鐵路信號(hào)設(shè)備防雷技術(shù)探討

吳雄升

摘要：高鐵以及動(dòng)車的出現(xiàn)使得人們的出行更加方便，可是一個(gè)個(gè)沉痛的教訓(xùn)告訴我們，鐵路系統(tǒng)的可靠性事關(guān)人民群眾的生命安全，是不容有失的。文章著重探討先進(jìn)的鐵路信號(hào)設(shè)備在雷雨中如何有效防范電磁干擾、如何防止電磁脈沖破壞電子設(shè)備，并將論述具體的防雷電干擾實(shí)施方案以及如何進(jìn)行有效的維護(hù)和管理。

關(guān)鍵詞：高鐵；鐵路系統(tǒng)；信號(hào)設(shè)備；防雷電

中圖分類號(hào)：U284 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）10-0061-03

鐵路信號(hào)設(shè)備是列車安全和提高運(yùn)輸效率的重要保障，我國(guó)鐵路事業(yè)的發(fā)展帶動(dòng)了鐵路信號(hào)設(shè)備的發(fā)展。由于精密儀器的弱電工作環(huán)境會(huì)被強(qiáng)電磁脈沖干擾，因此，鐵路信號(hào)設(shè)備防雷技術(shù)的研究將有利于提高列車運(yùn)行安全和運(yùn)輸效率。

1 雷電的危害性及防雷的必要性

雷電對(duì)鐵路信號(hào)設(shè)備的危害可分為兩類，即直擊雷危害和感應(yīng)雷危害。所謂直擊雷危害，就是在雷電活動(dòng)期間，雷電對(duì)鐵路附近的建筑設(shè)施、信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備、線號(hào)傳輸線路以及鐵軌等進(jìn)行直接雷擊，使這些設(shè)備和建筑等被破壞，進(jìn)而影響鐵路信號(hào)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。而感應(yīng)雷危害，則是指雷云之間或是雷云對(duì)地進(jìn)行放電時(shí)，會(huì)在附近的鐵路信號(hào)設(shè)備、信號(hào)傳輸線路等之間產(chǎn)生靜電干擾或是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，對(duì)線號(hào)傳輸線路或是鐵路信號(hào)設(shè)備產(chǎn)生危害，使它們不能正常工作。常見的感應(yīng)雷可分為靜電感應(yīng)雷和電磁感應(yīng)雷兩大類，它們?cè)聿煌?，但都?huì)影響鐵路信號(hào)系統(tǒng)的正常工作。一般情況下，直擊雷對(duì)鐵路信號(hào)設(shè)備造成的危害要比感應(yīng)雷更為嚴(yán)重，但由于直擊雷發(fā)生的概率要比感應(yīng)雷小得多，而且具有較大隨機(jī)性，難以預(yù)測(cè)，所以防雷工作一般是針對(duì)感應(yīng)雷進(jìn)行的。

對(duì)雷電防護(hù)裝置的管理工作，要是不能認(rèn)真進(jìn)行，勢(shì)必會(huì)使雷電造成的危害進(jìn)一步擴(kuò)大。鐵道部將列出由于雷電設(shè)施維護(hù)不足和管理混亂而發(fā)生事故的管理單位名單，并追究相關(guān)責(zé)任人，并且將逐步完善防雷責(zé)任制系統(tǒng)與相應(yīng)的雷電事故發(fā)生時(shí)的應(yīng)急預(yù)案，細(xì)化防雷電設(shè)備維護(hù)責(zé)任，通過(guò)逐級(jí)負(fù)責(zé)，最大幅度地減小雷電事故發(fā)生的可能性，降低雷電干擾對(duì)鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)造成的不利影響。

2 雷電類型分析與防雷措施

想要有效避免雷電干擾對(duì)鐵路電子設(shè)備所造成的不良影響，要了解雷電入侵電子設(shè)備運(yùn)行的途徑與雷電的類型，針對(duì)不同種類的雷電危害采用不同種類的防護(hù)措施。

2.1 雷電分析

依照雷電瞬間產(chǎn)生的高壓放電破壞電子設(shè)備的方式不同，可以將干擾電子設(shè)備的雷電分為直擊雷和感應(yīng)雷兩種類別。

2.1.1 直擊雷。如果電子線路或者電子設(shè)備被雷電直接擊中，雷電將強(qiáng)電壓直接作用在設(shè)備表面，大電流瞬間直接進(jìn)入設(shè)備，這種情況稱之為直擊雷。不難想象，直擊雷擁有極高的電壓和極強(qiáng)的電流，由于直接命中，因此破壞力極大，但是這種情況出現(xiàn)的概率極低。

2.1.2 感應(yīng)雷。在帶正電的積雨云與帶負(fù)電的積雨云接觸的途中，底層的雷云會(huì)與大地感應(yīng)形成靜電場(chǎng)。這種靜電場(chǎng)和其他在電子設(shè)備附近的大型物體與雷云形成的感應(yīng)電場(chǎng)，在雷擊時(shí)刻通過(guò)其他物品，如信號(hào)傳輸電路或者其他導(dǎo)電物品，經(jīng)過(guò)傳輸進(jìn)入信號(hào)設(shè)備造成過(guò)電壓或過(guò)電流的雷電，稱為感應(yīng)雷。雷云對(duì)地或者其他傳導(dǎo)物品放電的電流與電壓決定了感應(yīng)雷的電壓幅值與電流幅值。同時(shí)，感應(yīng)雷還受到雷擊點(diǎn)與雷云對(duì)地放電位置相關(guān)。比如感應(yīng)雷出現(xiàn)地點(diǎn)土壤電阻率、傳導(dǎo)距離、感應(yīng)高度、信號(hào)設(shè)備接地電路配置的電阻大小等等隨機(jī)因素相關(guān)。因此，感應(yīng)雷需要考慮的因素很多，想要準(zhǔn)確計(jì)算感應(yīng)雷的影響非常困難。

2.1.3 橫縱向電壓概念?？v向電壓是設(shè)備和線路對(duì)地面電位差，在每條導(dǎo)線上的反射電壓。橫向電壓是指兩條導(dǎo)線和電子設(shè)備的電位差。兩種電壓都是有害電壓，嚴(yán)重影響人身安全和信號(hào)設(shè)備的正常運(yùn)行?？v向電壓會(huì)造成將設(shè)備絕緣外皮擊穿起火的嚴(yán)重影響。而橫向電壓則擊穿并短路附近的線路或者電子器件。

2.2 雷電干擾電子設(shè)備運(yùn)行的途徑

2.2.1 雷電干擾通常會(huì)侵入交流電源。強(qiáng)電流通過(guò)高壓電纜傳導(dǎo)到達(dá)高壓變壓器，如果缺乏避雷設(shè)施的防護(hù)或者避雷設(shè)備因?yàn)槿狈ΧВ瑥?qiáng)電流同樣會(huì)入侵低壓部分的信號(hào)設(shè)備線路。

2.2.2 由于軌道電路的傳輸線就是鋼軌本身，并且鋼軌在周圍環(huán)境平坦的野外，很容易因?yàn)檩^突出和距離跨度大被雷電擊中。

2.2.3 室內(nèi)信號(hào)設(shè)備同樣可以通過(guò)外部電纜被雷電入侵，因此室內(nèi)設(shè)備同樣要做好防雷工作和防雷設(shè)備的維護(hù)。

2.3 信號(hào)設(shè)備防雷

2.3.1 信號(hào)電源防雷：一般來(lái)講應(yīng)該單獨(dú)配置防雷保安

器（SPD），同時(shí)應(yīng)該有阻斷續(xù)流的性能，其中做并聯(lián)應(yīng)用的防雷器應(yīng)該隨插隨用，實(shí)現(xiàn)在線插拔。防雷保安器的所有相關(guān)指標(biāo)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等都必須達(dá)到國(guó)家相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，只有產(chǎn)品擁有強(qiáng)制檢驗(yàn)認(rèn)證證書才可以被使用。所選用的防雷保安器必須按照橫縱向防護(hù)進(jìn)行設(shè)置，分級(jí)和分設(shè)備的進(jìn)行防護(hù)。一定要在出現(xiàn)故障的時(shí)候馬上斷開電路，不能影響設(shè)備的正常工作，并且在其他異常情況都應(yīng)該主動(dòng)斷開與設(shè)備的連接，防止設(shè)備的過(guò)流。

2.3.2 室內(nèi)外信號(hào)設(shè)備防雷：室外防雷保安器應(yīng)應(yīng)安裝在外線引入處，只用沖擊通流容量大于20kA才能被選為合格的。交流電源防雷保安器其限制電壓通常小于700V，如果線路經(jīng)過(guò)中雷以上區(qū)域，其限制電壓應(yīng)該小于1000V，并接入貫通地線等可靠接地體。室內(nèi)大于50～100m的數(shù)據(jù)傳輸線路都應(yīng)該在設(shè)備接口端設(shè)置防雷保安器，如果大于100m，則應(yīng)該在線路兩端同時(shí)設(shè)有防雷保安器，同時(shí)信號(hào)機(jī)械室要進(jìn)行法拉第籠綜合接地系統(tǒng)，以有效防范可能出現(xiàn)的雷電影響。

2.4 防雷系統(tǒng)的日常維護(hù)

應(yīng)該建立完善的防雷系統(tǒng)責(zé)任制，確定相關(guān)責(zé)任人，建立健全相關(guān)雷電災(zāi)害預(yù)警方案及相關(guān)備選方案，認(rèn)真記錄好雷電災(zāi)害事故記錄。應(yīng)該檢查安裝防雷裝置重要部分的情況，如SPD系統(tǒng)的視頻監(jiān)控保護(hù)和計(jì)算機(jī)機(jī)房保護(hù)部分。具體檢查包括接閃器是否安裝完好、連接處是否牢固、接地引線是否被腐蝕以及接地部分附近地面有無(wú)不正常情況出現(xiàn)。

全面的防雷系統(tǒng)包括防直擊雷、側(cè)擊雷、感應(yīng)雷、靜電導(dǎo)除與設(shè)備接地。只有建筑物具備所有上訴防雷能力時(shí)候，才能算做防雷系統(tǒng)合格的建筑，其所有設(shè)備都應(yīng)符合國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

3 高鐵系統(tǒng)信號(hào)設(shè)備如何防雷

3.1 合理配備接閃裝置

我們?nèi)粘Ｉ钪谐３Ｌ岬降谋芾揍樑c避雷帶就是一種接閃裝置，接閃裝置還包括避雷網(wǎng)與避雷線。接閃裝置的作用就是能在閃電放電的范圍內(nèi)按照認(rèn)為指定的傳導(dǎo)線路通過(guò)防雷系統(tǒng)中的安全通道，將瞬間巨大的電流釋放到大地中，從而閃電不能任意選擇釋放電流的通道，避免隨機(jī)的放電通道損毀設(shè)備。

3.2 均壓

接閃裝置在傳導(dǎo)雷電的瞬間，傳導(dǎo)下線與傳導(dǎo)上線將產(chǎn)生極高的電位差，這種電位差可能會(huì)對(duì)防雷系統(tǒng)周圍尚處在對(duì)地零電位的系統(tǒng)產(chǎn)生閃絡(luò)效應(yīng)，使其電位差不同程度的提高，有可能損壞電路設(shè)備的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)可能對(duì)人員構(gòu)成傷害。最簡(jiǎn)單的避免此類事故的方法就是采取均壓環(huán)，通過(guò)連接對(duì)地電位的各個(gè)導(dǎo)體直到接地裝置，來(lái)達(dá)到減少閃絡(luò)危險(xiǎn)的目的。比如室內(nèi)的所有金屬設(shè)備和電氣類部件與接閃裝置距離小于規(guī)定的安全范圍內(nèi)時(shí)，就必須考慮采用粗導(dǎo)線等電位連接到接閃系統(tǒng)中。當(dāng)雷電瞬間釋放強(qiáng)電流的同時(shí)，室內(nèi)的所有設(shè)備均在同一電位，這就是“等電位島”的概念。通過(guò)統(tǒng)一室內(nèi)所有部件電位，來(lái)達(dá)到消除部件之間產(chǎn)生不良電位差現(xiàn)象的目的。除此之外等電位島還可以達(dá)到防止瞬間升高的地面電位造成的逆電位差。

如果想徹底消除雷電導(dǎo)致的巨大電位差，就一定要按照等電位島概念對(duì)部件進(jìn)行等電位串聯(lián)。比如關(guān)鍵的電源及信號(hào)電路、重要的機(jī)柜等良性導(dǎo)體都需要采用過(guò)壓保護(hù)裝置進(jìn)行等電位改造。除此之外，設(shè)備內(nèi)部之間結(jié)合面部位依然要實(shí)行等電位處理。所有的串聯(lián)線路都一定要與母線連接。

3.3 屏蔽

雷電屏蔽系統(tǒng)可以憑借金屬網(wǎng)罩或者其他導(dǎo)體形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將被保護(hù)對(duì)象隔離在靜電屏蔽區(qū)域空間。通過(guò)內(nèi)外電場(chǎng)等效疊加，達(dá)到有效屏蔽不良電場(chǎng)的目的，同時(shí)將雷電帶來(lái)的電場(chǎng)截?cái)?。?dāng)然，所有靜電屏蔽系統(tǒng)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)外殼必須良好接地。目前來(lái)講，最經(jīng)濟(jì)有效防范雷電的方法就是靜電屏蔽系統(tǒng)，其系統(tǒng)可以保障電子設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)不需要高成本。

3.4 接地

良好的接地可以讓防雷系統(tǒng)中瞬間產(chǎn)生的高電流流入地表，從而避免雷電集中對(duì)被保護(hù)物體的破壞作用，良好的接地可以有效的釋放閃電能量，緩解上下線電位差，避免逆電位差反擊的產(chǎn)生。在IEC標(biāo)準(zhǔn)和ITU相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中都明確規(guī)定，盡量避免單獨(dú)接地。其中美國(guó)IEEStd1100-1992標(biāo)準(zhǔn)表明：不應(yīng)該單獨(dú)地建立任何一種電子或其他設(shè)備與大地的連接點(diǎn)。防雷系統(tǒng)最基礎(chǔ)的部份就是防雷接地系統(tǒng)，驗(yàn)收規(guī)范中最基本的要求便是接地系統(tǒng)是否規(guī)范。再優(yōu)良的防雷系統(tǒng)，如果缺乏完善而良好的接地都不能充分發(fā)揮出其系統(tǒng)應(yīng)有的作用。同時(shí)，應(yīng)該避免用鋼軌替代地線。

3.5 分流保護(hù)

采用分流保護(hù)器，從外界來(lái)的電力電源線與數(shù)據(jù)線等導(dǎo)體線路和防雷接地系統(tǒng)之間并聯(lián)分流保護(hù)器（即避雷器）。當(dāng)雷電在線路上產(chǎn)生的過(guò)電壓通過(guò)各種導(dǎo)體進(jìn)入電子設(shè)備的同時(shí)，避雷器的電阻會(huì)瞬間同時(shí)降低，形成短路效果。此時(shí)雷電電流由于避雷器的短路效果將飛流入地面。分流后的仍然會(huì)有少部分進(jìn)入被保護(hù)對(duì)象，分流后的電流仍會(huì)產(chǎn)生不良效果，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。不過(guò)，可以通過(guò)進(jìn)行多級(jí)分流的形式，進(jìn)行有效分流，保護(hù)設(shè)備的正常運(yùn)行。通常多級(jí)分流裝置不少于三級(jí)分流防護(hù)。

3.6 躲避

躲避的概念很簡(jiǎn)單，就是在一開始鐵路系統(tǒng)選址的過(guò)程中，就要事先避開雷電事故多發(fā)區(qū)和任何易遭到雷擊的地點(diǎn)。從而從源頭上避免了工程后期增加布置防雷系統(tǒng)預(yù)算。當(dāng)遇到雷雨天氣時(shí)候，應(yīng)該有意識(shí)的關(guān)閉掉不必要的電子設(shè)備，拔掉電源插頭。

綜上所述，鐵路信號(hào)防雷電系統(tǒng)框圖如圖1所示：

4 結(jié)語(yǔ)

絕大多數(shù)現(xiàn)代鐵路信號(hào)設(shè)備已經(jīng)電子化，復(fù)雜的電子裝置能否在雷雨之中保持可靠的穩(wěn)定性，是現(xiàn)代鐵路設(shè)備科技人員急需研究的技術(shù)難題。再先進(jìn)的單一避雷系統(tǒng)也無(wú)法做到絕對(duì)的避雷，這就需要我們合理地選擇避雷系統(tǒng)，分級(jí)避雷，用多重防護(hù)系統(tǒng)結(jié)合使用的方法來(lái)盡可能多地降低雷擊或雷電干擾的風(fēng)險(xiǎn)。在保障安全運(yùn)行上多花些研究成本和設(shè)備購(gòu)置成本，會(huì)降低未來(lái)重大事故出現(xiàn)的可能性，從而隱性地降低了風(fēng)險(xiǎn)成本。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐海霞.鐵路信號(hào)防雷技術(shù)[J].安全技術(shù)與管理，2011，（2）：47-50.

[2] 胡玉烈.鐵路信號(hào)設(shè)備的防雷[J].自然與科學(xué)，2012，（7）：37-44.

[3] 鄧發(fā)正.鐵路信號(hào)設(shè)備雷電及電磁兼容綜合防護(hù)[J].鐵路通信信號(hào)，2009，（10）：167-173.

（責(zé)任編輯：吳 濤）