李 洋
(中国铁道科学研究院标准计量研究所,北京 100081)
摘 要：铁路计算机联锁系统在进行动态模拟雷击试验时,电源端口和采集驱动端口最容易出问题,主要原因是对试验方法以及采集和驱动电路工作原理的不了解；结合雷击试验标准的要求,分析计算机联锁系统采集和驱动电路的工作原理,详细介绍铁路计算机联锁系统电源端口和采集驱动端口的模拟雷击试验方法,并对试验过程中需要注意的问题及结果评定进行说明,为以后铁路计算机联锁系统的防雷设计提供参考依据。
关键词：铁路信号；计算机联锁；采集；驱动；雷电冲击试验
Abstract： In the dynamic simulation of lightning test, the power port and the acquisition and drive port of the railway computer interlocking system are most likely to be damaged. The main reason is the failure to understand the test method and acquisition and drive circuit working principle. This paper analyzes the working principle of the acquisition and driving circuit according to the requirements of test standards, introduces in detail the lightning test method for the power port and the acquisition and driving circuit and addresses the fundamentals of the test and test result assessment, which may provide some references for lightning protection design of railway computer interlocking system.
Key words： Railway signals; Computer interlocking system; Acquisition; Drive; Lightning impulse test
伴随着我国现代化高速铁路的快速发展，由微电子元器件和高精密集成电路组成的铁路信号系统广泛投入使用，其中，保障行车安全的铁路计算机联锁系统尤为重要；为了保障系统的可靠运行，减少系统在雷电环境中的损坏，必须通过试验的方式，模拟系统正常工作状态下的雷击环境，考察系统中电子设备对雷击产生的浪涌过电压的耐受能力，从而不断对系统进行改进和提高。
现阶段，铁路计算机联锁系统的模拟雷击试验主要依据《铁路信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件》(TB/T 3074—2003)，但该标准中对电源及信号端口尤其是采集驱动端口的雷击试验方法规定的并不详细，再加上对计算机联锁系统采集驱动电路原理的不了解，很多实验室在模拟雷击试验时无从下手，或者按照错误的接线方式进行，没有真正意义上去验证受试端口的耐雷击性能，从而造成大量的重复性和无意义的工作，降低了试验效率。
结合《电磁兼容 试验和测量技术 浪涌(冲击)抗扰度试验》(GB/T 17626.5—2008)中的试验方法，分别给出了铁路计算机联锁系统的电源端口和采集驱动电路端口的模拟雷电冲击的试验方法，并对试验过程中存在的问题进行了分析说明。
单相交流/直流电源端口模拟雷击试验的原理如图1所示。
雷电脉冲发生器输出的耦合方式包括直接耦合、电容耦合和放电管耦合；直接耦合多用于被测设备断电状态下的浪涌试验，电容耦合和放电管耦合用于通电设备的浪涌试验，其作用是避免辅助供电设备及受试设备的工作电压直接施加到雷电脉冲发生器的放电回路，影响发生器输出波形。去耦网络的作用是为避免高压试验浪涌对为受试设备提供电源的非受试设备产生不利影响，同时提供足够的去耦阻抗，以便将规定的浪涌波施加到受试设备端口；通常采用LC反向滤波器电路来实现，如图1所示；也可以采用1∶1防雷变压器和线间LC电路组合的方式来实现，如图2所示。
图1 电源端口模拟雷击试验原理(反向滤波去耦)
图2 电源端口模拟雷击试验原理(防雷变压器去耦)
因为雷电脉冲发生器输出低压端L0是与大地相连的，在电源端口雷击试验过程中，线-地试验(纵向)转换为线-线试验(横向)时，通常情况下冲击发生器的高压接线端Hi不动，将低压接线端L0从EUT的地线接到另一路线路，而连接的线路有可能是火线，也有可能是零线，检验人员如果没有注意区分，会出现将冲击发生器的低压接线端接到火线的情况，相当于火线与地线连接短路；施加隔离变压器的作用就是将供电侧电源悬浮，防止这一现象的发生。另外，如果去耦方式选用防雷变压器，转移系数越小越好，并且防雷变压器的金属外壳一定要接地。
耦合方式一般选择放电管耦合或电容耦合，放电管耦合可以将脉冲发生器的放电回路和辅助供电设备完全隔离，但缺点是需要较高的启动点火电压，并且通过放电管耦合输出的试验波形会出现比较明显的失真；电容耦合在面对交流电源或高频通信时，虽然无法在电气上做到完全隔离，但如果选值合适，还是能做到良好的隔离效果，此外，通过电容耦合输出的试验波形产生的畸变远比使用放电管时要小。图3为4/300 μs标准试验波通过放电管耦合及电容耦合输出的波形比较。
在使用电容耦合的情况下，加在雷电脉冲发生器放电回路两端的电压随着耦合电容值的减小而降低，选取的电容值越小，对放电回路的保护效果越明显；GB/T 17626.5—2008中要求使用18 μF电容，但由于不同试验室使用的冲击发生器放电回路结构不同，致使放电回路的端口阻抗也各有差异；在实际试验过程中，耦合电容的选择还应该考虑当前发生器放电回路的端口阻抗，如果阻抗过大，会导致加在放电回路端口的压降过大，此时适当的减小耦合电容值是一个有效的解决办法。
图3 4/300 μs脉冲波通过放电管耦合及电容耦合输出的波形
电源端口的去耦网络通常采用LC反向滤波器电路来实现，为了使加到设备端的交流电压无明显衰减，电感量应该越低越好；GB/T 17626.5—2008/IEC 61000—4—5：2005《电磁兼容 试验和测量技术 浪涌(冲击)抗扰度试验》中要求去耦电感不超过1.5 mH，但是，经过大量的数据分析，电感值的变化对不同的试验波形会产生不同的影响，在实际试验过程中，还需要根据试验波形来选择合适的电感参数。
对于半峰值时间较长的脉冲波形，例如4/300 μs电压波，试验波形随着去耦电感的减小而发生变化，电感值越低，脉冲波形的半峰值越小；当电感值在50 mH以上时，脉冲波形变化较小，变化量在标准要求的范围内；当电感值小于10 mH时，脉冲波形会产生严重畸变，不能满足试验要求。波形变化如图4所示，从图4可以看到，脉冲波形随着去耦电感值的减小发生畸变，当电感为10 mH时，波形严重畸变，不能用于试验。所以，对于半峰值时间长的脉冲试验波，去耦电感值的选择应该不低于10 mH。
图4 去耦电感的变化对4/300 μs脉冲试验波形的影响
而对于半峰值时间较短的脉冲波形，例如1.2/50 μs电压波，则对电感量的变化不是那么敏感，只有当电感值小于0.1 mH时，脉冲波形才会产生严重畸变。波形变化如图5所示，所以，对于半峰值时间较短的脉冲试验波，去耦电感的取值可以不超过1.5 mH。
图5 去耦电感的变化对1.2/50μs脉冲试验波形的影响
去耦电容对试验波形及电源输出影响较小，但为了与去耦电感组成低通滤波器限制反向过压冲击，建议与去耦电感搭配取值，最大不超过50 μF。
施加耦合去耦的根本目的是阻止不同设备之间电气元器件相互关联，保证设备在无干扰的情况下正常工作；但由于耦合去耦网络主要是由电感、电容及放电管等电子器件组成，而不同的试验，受试设备和辅助设备的电路结构也千差万别，所以不可能有一套统一的耦合去耦网络适用各种试验状态；在任何一项雷电冲击试验进行前，都需要对使用的发生器的放电回路结构、受试设备工作阻抗、辅助设备端口耐受能力等有所了解，然后选取合适的电子器件组成耦合去耦网络，在未连接受试设备前调好试验波形，通电后保证设备正常运行一段时间后再施加冲击。
铁路计算机联锁系统是以保障行车安全为设计目的，所以与其他电子系统采集模拟量不同，它是采集安全型继电器的电气节点，并通过给继电器励磁电路通电的方式驱动继电器。
计算机采集继电器状态的工作原理如图6所示，电路采用了2个光电耦合器GD1和GD2，采集板输出线路连接继电器的电气节点。当继电器处于吸起状态时，直流24 V电压加到GD1的集电极，计算机先向GD1输出一个高电平信号“1”，使GD1导通，GD1的集电极输出一个低电平到GD2，这时，GD2截止，输出一个高电平“1”供计算机读入；然后，计算机再向GD1输出一个低电平“0”，使GD1截止，GD1的集电极输出一个高电平到GD2，这时，GD2导通，输出一个低电平“0”供计算机读入；所以，当计算机输出脉冲串1010信号，读回1010脉冲信号，计算机判断该继电器处于吸起状态。如果继电器断电落下，计算机输出任何信号，GD2始终处于截止状态，输出一个稳态的高电平信号(1111)供计算机读入，此时计算机判断继电器处于落下状态。
图6 计算机动态采集电路原理
该电路采用电平变换的闭环电路来检测继电器状态，用一个脉冲串代表变量的动态(即继电器吸起状态)，用稳态的高电平代表变量的静态(即继电器落下状态)，由于电路故障时很难产生稳定的脉冲串，所以可以实现故障-安全；另外电路采用了光耦合器，防止电路故障时计算机输出脉冲串到输入端，以及电源隔离及抗干扰的作用。
计算机驱动继电器动作有两种方式，一种是采用光控可控硅驱动电路，其工作原理如图7所示，驱动板输出线路连接继电器励磁电路正极。驱动继电器时，计算机输入一序列脉冲串，脉冲电压经过光电耦合器，使光敏三极管导通，输出的信号经过C1去掉直流分量，并由C2、D1、D2构成的电路整流滤波后，施加在光可控硅T的两端，使光可控硅初级稳定发光，次级可靠导通，继电器线圈通电，驱动继电器吸起；当计算机没有输出时，光敏三极管处于截止状态，光可控硅初级两端无电压，次级不导通，从而使继电器线圈断电，继电器落下。
图7 光控可控硅驱动电路原理
另一种是采用变压器输出驱动电路，其工作原理如图8所示，驱动板输出线路连接继电器励磁电路的正负极。驱动继电器时，计算机输入一序列脉冲串，脉冲电压经过光电耦合器，使光敏三极管导通，驱动晶体三极管T1工作，动态的脉冲电压加到晶体管集电极上的脉冲变压器，使变压器初级线圈有电流流过，次级产生感应电压，然后经整流后输出直流电压驱动继电器吸起；当计算机没有输出时，光敏三极管处于截止状态，T1集电极无脉冲电压输入，继电器断电落下。
图8 变压器输出驱动电路原理
无论是上述哪种驱动电路，基本要求都一致，即当输入侧有脉冲电压时，输出侧给出一个具有一定驱动能力的高电平，以驱动安全型继电器吸起；当没有脉冲电压输入时，输出侧给出一个低电平，该电平不能吸起继电器，由于电路故障时很难产生稳定的脉冲串，所以可以实现故障-安全。
铁路计算机联锁系统中，每块采集板卡上共输出32路采集线(L1～L32)，分别与继电器的前后节点相连，系统电源柜内的直流电源“+”作为公共回线连接继电器的中节点，“-”作为系统内部跳线连接到采集模块的电气地(GND)，每路采集的工作原理可以参考图6；根据雷电电磁感应原理，浪涌过电压主要通过外引出线感应到受试设备，所以应该施加浪涌的线路为L1～L32以及电源“+”线，电源“-”线因为是系统内部走线不引出机柜，所以试验时可以不用考虑。试验方法如图9所示。
图9 计算机联锁系统采集电路模拟雷击试验方法
试验主要依据《电磁兼容 试验和测量技术 浪涌(冲击)抗扰度试验》(GB/T 17626.5—2008)及《铁路信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件》(TB/T 3074—2003)。按照标准要求，采集模块输出为非屏蔽不对称互连线，应该对每一线路和地之间进行纵向冲击，对线路和线路间进行横向冲击；在试验过程中，如果每条采集回路的设计结构完全一致，为了提高试验效率，可以仅选取其中几条线路进行试验(建议至少选取2条采集回路，分别模拟采集时的吸起、断开2种状态，对其施加线-地/线-线冲击试验)。
通过图6可以分析得到，采集线路的雷击浪涌主要从晶体三级管集电极端注入，在GD1的集电极连接点产生一个瞬态高压脉冲，考验该元器件与防雷地之间的耐受能力；另外，在电路设计过程中，严禁将电源“-”级和防雷地共地，因为晶体管集电极和发射极之间的耐过电压能力远小于集电极和绝缘层之间，更容易被击穿。
目前计算机联锁系统驱动电路主要采用光控可控硅驱动电路和变压器输出驱动电路，两种电路的工作原理完全不一样，前者类似一个开关，通过可控硅控制直流电源模块的通断提供直流电压；后者则是通过变压器将感应到的脉冲电压整流后直接输出。
光控可控硅驱动电路的模拟雷击试验方法如图10所示，它同采集电路类似，每块驱动卡上输出16路驱动线与继电器线圈正极连接，系统电源柜内的直流电源“-”作为公共回线连接继电器线圈的负极；直流电源“+”作为系统内部跳线与采集板上的集电极和可控硅相连，每路驱动的工作原理可以参考图7；根据雷电电磁感应原理，浪涌过电压主要通过外引出线感应到受试设备，所以应该施加浪涌的线路为L1～L16以及电源“-”线，电源“+”线因为是系统内部走线不引出机柜，所以试验时可以不用考虑。
图10 计算机联锁系统光控可控硅驱动电路雷击试验方法
类似采集电路，光控可控硅驱动电路的驱动模块输出为非屏蔽不对称互连线，应该对每一线路和地之间进行纵向冲击，对线路和线路间进行横向冲击；在试验过程中，如果每条采集回路的设计结构完全一致，为了提高试验效率，可以仅选取其中几条线路进行试验(建议至少选取2条驱动回路，模拟继电器上电和掉电两种状态，对其施加线-地/线-线冲击试验)。
通过图7可以分析得到，驱动线路雷击浪涌主要从可控硅负极性注入，在光可控硅T的负极连接点产生一个瞬态高压脉冲，考验可控硅元件与防雷地之间的耐受能力，如果一旦被击穿，则会无法正常驱动继电器。
另一种变压器输出驱动电路的雷击试验方法如图11所示，直流电源仅作为直流偏置电路接入驱动模块，保证晶体三级管处于导通放大状态；脉冲电压经过变压器后整流变成直流信号连接到继电器线圈的正负极，用以驱动继电器；每块驱动板上以正负为一组成对的输出16组连接线(“LJF1-LJZ1”～“LJF16-LJZ16”)，没有公共回线。根据雷电电磁感应原理，浪涌过电压主要通过外引出线感应到受试设备，所以应该对每组连接线进行模拟雷击试验。
图11 计算机联锁系统变压器输出驱动电路雷击试验方法
如果驱动模块输出采用双绞线或其他形式的对称电缆，按照标准要求，应分别对每组线中的每根线对地进行冲击，考虑到理想状况下对称线间不会感应出雷电电磁脉冲，所以不进行线-线间的横向冲击；如果输出采用非对称电缆，则要增加线-线间的冲击试验。
通过图8可以分析得到，驱动线路雷击浪涌主要沿着继电器线圈的正负极侵入，首先会在整流电路的两端对地产生浪涌过电压，考验整流电路的耐过电压能力，如果元器件一旦击穿损坏，就没有稳定的驱动电压输出，导致继电器失电落下。
如前所述，联锁系统正常工作时，除了变压器输出驱动电路外，其他采集和驱动电路均会采用联锁系统内部的直流电源的正极或负极作为一个公共回线，根据雷电电磁感应原理，在直流电源的正负极端口同样会产生浪涌过电压，所以建议对计算机联锁系统的直流电源模块也要进行模拟雷电冲击试验，以保证电源模块的稳定性。
此外，在模拟雷击试验开始前，要根据施加冲击的电路结构，选择合适的耦合方式，防止以下2种情况所带来的问题。
(1)冲击发生器的输出低压端往往是接地的，如果联锁系统的直流电源模块不是隔离输出而是采用负极接地的形式，则在试验过程中很容易出现发生器的低压端连接直流电源模块的正极，导致直流模块的损坏。
(2)冲击发生器等试验设备的放电回路一般均由阻值较低的电阻及电容元器件组成；在试验过程中，如果直接把发生器输出接到受试设备，相当于无形中在受试设备输入或输出端并联了一个小电阻，会影响受试设备本身的工作状态。例如，在计算机联锁采集电路线-线间进行雷击试验时，如果直接把冲击发生器接入采集线1和采集线2之间，会使原本没有采集信息的线路与处于采集状态的线路连通，导致面板采集指示灯误点亮。
为了防止上述现象的发生，在试验过程中，冲击发生器可以通过气体放电管耦合输出的方式施加浪涌；但是如果联锁系统隔离良好，使冲击发生器的接入不会影响设备正常工作，则可以采用直接耦合的方式施加，毕竟，耦合元器件的接入会造成脉冲试验波形的失真，影响试验的准确性。
铁路计算机联锁系统动态雷击试验的目的是评估系统中电子设备对浪涌环境的响应情况，通过在与外部连线的端口施加浪涌过电压，来观察系统的反应情况。浪涌作用到计算机联锁系统引起的后果可分为以下四类。
(1)无察觉得到的变化。没有可观测到的变化说明被测设备可以耐受相应的浪涌测试，设备在特定的限值下可以正常运行，无功能或性能损耗。
(2)扰动或干扰。这一后果可分为3种程度：轻微的，功能暂时性的丧失(可接受的)，但没有错误操作；严重的，暂时的故障运行(可自恢复的)；相当严重的：暂时的故障运行(需要人工干预或系统复位)，间隙闪络但没有引起相邻固体绝缘损坏的情况也可以归入此类。
(3)损坏。包括轻微的和明显的。这一后果多为设备物理硬件击穿损坏而无法正常运行。
(4)间接损害。包括设备在浪涌作用下会对周围物体造成损害的可能性，可能发生火灾或爆炸。
在计算机联锁系统浪涌环境的测试过程中，其结果的评定不能对系统中所有设备都提出一个普遍的耐受水平，要根据设备的安全等级和运行任务来确定哪些结果是可以接受的，哪些结果是不能允许出现的。
例如对于干扰或扰动的评定，轻微的干扰，包括数据丢包重发，显示器闪屏，驱动采集指示灯受干扰闪烁等，这些现象不会对系统功能的实现造成影响；严重的干扰，包括数据传输暂时中断、显示器黑屏几秒后点亮等，这些现象会短暂的影响系统功能，但无需人为干预后能自行恢复；相当严重的干扰，包括吸起状态的继电器落下，操作软件死机，电源空开跳闸等，这些现象导致系统工作中断，需要人工干预或重启计算机。对以上种种现象的评定就需要分类对待，对于安全等级高的系统，可能轻微的干扰就是不被允许的，而对于安全等级较低的设备，可能严重的干扰也是可以接受的。
为了客观模拟铁路计算机联锁系统正常工作情况下遭遇雷电冲击所反映出的状况，试验需要在系统正常工作时施加模拟雷电脉冲波，这种情况就需要注意以下两个方面。
(1)采取相关的措施，防止施加到被测设备上的过电压脉冲影响为被测设备供电或进行数据交换的其他辅助设备或系统。
(2)保证为被测设备供电或进行数据交换的辅助设备不对雷电脉冲发生器的放电回路造成干扰或损坏。
交直流电源模块和采集驱动控制电路是铁路计算机联锁系统的核心组件，对铁路行车安全起着至关重要的作用。如何合理的、有效的通过实验来提高这些电路在雷电电磁环境中的抗干扰能力是本文的重点。为了达到这一目的，就必须对电源模块和采集驱动电路的工作原理有所了解，找到雷电电磁脉冲的引入途径，在正确的位置施加防护手段或提高绝缘等级，不盲目接地，最终通过反复地模拟雷击试验来验证产品的可靠性。
此外，铁路计算机联锁采集和驱动电路的形式有很多种，本文只是选取了几个有代表性的电路进行分析，在以后的试验过程中，面对不同的电路结构，可以参考本文的分析方法；首先了解电路的工作原理，然后绘制受试设备与外界的接线图，找到雷电电磁脉冲的引入途径，最后结合标准要求，有针对性地施加雷电冲击，合理、高效地完成试验。
参考文献：
[1] GB/T 17626.5—2008/IEC 61000-4-5：2005，电磁兼容试验和测量技术 浪涌(冲击)抗扰度试验[S].北京:中国标准出版社，2008.
[2] GB/T 16927.1—1997，高电压试验技术 第一部分：一般试验要求[S].北京:中国标准出版社，1998.
[3] GB/T 3482—2008，电子设备雷击试验方法[S].北京:中国标准出版社，2008.
[4] TB/T 3074—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.
[5] GB/Z 21713—2008，低压交流电源(不高于1 000 V)中的浪涌特性[S].北京:中国标准出版社，2008.
[6] GB/T 21431—2008，建筑物防雷装置检测技术规范[S].北京:中国标准出版社，2008.
[7] 赵志熙.计算机联锁系统技术[M].北京:中国铁道出版社，1999.
[8] 付茂金，邱传睿等.高速铁路通信信号综合防雷技术[M].北京:科学出版社，2014.
[9] 胡翔骏.电路分析[M].北京:高等教育出版社，2001.
[10] 郭锡斌.雷电对铁路信号设备的危险影响及其防护[M].北京:北京大学出版社，1991.
[11] 张小青.建筑物内电子设备的防雷保护[M].北京:电子工业出版社，2000.
[12] 张铮.Matlab程序设计与实例应用[M].北京:中国铁道出版社，2003.
[13] 简克良.高电压技术[M].北京:中国铁道出版社，1989.
[14] 胡翔骏.电路分析[M].北京:高等教育出版社，2001.
[15] 李洋，李博.铁路电子系统雷击试验耦合去耦网络的研究[J].铁道技术监督，2015(7):23-26.
[16] 李洋.浪涌发生器放电回路的分析与讨论[J].铁道技术监督，2014(8):23-26.
LI Yang
(Institute of Standards and Metrology, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)
中图分类号：U284.3
文献标识码：A
DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.10.033
收稿日期：2017-01-12；
修回日期：2017-02-06
作者简介：李 洋(1984—)，男，助理研究员，2013年毕业于北京交通大学电子与通信工程专业，工学硕士，E-mail：thliyang@hotmail.com。
文章编号：1004-2954(2017)10-0167-06
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