应用数学论文
层次分析法论文第六篇：基于层次分析法的信号系统雷害风险评价方法
摘要：为有效应对雷电灾害的威胁，建立一套基于定量计算的、多层次分析信号系统雷害风险评价方法；根据线路信息和雷电参数信息，利用雷击瞬态模型计算信号设备接口雷击过电压，并与信号设备自身耐雷电冲击水平进行比较计算，得到信号子系统雷害风险等级；根据风险评价结果采取相应措施，规避不可接受风险。
关键词:高速铁路;信号系统;雷害;风险评价;
Abstract：To cope with the threat of lightning hazard effectively, the risk assessment method of lightning hazard in the signal system based on quantitative calculation and multi-level analysis should be established.According to line data and lightning parameters, a lightning strike transient model is used to calculate the lightning overvoltage occurring to the interface of the signal equipment and the calculation results are compared to the level of lightning impulse resistance of the signal equipment. Furthermore, the risk of lightning hazard in the signal system can be graded and corresponding measures will be taken to avoid unacceptable risk according to the results of risk assessment of lightning hazard in the signal system.
高速铁路作为大容量公共交通工具，其安全性直接关系到乘客的生命安全[1]。信号系统担负着各种行车设备的控制和行车信息的传输，在高速铁路中有着举足轻重的地位，更是保障高速铁路运营安全、杜绝事故发生的重要基础[2]。
我国高速铁路多采用高架方式，牵引供电接触网的导线对地高度明显增加，接近甚至超过了电力系统110 k V输电线路[3]，而信号设备多采用大规模集成电路和低耐压器件，耐过能量不高，对外界电磁感应更加敏感，承受雷击电磁瞬态干扰能力不强，遭雷击损坏或不正常工作的概率普遍增加。
目前，高速铁路信号系统雷电防护还局限于定性描述防护策略阶段，对现有信号系统雷电防护措施的评价主要基于经验判断，对于高铁信号系统雷害风险的认识比较模糊，许多潜在的雷害风险尚未完全掌握。而高速铁路多为长距离线路，受铁路沿线不同雷暴、土壤电阻率区域及雷电强度的影响，对信号设备造成影响的差别很大，用统一的标准来考量信号设备的防雷可靠性，容易出现防护盲点。调查发现线路信号楼内信号设备遭雷击损坏的风险程度，与设备端口的感应过电压值、信号设备自身耐雷电冲击水平及防护措施有关。
国际电工委员会率先将风险评估引至建筑物雷电防护中，提出雷害风险评估体系，核心是以雷电活动频度、地闪密度、雷暴日等数据作为风险分析因子，通过对风险因子计算进行概率统计，但这种概率统计方法并不能定量确定系统的雷害风险。华北电力大学的边凯[4]建立了高铁牵引网雷电过电压计算模型，计算了不同桥高下雷击跳闸率风险；程宏波等[5]通过确定牵引供电系统各部分雷击危险区的大小，对高铁牵引供电系统各部分遭受雷击损害的风险程度进行评估；国家电网的谷山强等[6]对高速铁路牵引供电系统雷害风险评估做了相关研究；赵淳等[7]提出了全层级电网雷害风险评价体系，但均未对高速铁路信号进行系统级的雷害风险评价方法研究。
为此，本文在获取线路信息和雷电参数信息的基础上，利用信号系统雷击瞬态模型[8]计算设备雷击过电压，并试验研究信号设备自身耐雷电冲击水平，尝试建立一套基于定量计算的、多层次分析的方法[9]，根据风险评价结果及时采取相应的防护措施，彻底规避不可接受风险。
1 信号系统雷击侵入途径
本文以CTCS-2级列控系统地面子系统（包括轨道电路、列控中心、LEU等）及联锁系统为例，介绍雷击侵入导致信号系统过电压的途径。
雷击导致信号系统过电压主要有3种途径：(1)雷击附近大地，在信号电缆内感应过电压，并传导到信号设备端口，这种情况在铁路信号系统中最为常见，室外遭受强雷击侵扰时，钢轨或电缆感应过高的雷击瞬态过电压，虽然经过一次、二次成端的屏蔽接地处理和分线柜防护，但仍有较高的雷电过电压侵入信号设备端口，典型雷电侵入信号系统途径见图1;(2)雷击附近高建筑引起地电位反击；(3)雷击远端或附近大地，在信号楼内的传输线缆上电磁耦合产生过电压。
2 信号系统雷害风险评价体系实现
建立信号系统雷害风险评价体系，可以从项目设计、实施、维护等全生命周期，对铁路信号系统防雷工作予以指导，采用更可靠的信号系统防雷方案，使信号系统雷害风险在可接受水平，以确保信号系统雷电防护安全。本文提出基于定量计算的、多层次分析的信号系统雷害风险评价方法，总流程见图2，具体流程如下。
1）雷电及线路信息获取。可采用分区段统计法，统计该区段轨道两侧一定范围、一定时间内超过一定幅值的雷电信息（即危险雷电）。线路信息包括线路特征信息、线路地理信息等。线路特征信息包括轨道高度、土壤电阻率等；线路地理信息包括高铁线路的区段坐标、经纬度坐标、海拔高度等。
2）区段内各信号子系统雷击过电压计算。根据线路危险雷电信息，结合线路地理信息、线路特征信息，利用信号系统雷击瞬态模型，计算信号设备端口雷击过电压。可采用基于频域参数提取和矢量匹配拟合技术的雷击瞬态建模方法，建立信号设备雷击瞬态模型。
图1 典型雷电侵入信号系统途径示意图
图2 高速铁路信号系统雷害风险评价总流程
3）信号子系统设备耐雷电冲击水平研究。采用试验室模拟雷击试验的方法，试验各信号系统设备端口的耐雷电冲击水平。
4）信号子系统雷害风险等级分析及评价。划分信号系统雷害风险等级，建立信号子系统雷害风险矩阵；依据信号子系统端口雷击过电压与耐雷电冲击水平比较计算结果，得到区段内各信号子系统雷害风险等级；根据风险等级分析结果，提出评价结果和防护改进措施，确定线路中易发生雷害的信号子系统。
3 信号系统雷害风险评价体系应用
以发生过雷击故障的某高铁线路为例，基于雷击故障时间段雷电监测数据，对信号系统进行雷害风险评价研究。本例中雷电参数获取自有关部门雷电监测网数据。
3.1 参数获取
1）线路信息：线路全长约21 km，分为28个段，故障发生在4-5段，为高架段，桥高16 m，轨道高度近似设定为16 m，土壤电阻率ρ=100Ω·m。
2）雷电参数：根据雷电监测数据，4-5段某日19:00:00～20:30:00时间段沿线走廊共记录发生雷击26次，120 m内雷击5次，其中超过30 k A的危险雷电共4次，分别为5号（-52.5 k A,66 m）、15号（-45.0 k A,40 m）、22号（-30.4 k A,69 m）和26号（-48.6 k A,16 m）。
3.2 信号子系统雷击过电压计算
设定条件：雷电回击电流波头时间为2.6μs，半峰值时间为50μs，通信信号电缆采用单端接地方式，考虑在严苛情况下，雷电回击通道正对位置电缆护套不接地，1 km外铠装、护套、屏蔽层接地。
利用瞬态计算模型，对危险雷电分别计算其在轨道电路系统各单元瞬态过电压值。考虑到雷击地面感应雷的作用范围、雷电监测网定位误差等因素，本文采取典型最低边界条件计算方法，对超过30 k A但未超60 k A的雷击按30 k A考虑；0～30 m范围的雷击按30 m考虑，30～60 m范围的雷击按60 m考虑，60～120 m范围的雷击按120 m考虑。分别计算雷击点距轨道30、60、120 m时，在电缆芯线及轨道电路系统各单元瞬态过电压值，见表1。结合监测数据可以得出，15号雷电在模拟网络盘末端，过电压可达到或超过5.02 k V;26号雷电在模拟网络盘末端，过电压可达到或超过10.47 k V;5号和22号雷电在模拟网络盘末端，过电压可达到或超过1.01 k V。
表1 轨道电路各单元雷击瞬态过电压值（雷电流30 k A)
对于只有室内信号传输线的设备端口，可按格栅空间屏蔽衰减模型，计算雷电在信号机房内线路感应的电压等级。假定该站信号楼机房等效冲击接地电阻为0.2Ω，雷击在距车站信号机房100 m远处，车站屏蔽为5 m×5 m的钢混结构，钢筋直径20 mm，机房内信号线与地线构成10 m×3 m的环路。通过计算可得50 k A后续雷击在信号线路内感应的电压为7 217 V,30 k A后续雷击在信号线路内感应的电压为4 329 V。
3.3 信号设备耐雷电冲击水平
采用最小系统动态冲击试验的方法，即对设备进行最小系统级联，并使之处于正常工作状态，在设备接口不加装浪涌保护器（SPD）的条件下，按照《铁路通信信号设备雷击试验方法》（TB/T3498—2018）中规定的模拟雷电冲击波形，对试验接口从低到高逐渐增加冲击电压进行冲击试验，采用示波器监测被试接口，直到设备工作状态发生故障或错误状态时，记录并确定被测接口电压波形，通过数据分析得到设备接口的耐冲击水平。
根据TB/3498—2018要求，轨道电路设备电源端口采用1.2/50～8/20μs组合波冲击试验，其他通信端口采用10/700～5/320μs组合波冲击试验。
分别对该站计算机联锁、ZPW-2000A轨道电路、列控中心等子系统进行试验室设备耐雷电冲击水平试验，得到各子系统设备耐雷电冲击水平值，见表2。几种设备纵向耐冲击水平差别较大，在2 k～4 k V之间；轨道电路CAND通信单元横向耐雷电冲击水平值很低。由前述空间屏蔽衰减模型计算结果可知，危险雷电在信号楼内传输线缆电磁耦合产生的过电压，可远超信号设备纵向耐冲击水平，会造成系统击穿损坏。
3.4 信号系统雷害风险等级分析
根据EN50126对信号系统安全等级划分的方法及ALARP原则，结合信号系统雷害风险特点，将信号系统雷害风险等级划分为R1、R2、R3和R4等级。R1为不容许的风险，R2为不希望的风险，R3为可容许的风险，R4为可忽略的风险。
表2 信号设备耐雷电冲击水平值
根据雷击过电压与设备耐雷电冲击水平比较结果，结合信号设备安装SPD的情况，将信号设备雷击严重程度也分为C1～C4共4级。C1表示信号设备未安装SPD，雷击过电压超过设备耐冲击水平；C2表示信号设备按要求安装了SPD，雷击后残压超过设备耐冲击水平；C3表示信号设备未安装SPD，雷击过电压未超过设备耐冲击水平；C4表示信号设备按要求安装了SPD，雷击后残压未超过设备耐冲击水平。
在EN50126中推荐的6×4风险矩阵基础上，结合信号设备雷害风险等级和雷击严重程度，建立信号设备雷害风险矩阵表，见表3。
经调研发现，该站信号系统设备的防护情况是：联锁子系统各接口都安装了浪涌保护器防护；列控中心驱动采集单元电源回路未合理防护，列控中心其他各接口都安装了SPD防护；轨道电路纵向都未防护，横向虽然安装了SPD，但SPD的残压远超其80 V的耐雷电冲击水平。比较设备接口雷击过电压与耐雷电冲击水平，依据比较计算结果和雷害风险矩阵，统计出不同雷击后果严重程度的数量，得到各信号子系统雷害风险等级，形成信号子系统雷害风险评价结果，见表4。
表3 信号系统雷害风险矩阵
表4 信号子系统雷害风险评价结果
1）列控中心驱动采集单元雷害风险属于R1级，风险不可以接受，必须采取强制性风险降低措施，并在运营维护中重点加强监测和分析；列控中心其他设备接口风险属于R4级，即风险水平较低，风险可以忽略，只需要在运营维护中进行定期防雷安全检查。
2）计算机联锁设备接口风险水平较低，风险可以忽略，只需在运营维护中进行定期防雷安全检查。
3) ZPW-2000A轨道电路所有接口雷害风险属于R1级，风险不可接受，必须采取强制性风险降低措施，并在运营维护中重点加强监测和分析。
经调研发现该区段某站实际雷害故障情况是：车站列控中心驱动采集单元的采集电路电源回路熔断器熔断，轨道电路4个发送盒、2个接收盒被雷击损坏，轨道电路与列控中心信号传输的CAN总线阻抗下降，轨道电路与列控中心通信故障，雷击造成的信号系统故障与本文风险评价结果基本一致。
4 结论
本文提出了基于层次分析法的信号系统雷害风险评价方法。根据雷电参数和线路信息，利用雷击瞬态模型，计算信号设备接口雷击过电压；试验研究信号设备自身耐雷电冲击水平；通过计算得到的雷击过电压与自身耐雷电冲击水平的比较，对信号系统雷害风险进行评价，最终得到信号系统雷害风险等级；根据风险等级采取相应措施，将风险评价结果用于指导高铁信号系统的防雷优化设计，从而彻底规避信号系统不可接受雷害风险，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。
参考文献
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