号：U284.3

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.030

? 全电子计算机联锁系统中点灯控制电路的抗雷电冲击性能分析与设计 全电子计算机联锁系统中点灯控制电路的抗雷电冲击性能分析与设计

苏　琛1，旷文珍1，许　丽2

(1.兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室，兰州　730070；2.兰州交通大学自动化与电气工程学院，兰州　730070)

摘　要：对全电子计算机联锁系统中的信号点灯控制电路的雷电冲击过程建立电流模型；在建立的模型基础上，分析、计算点灯控制回路中电缆长度、电缆芯数、电子开关内阻、防雷器件等参数对控制回路中关键器件——电子开关的抗雷电冲击的影响，分析结果能为全电子计算机联锁系统中信号点灯控制回路电子开关的参数选取提供重要的参考依据。

关键词：铁路信号；全电子；计算机联锁；点灯电路；雷电；冲击

1　概述

《铁路信号设备雷电及电磁兼容综合防护实施指导意见》中对全电子计算机联锁系统中的信号机的防雷做了详细规定，并有相应的防雷电路图[1]。随着全电子计算机联锁系统的广泛推广应用，作为电子化、智能化的信号设备，其抗雷电性能受到很大的关注。信号点灯控制回路作为全电子计算机联锁系统的核心控制电路，必须保证在《铁道信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件》中规定的冲击等级下能稳定、可靠地工作，所以在设计过程中对控制回路中的关键器件需要选择与其抗冲击能力相匹配的参数。本文对全电子计算机联锁系统中的信号点灯控制电路的雷电冲击电流建立模型；在建立模型基础上，分析、计算点灯控制回路中电缆长度、电缆芯数、防雷器件等参数对控制回路中关键器件——电子开关的抗雷电冲击的影响，分析结果能为全电子计算机联锁系统中信号点灯控制回路电子开关的参数选取提供重要的参考依据。

2　点灯控制回路雷电冲击模型的建立

2.1　雷电模型

点灯控制电路通过信号传输电缆直接与室外的信号机相连，采用试验等级三级进行冲击试验，采用10/700 μs波形，线地试验电压2 kV[2]进行冲击试验。电压冲击波形如图1所示。其中波前时间

T1=1.67×T=10×(1±30%)μs

半峰值时间

T2=700×(1±20%) μs

图1　电压模型

对于图1浪涌冲击电压波形进行曲线函数拟合，拟合后的电压曲线波形函数近似为

2.2　点灯控制电路图

全电子计算机联锁系统中的调车信号机点灯控制电路如图2所示[3]。其中，K1、K2、K3为电子开关，B和A为室外调车信号灯的兰、白灯，SPD1、SPD2、SPD3为安装在防雷分线柜上的信号传输线防雷保安器，T1、T2为室外信号灯变压器。

图2　调车信号机点灯控制电路原理

点灯控制电路正常工作情况下，开关K1、K2闭合、K3断开，点亮调车信号机的兰灯；开关信号机的K1、K3闭合、K2断开，点亮调车白灯。由于蓝灯和白灯控制电路具有对称性，选取蓝灯控制电路进行分析。室外信号设备在遇到雷电时，尤其是严重的雷击过后，产生的巨大电流会沿着电缆线路传递[4]，电缆的长度、芯数等参数对于雷电在电缆的传递有严重影响，因此在等效电路中必须考虑电缆参数对于整个回路里电流的影响，等效电路图如图3所示。其中，F(t)为雷电脉冲；RK1、RK2为开关K1、K2的内阻；R1、R2为电缆电阻；ZT为变压器阻抗；Z1、Z2为电缆线对地阻抗。

图3　等效电路

3　雷电冲击电流的计算

防雷保安器SPD遭受雷电时会对地泄流，来防止雷电对于动作开关的冲击。室外信号设备的防雷保安器限制电压700 V[5]，所以SPD当浪涌冲击电压大于700 V时，SPD才响应，才对地泄流。当浪涌冲击电压小于700 V时，雷电对动作开关造成冲击，所以需要计算在SPD响应之前雷电对于动作开关的冲击电流。

在SPD响应之前，根据雷电电压波形的函数，可以得出当浪涌冲击电压小于700 V时电压曲线波形函数公式F(t)=2×108t(0≤t≤3.5 μs)　　根据图3的等效电路可以看到，当雷电脉冲冲击点灯电路时，SPD1会先于SPD2响应。用10/700 μs组合波发生器模拟雷电。利用网孔分析法分析电路[6]，其电路图如图4所示，网孔电流为I1、I2、I3，其中I3为通过动作开关的冲击电流，交流电源为AC220V ，输出内阻R=10 Ω[7]，雷电脉冲函数为F(t)，输出电阻R3=40 Ω[3]，开关电阻RK1=RK2=RK=0.5 Ω[8]，电缆电阻R1=R2=Rd，电缆线对地阻抗Z1=Z2=Z。对参数的计算分别如下。

(1)信号传输电缆线采用铁路信号电缆，以型号PTYA23为例，其直流电阻规定小于等于23.5 Ω/km[9]，所以电阻Rd=0.235l Ω(l为电缆长度)。

(2)PTYA23型号电缆对地绝缘电阻r≥3 000 MΩ/km[10]，对地电容公式

其中，ε0为真空介电常数；n为电缆芯数；l为电缆长度；ε为绝缘材料相对介质常数对于聚乙烯绝缘，ε=23[10]；ε0=8.86×10-12 F/m；Di绝缘层外径；Dc导电线芯外径。为方便计算可以写成公式

其中，G为几何因数，根据查表G=2.0[8]。所以电容c的阻抗

所以电缆线对地阻抗

(3)变压器BX1-34功率为34 W，一次线圈的额定电压U1=220 V，二次线圈的额定电压U2=16 V[11]，所以电压比

=13.75

变压器的二次线圈的负载为信号灯，信号灯功率P=41 W[12]，假设BX1-34为理想变压器，根据理想变压器的负载转换[6]，等效的变压器阻抗ZT为

图4　网孔分析电路

根据图4的等效电路图列出网孔方程

通过动作开关的电路I3

其中电缆芯数n的规格为：4、6、8、9、12、14、16、19、21、24、28、30、33、37、42、44、48、52、56、61[9]，电缆长度l取0～5 km不同的值。

当电缆芯数n取4、14、48、61，电缆长度l取0～5 km不同的值时，对于电子开关的冲击峰值电流仿真曲线如图5所示，冲击电流的波形如图5中小图所示。

图5　冲击电流仿真曲线

当电缆长度l取1、2、5 km，电缆芯数n取4～61不同的值时，对于电子开关的冲击峰值电流仿真曲线如图6所示。

图6　冲击电流仿真曲线

4　结论

本文通过电路分析的方法计算了在SPD响应之前雷电对于动作开关的冲击电流波形(如图5和图6所示)，分析可以得出：当电缆芯数小于28时，冲击电流的峰值的大小会随着电缆的长度l的增加而变大，因此电缆芯数n=28并且电缆长度l=5 km时，雷电对于动作开关冲击电流最大，峰值电流Imax=1.752 A；当电缆芯数为大于28时，冲击电流的峰值在2 km达到最大，因此电缆芯数n=61并且电缆长度l=2 km时，雷电对于动作开关冲击电流最大，峰值电流Imax=2.034 A；总结上述两种情况可以得出：当电缆芯数n=61并且电缆长度l=2 km时，雷电对于动作开关的冲击电流最大，峰值电流为Imax=2.034 A，所以在选择动作开关的时候应该考虑动作开关的抗雷电冲击的电流大于峰值电流2.034 A，以确保雷电对于开关的冲击电流在可以承受的范围以内。

参考文献：

[1]许丽，旷文珍.提高四线制道岔控制电路防雷能力的研究与设计[J].铁道标准设计，2014(10):124-127.

[2]中华人民共和国铁道部.TB/T3074—2003铁道信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件[S].北京：中国铁道出版社，2003.

[3]林瑜筠，吕永昌.计算机联锁[M].北京：中国铁道出版社，2013.

[4]马博.浅谈信号设备防雷的重要性[J].科技创新与应用，2013(6):35.

[5]中华人民共和国铁道部.GB-T17626[1].5—2008浪涌(冲击)抗扰度试验[S].北京：中国铁道出版社，2008.

[6]金波.电路分析基础[M].西安：西安电子科技出版社，2008.

[7]中华人民共和国铁道部.TB/T1528.4—2002铁路信号电源屏 第4部分：计算机联锁信号电源屏[S].北京：中国铁道出版社，2002.

[8]Kudom Electronics Technology. KSFA交流输出型固态继电器规格书[Z].上海：库顿电子科技有限责任公司，2014.

[9]中华人民共和国铁道部.TB/T 3100.1—2004铁路数字信号电缆 第1部分:一般规定[S].北京：中国铁道出版社，2004.

[10]杨贵河.电缆电容的计算[J].电气开关，2010(1):80-81.

[11]中华人民共和国铁道部.TB/T 1869.2—2013铁路信号用变压器 第2部分:信号变压器[S].北京：中国铁道出版社，2013.

[12]中华人民共和国铁道部.TB/T 3242—2010LED铁路信号机构通用技术条件[S].北京：中国铁道出版社，2010.

Analysis and Design of Lightning Resistance Ability of Signal lightning Control Circuit for All-electronic Computer Interlocking System

SU Chen1， KUANG Wen-zhen1， XU Li2

(1.Key Laboratory of Opto-electronic Technology and Intelligent Control， Ministry of Education， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China; 2.School of Automation and Electrical Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China)

Abstract： This paper establishes a current model for the lighting impulse process of the signal lighting control circuit for all-electronic computer interlocking system to analyze the effects of such parameters as the cable length， the number of cable cores， the electronic switch internal resistance and the lighting resistance devices on the lighting resistance of such key device as electronic switch. The results can provide important references for the computer based interlocking system.

Key words： Railway signaling; all-electronic; Computer interlocking; Signal lightning control circuit; Lightning; Impulse

文章编号：1004-2954(2016)05-0137-03

收稿日期：2015-07-27； 修回日期：2015-09-02

基金项目：甘肃省青年科技基金计划项目(1308RJYA096)；甘肃省高校科研项目(2013A-050)

作者简介：苏　琛(1990—)，男，硕士研究生，E-mail：[email protected]。

中图分类号：U284.3

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.030