徐宗奇

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

1 概述

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之間發(fā)生迅猛的放電，放電電流通過被擊目標流入大地的現(xiàn)象。直擊雷伴隨而產(chǎn)生的電效應、熱效應或機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)電子設備和人。據(jù)統(tǒng)計，全球平均每秒產(chǎn)生大約100 次地閃（每天大約800 萬次），對電力、航空航天、信息通信、電氣化鐵路、石油化工等重要基礎(chǔ)設施的安全構(gòu)成嚴重威脅，雷電是聯(lián)合國公布的十大自然災害之一。

2 國內(nèi)鐵路防雷技術(shù)發(fā)展及智能化水平現(xiàn)狀

2.1 發(fā)展歷程

國內(nèi)鐵路發(fā)展經(jīng)歷了電氣集中設備向電子集成設備的過渡，也經(jīng)歷了非電氣化鐵路向電氣化鐵路的過渡。早期電氣集中設備或非電氣化鐵路雷電耐受水平高，遭受雷擊損壞的風險相對較低，鐵路整體雷電防護需求不強，防護技術(shù)發(fā)展較慢。21 世紀以來，以6502 電氣集中為代表的繼電聯(lián)鎖系統(tǒng)被效率更高、性能更強的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)逐步代替，加之列車運行調(diào)度指揮系統(tǒng)、調(diào)度集中系統(tǒng)、列控中心設備、信號集中監(jiān)測等計算機類電子設備的大量上道運用、防雷技術(shù)的發(fā)展和國內(nèi)對信號防雷認識的不斷深入，信號設備對雷電的防護逐步得到重視。

2008 年以后，國內(nèi)高速鐵路快速發(fā)展，相對普速鐵路，高速鐵路引入較多新技術(shù)，產(chǎn)生了新特點，如：高架橋的敷設、無砟軌道技術(shù)的應用等，這些新技術(shù)和特點惡化了線路電磁環(huán)境。2011 至2012年底，中國通號研究設計院集團公司組織在全路范圍內(nèi)開展了信號機械室電磁環(huán)境調(diào)查，并對ZPW-2000A 軌道電路進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《鐵道部運輸局關(guān)于印發(fā)〈ZPW-2000A 軌道電路整治會議紀要〉的通知》（運電信號函[2012]640 號），要求全路范圍內(nèi)開展信號機械室電磁環(huán)境整改，客專范圍內(nèi)開展ZPW-2000A 防雷性能加強措施。

2.2 現(xiàn)狀

國內(nèi)高速鐵路是高度集成、裝備關(guān)系復雜、耦合度高的巨大系統(tǒng)，雷電科學與防護工程則是涉及整個高鐵網(wǎng)絡運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、全天候運營、線路復雜等特點，面臨的雷電科學與防護工程問題更加嚴峻。主要體現(xiàn)在以下兩個方面。

1）無雷電活動監(jiān)測手段，缺乏符合自身特點的差異化防護體系，防護效率不高。

首先，國內(nèi)高鐵主要集中分布在雷電活動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)，雷電活動相對較弱，因此國內(nèi)高鐵遭受雷擊的風險遠高于歐洲和日本。其次，國內(nèi)高鐵有著自己的技術(shù)特點。為了獲得更平穩(wěn)的運行環(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)的雷擊風險；無砟軌道技術(shù)的廣泛應用使得雷電在系統(tǒng)中傳播過程中的對地電位大幅提高，故障風險大幅提高；綜合接地技術(shù)使得鐵路所有設施和裝備融為一體，電磁耦合緊密。而高鐵在“引進—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準體系，無法滿足國內(nèi)強雷暴活動天氣和技術(shù)特點的要求，同時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)域雷暴日達到300天以上，亟需針對強雷暴天氣下高速鐵路裝備體系的防護方法研究和防護措施研發(fā)，建立針對不同雷電環(huán)境的差異化雷電防護體系。

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，高裝備率同時意味著雷擊故障風險的提升。雷擊故障具有隨機性強、影響范圍大、排查難度大的特點，然而當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)生往往嚴重影響列車運行。以南方某鐵路局為例，2014 至2016 年，高速鐵路通信信號設備每次雷擊故障影響時間均超過1 h，如表1 所示。

表1 南方某路局2014至2016年信號設備雷電故障情況表Tab.1 Table of lightning fault conditions of signal equipment of a railway bureau in south China from 2014 to 2016

3 國外鐵路防雷技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀

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備故障和防護問題，國外均采取了雷電活動監(jiān)測和故障定位技術(shù)，提升防護的智能化水平。

日本信號系統(tǒng)故障占總運行故障約10%，雷擊引起的信號設備故障占信號設備故障總數(shù)10%～20%，統(tǒng)計如圖1 所示。

圖1 日本信號系統(tǒng)雷擊故障分布情況Fig.1 Distribution of lightning fault in Japanese signal system

同時，日本全國新干線裝備了雷電活動監(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劃分為3 個級別：A、B 和C級，最高等級為A 級。

2010 至2013 年，英國鐵路每年雷擊影響192次，每次雷擊導致361 min 的延時。他們采取了雷電故障定位技術(shù)，提高處置效率，降低延時時間。

4 鐵路雷電活動定位及故障診斷系統(tǒng)

鐵路雷電活動定位及故障診斷系統(tǒng)能夠有效實時監(jiān)測鐵路線路沿線雷電活動和分布情況，指導裝備和工程的差異化防護設計，提升防護效率；同時，結(jié)合雷擊故障診斷，準確識別雷擊故障，及時給出雷擊入侵途徑和故障設備位置，提高故障處置效率。

4.1 鐵路雷電活動定位功能

雷電活動覆蓋面廣、隨機性強，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、反演其強度等特征參數(shù)。但是，地閃電磁波信號傳播易受到山體、水系影響，低幅值雷電信號衰減畸變尤為明顯，特征減弱，準確探測難度很大。

鐵路雷電活動定位系統(tǒng)根據(jù)雷電回擊通道工程模型，計算回擊通道電磁特征參數(shù)，根據(jù)多個參數(shù)給出雷擊通道位置，如圖2 所示。能夠全自動、大面積、高精度、實時雷電監(jiān)測系統(tǒng)；實時遙測并顯示云對地閃擊的時間、位置、雷電流峰值和極性、回擊次數(shù)以及每次回擊參數(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，可實現(xiàn)中國鐵路總公司、路局和站段三級監(jiān)控，如圖3所示。

圖2 雷電活動定位系統(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。

配合上位機軟件，查詢實時的或歷史的線路雷電活動和分布情況，如圖5 所示。

4.2 軌道電路雷電故障診斷功能

圖3 雷電活動定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲圖Fig.3 Structure topology of lightning activity positioning system

圖4 雷電活動系統(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設備之一，其故障處置效率的提升能夠有效降低故障延時時間。軌道電路傳輸距離長，雷電屬寬頻暫態(tài)電磁信號，其在軌道電路中的傳輸模型較為復雜。采用有理函數(shù)逼近和電網(wǎng)絡等值計算等方法，建立了雷電0 ～10 MHz的寬頻模型，并據(jù)此建立了信號系統(tǒng)雷擊暫態(tài)寬頻計算模型，提出了基于鐵路內(nèi)屏蔽數(shù)字信號電纜的暫態(tài)計算方法和模型，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：結(jié)合雷電活動定位功能，根據(jù)雷電信號在軌道電路系統(tǒng)的傳輸特性，確認雷電入侵通道，為故障排查和后續(xù)整改提供支撐；

故障設備快速定位：實時給出雷擊故障設備位置，給出排查建議，提高雷擊故障處置效率；

圖5 雷電活動定位系統(tǒng)上位機軟件顯示圖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，常會定性為雷害事故，這樣就可能未及時發(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。

5 雷電防護智能化發(fā)展方向

5.1 雷電活動定位及故障數(shù)據(jù)的深度挖掘和應用

長期以來，鐵道系統(tǒng)防雷設計主要采用氣象部門提供的雷暴日分布和電力行業(yè)標準推薦的雷電流幅值概率分布，在普速鐵路接觸網(wǎng)雷電防護中取得了成效。但此做法不能準確反映鐵路沿線走廊雷電活動分布特征，可能對高速鐵路系統(tǒng)雷電防護設計造成較大偏差。

若全路裝備雷電活動定位及診斷系統(tǒng)，每年將會有海量數(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，可應用于工程防雷設計階段和已有工程的技改項目。同時，通過數(shù)據(jù)深度挖掘，可為裝備防雷性能提升、優(yōu)化差異化防護設計、雷電科學與防護工程相關(guān)基礎(chǔ)性研究提供有力的科學支撐。

5.2 雷電預警技術(shù)的應用

目前雷電預警多為氣象部門根據(jù)大氣活動情況提供的云層中放電的概率情況，而真正對設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警手段。

未來應進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)合的雷電預警系統(tǒng)，為構(gòu)建鐵路系統(tǒng)的“主動防雷體系”奠定基礎(chǔ)。

5.3 工電聯(lián)合的雷電活動定位和故障診斷技術(shù)

電氣化鐵路條件下，供電專業(yè)是最直接面對雷害的專業(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技術(shù)在供電專業(yè)的應用，可有效提升防護效率，更加凸顯工電資源整合的優(yōu)勢。