摘要：信号系统承受雷击电磁瞬态干扰能力弱，要掌握雷击电磁脉冲对信号系统影响的程度，需研究雷击电磁脉冲在信号系统的瞬态传输特性。研究基于黑箱技术的铁路信号系统雷击瞬态过程建模方法，以调谐匹配单元为例，详细分析其雷击瞬态建模过程，并采用雷电冲击差模传递特性试验验证模型的有效性。通过建立多设备级联模拟试验系统，开展了多设备级联雷电冲击共模、差模传递特性验证，得到级联系统对雷击共模传递特性及差模传递特性：级联系统对共模雷电冲击信号的衰减主要依靠隔离变压器，对差模雷电冲击信号无明显衰减作用。通过对比级联系统雷电冲击共模、差模试验结果与级联系统模型计算结果，得到模型计算误差不超过8%，满足工程应用需求。
关键词：高速铁路;信号系统;雷击电磁脉冲;瞬态传输特性;级联系统
信号系统可靠运行是保障高速铁路运营安全的重要基础。高速铁路信号设备多采用大规模集成电路和低耐压器件，承受雷击电磁瞬态干扰能力弱，雷击电磁脉冲成为威胁信号设备的重要风险源。
随着我国高铁飞速发展，雷击电磁脉冲对信号设备的影响也越来越多[1]。覃燕、李永毅等[2-3]分析了典型轨道电路系统雷击侵入途径，通过调研2013～2020年哈局、沈阳局、南昌局、广州局、南宁局等多起雷击事故发现，很多进入轨道电路系统的雷击电磁脉冲由信号电缆传导而来，雷害源感应到敷设于高架桥的信号电缆后传导到模拟网络盘，进而使得发送器、接收器、衰耗器、CAN通信单元等损坏。轨道电路雷害故障，通常导致多个设备损坏，短时间很难恢复，对运输的影响非常大。
为有效降低现场信号系统雷害发生率，应准确分析雷击电磁脉冲对信号系统危害程度，在此基础上实现可靠的防护，因此，应深入研究雷击电磁脉冲在信号系统的瞬态传输特性，建立信号系统设备的等效电路模型，并对模型的有效性试验验证。
等效电路建模方法分为物理等效电路模型方法[4]，基于场路结合的建模方法[5-8]和黑盒建模方法[9-13]。由于雷电电磁脉冲为宽频分布，因此，要分析信号设备的雷击瞬态过程，可采用基于黑箱技术的宽频宏模型建模方法[14-15]。基于黑箱技术的宽频建模方法在变压器、互感器等电气设备的宽频建模中被广泛采用[16]，建模相对简单，可提高计算规模，有效缩短计算时间。
针对雷击电磁脉冲为宽频分布的特点，提出基于黑箱技术的铁路信号设备雷击瞬态过程建模方法，分析了建模过程，参照文献[17-18]的系统雷击试验方法对设备进行动态冲击试验，对试验结果和模型计算结果进行比对，验证模型的有效性;对于多设备级联的信号系统，建立设备级联试验系统，对级联系统模型的有效性进行验证。
1典型信号系统结构及雷电侵入途径
轨道电路是信号系统的重要组成部分，属于低压弱电系统，正常工作电压小于百伏级，绝缘水平较低难以承受较强雷击电磁脉冲的侵扰。该系统室外部分沿高铁沿线装设于户外，当雷击接触网或附近构筑物时，雷击瞬态电压升或空间电磁辐射可能导致轨道电路设备绝缘损坏，影响列车安全稳定运行。
ZPW-2000A轨道电路包含室外设备和室内设备两部分[19]，室内部分包括安装在综合柜上的模拟网络盘，以及安装在移频柜上的发送器、接收器等。室外部分包括调协单元、空芯线圈、隔离变压器等，如图1所示。
室外遭受强雷击侵扰时，钢轨或电缆感应过高的雷击瞬态电压升，通过信号电缆传导到模拟网络盘，击穿防雷模拟网络盘，引起雷电信号对隔离变压器室内侧线条放电，传导至移频柜损坏发送器、接收器等,如图2所示。
2信号系统雷击瞬态建模方法
采用宽频宏模型建模方法进行信号设备的雷击瞬态过程建模，通过求得导纳参数，进行数值逼近，获取设备的传递函数，构建信号设备瞬态等效电路模型。建模方法如下。
第一步，根据获得的端口散射参数转换求得导纳参数。
基于信号电压比值，得到端口间入射波和反射波关系的矢量参数，双端口散射参数包含4个参数，根据获得的端口散射参数求得能描述端口电压和电流关系的导纳参数。
首先，采用计算或扫频测试方法提取信号系统设备端子散射参数频率曲线，测试工具选择网络分析仪，测试二端口散射参数，特性阻抗选择50Ω。
然后，将设备端子散射参数转化为导纳参数频率曲线。将多端子信号设备看作多端口网络，其中，有一个公共接地端子，建立设备端子对地、端子对端子间的瞬态耦合模型。
3信号系统雷击瞬态模型及验证
3.1建模举例
对ZPW.PT1700进行建模，图6所示为调谐匹配单元电路图，主要包括两个部分：调谐部分和匹配部分。调谐匹配单元的匹配部分为：变比为1：9的匹配变压器和匹配电缆电容效应的电感，连接SPT铁路信号电缆E1E2为高压侧，实现钢轨间差模信号的增益及钢轨、信号电缆阻抗的匹配连接。
ZPW.PT1700匹配单元差模模型及试验验证过程如下。
首先根据第2节的宽频建模方法，采用网络分析仪获取端口U1U2和端子E1E2的差模散射参数频率特性，S21散射参数频率特性如图7所示。
通过矢量匹配和网络综合建立ZPW.PT1700匹配单元等值电路形式，其四端口网络散射参数矩阵，经6次二端口散射参数测试获得4×4×1601四端口散射参数矩阵，然后将散射参数矩阵转化为导纳参数矩阵，拟合出具有多个共振峰的导纳参数幅频特性曲线，阶数20，误差不超过10-6。
对ZPW.PT1700匹配单元差模传递特性试验验证，在两个端子U1U2之间施加1.2/50μs雷电冲击电压，测量连接电缆侧端子E1E2之间的浪涌电压波形。由于匹配单元的负载效应，施加在端子U1U2间的电压波形畸变严重，但不影响模型有效性的验证，端子U1U2间的电压波形峰值为32V，端子E1E2间的响应电压波形峰值为250V，差模信号被放大约7.8倍。将示波器采集的施加电压波形导出作为仿真计算激励源，采用建立的ZPW.PT1700匹配单元差模模型，计算获得端子E1E2的差模响应波形，如图8所示，黑色曲线为施加电压波形，红色曲线为试验测得响应波形，蓝色曲线为模型计算得到响应波形，试验验证与模型计算偏差小于5%。
3.2信号系统级联雷击传输特性验证
(1)设备级联共模传递特性冲击试验及模型验证
建立由ZPW.PT1700调谐匹配单元、信号电缆、2km电缆模拟单元、隔离变压器组成的设备级联系统，开展级联系统共模冲击传递特性试验，其中，信号电缆长108.5m，如图9所示。
雷电模拟冲击源采用KV1103B-G-20型发生器，冲击电压幅值测量采用泰克TektronixP5100A探头，记录示波器采用带宽500MHz的泰克DPO3032示波器。
ZPW.PT1700调谐匹配单元首端铜板端子U1连接雷电脉冲发生器的高压端，末端端子E1与8芯SPT电缆红色四线组中的红色相连接，芯线末端与2km电缆模拟单元相连，隔离变压器的初级线圈与电缆模拟单元的输出端子相连，测量ZPW.PT1700调谐匹配单元首端铜板端子U1对地电压和隔离变压器室内侧端子对地电压U2。调谐匹配单元铜端子U1上施加电压波形峰值为1134V，隔离变压器次级线圈对地电压波形峰值为28V。建立与设备级联试验系统连接方式一致的级联计算模型，采用试验获得的施加冲击电压波形作为理想电压源激励仿真模型，仿真计算获得的隔离变压器次级线圈冲击电压响应特性与试验结果吻合，误差约为7%，如图10所示，试验测得响应波形峰值为28V，模型计算响应波形峰值为26V。
(2)设备级联差模传递特性冲击试验及模型验证
建立由ZPW.PT1700调谐匹配单元、信号电缆、2km电缆模拟单元、隔离变压器组成的设备级联系统，开展设备级联系统差模传递特性试验，其中，信号电缆长108.5m。
雷电脉冲发生器用可产生1.2/50μs-8/20μs组合波的KV1103B-G-20型发生器，冲击电压幅值测量采用泰克TektronixP5100A探头，记录示波器采用带宽500MHz的泰克DPO3032示波器。
设备级联完成后，将1.2/50μs-8/20μs雷电冲击电压波施加到调谐匹配单元首端两个铜端子U1U2之间，末端E1E2端子与8芯SPT电缆红色四线组中的红色和绿色连根芯线相连接，电缆两个芯线末端与2km电缆模拟单元相连，隔离变压器的初级线圈与电缆模拟单元的输出端子相连。调谐匹配单元两个铜端子施加电压波形峰值为560V，隔离变压器次级线圈对地电压波形峰值为740V，级联系统放大了差模干扰信号。建立与设备级联实现系统连接方式一致的级联系统计算模型，采用试验获得的施加冲击电压波形作为理想电压源激励仿真模型，仿真计算获得的隔离变压器次级线圈冲击电压响应特性与试验结果吻合，误差约为8%，如图11所示，试验测得响应波形峰值为740V，模型计算响应波形峰值为680V。
4结论
(1)针对雷击电磁脉冲为宽频分布的特点，研究了基于黑箱技术的铁路信号设备雷击瞬态过程建模方法，采用宽频宏模型建模方法，将端口散射参数转换为导纳参数，然后对设备端子短路导纳频率特性曲线进行数值逼近，获取设备传递函数,依据传递函数构建设备瞬态等效电路模型。以调谐匹配单元为例进行建模分析，并采用雷电冲击差模传递特性试验进行了试验验证，验证建模方法有效。
(2)通过建立多设备级联的模拟雷击试验系统，并对多设备级联系统开展雷电冲击共模、差模传递特性试验，得到级联系统对雷击共模传递特性及差模传递特性：级联系统对共模雷电冲击信号的衰减主要依靠隔离变压器，对差模雷电冲击信号无明显衰减作用。对级联系统模型的有效性进行了验证,通过对比多设备级联雷电冲击共模、差模传递特性试验结果与模型计算结果，误差不超过8%，基本满足工程应用需求。
(3)掌握雷击电磁脉冲在信号系统的瞬态传输特性，在此基础上实现可靠的防护，对实现高速铁路全天候正常运行具有重要的工程价值和社会效益。——论文作者：王州龙
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