鐵路信號設(shè)備防雷方案研究

張曉星

引言：隨著鐵路信號設(shè)備向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和綜合化方向發(fā)展，大規(guī)模集成電路和低耐壓器件在信號設(shè)備中大量使用，雷電所帶來的危害越來越大，對雷電的防護(hù)已成為保證鐵路安全運(yùn)輸?shù)闹匾獑栴}。綜合雷電防護(hù)方法是在全面考慮雷電損壞信號設(shè)備的各種可能途徑的基礎(chǔ)上，綜合采用外部防護(hù)、屏蔽、等電位連接、接地、合理布線、使用浪涌保護(hù)器等多種方法解決這個問題的有效措施。

一、電磁兼容與雷電電磁脈沖防護(hù)的概念

根據(jù)調(diào)查，近年來信號設(shè)備雷害概率有所增大，主要是因?yàn)槔纂婋姶琶}沖經(jīng)常通過連接導(dǎo)線，將傳導(dǎo)雷電浪涌和感應(yīng)雷電浪涌傳輸給信號設(shè)備，或?qū)⑤椛淅纂婋姶艌鲂?yīng)直接作用于設(shè)備上。由于現(xiàn)代化鐵路信號設(shè)備大量采用大規(guī)模集成電路和小型貼片電容、電阻、繼電器等微型器件，因此與傳統(tǒng)設(shè)備相比，其耐過電壓、過電流的能力極弱，即使幅值較低的雷電電磁脈沖干擾都可導(dǎo)致信號設(shè)備器件失效，造成信號設(shè)備的雷害。

近10年來，各國防雷工作者根據(jù)現(xiàn)代電氣、電子設(shè)備的雷害機(jī)理及雷電防護(hù)特點(diǎn)，將現(xiàn)代電氣、電子設(shè)備雷電防護(hù)納入電磁兼容的范疇，提出了機(jī)房屏蔽、合理布線、規(guī)范接地和裝置合適防雷保安器等系統(tǒng)防護(hù)（或稱綜合防護(hù)）的概念。所謂電磁兼容是設(shè)備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中，能正常工作且對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成能承受電磁騷擾的能力。對于信號系統(tǒng)而言，信號設(shè)備的電磁兼容是指在各種電磁環(huán)境下（包括雷電電磁脈沖環(huán)境），信號系統(tǒng)必須正常工作。顯然，除了采用傳統(tǒng)的防護(hù)方法外，還要改善信號設(shè)備所處的電磁環(huán)境。

二、改善計(jì)算機(jī)設(shè)備所處場地的電磁環(huán)境

（一）建筑物防護(hù)

雷擊時，建筑物外部和內(nèi)部都可誘導(dǎo)出雷電浪涌。內(nèi)部雷電浪涌既可由建筑物接地終端系統(tǒng)的常規(guī)接地阻抗或電纜屏蔽層電阻產(chǎn)生（通常稱為反擊），也可由電氣或電子系統(tǒng)線路構(gòu)成的回路或搭接導(dǎo)體的電感產(chǎn)生，還可由雷電通道內(nèi)流過的雷電流以及導(dǎo)體（如直擊雷防護(hù)系統(tǒng)的引下線）中流過的雷電流感應(yīng)耦合產(chǎn)生。

建筑物的外部防護(hù)仍然采用傳統(tǒng)的避雷針。含無線電發(fā)射天線的建筑物，應(yīng)當(dāng)設(shè)置避雷針以防止雷電直擊天線設(shè)備。建筑物的內(nèi)部防護(hù)包含空間屏蔽、接地和搭接。

1.空間屏蔽。衰減了雷電直接擊中建筑物或建筑物附近而在建筑物內(nèi)部產(chǎn)生的磁場，并減少了內(nèi)部雷電浪涌?？臻g屏蔽有兩方面，一方面是建筑物或機(jī)房本身的屏蔽，最好的辦法是用建筑物的自然構(gòu)件組成，例如天花板、墻和地板中的金屬加強(qiáng)鋼筋、金屬框架、金屬屋頂和金屬墻面等，構(gòu)成了格柵型的空間屏蔽。屏蔽后，電子系統(tǒng)只需安置在距屏蔽有一定安全距離的安全空間；另一方面是合理布線和線路屏蔽。合理的線路布放可以使感應(yīng)回路面積為最小，采用屏蔽電纜或電纜管道可以將電磁場部分屏蔽，減小內(nèi)部感應(yīng)影響，從而減小了電子系統(tǒng)內(nèi)的感應(yīng)雷電浪涌。

2.接地。新建電子設(shè)備機(jī)房建筑物的接地系統(tǒng)，應(yīng)采用共用接地。最常見的做法是利用建筑物基礎(chǔ)鋼筋地網(wǎng)或樁基網(wǎng)作為共用接地系統(tǒng)的基礎(chǔ)接地裝置，并在建筑物四周距基礎(chǔ)接地裝置1m處設(shè)環(huán)行接地體?；A(chǔ)接地體和環(huán)行接地體在地下至少有4處相連。值得注意的是，鋼筋混凝土建筑物的墻面鋼筋網(wǎng)既作為格柵形空間屏蔽，也兼作直擊雷防護(hù)系統(tǒng)的引下線系統(tǒng)。建筑物如共用一個接地系統(tǒng)，則必須有地網(wǎng)構(gòu)成的接地終端系統(tǒng)，而不是將幾個功能性接地裝置連接在一起的共地系統(tǒng)。改建電子設(shè)備機(jī)房建筑物，若沒有共用接地系統(tǒng)條件的，應(yīng)另設(shè)一組接地體用作保護(hù)接地。保護(hù)接地PE可與設(shè)備工作接地連接，但不得與建筑物的避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)的引下線連接。在室內(nèi)應(yīng)設(shè)置與保護(hù)接地相連的接地匯集線或稱等電位連接母線，接地匯集線根據(jù)室內(nèi)信號設(shè)備的布局可以做成條形或環(huán)形（不閉合）。

3.搭接。將建筑物內(nèi)部各系統(tǒng)所有導(dǎo)體部件（通電的導(dǎo)體除外）與接地終端系統(tǒng)相互連接并構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，其理論根據(jù)是等電位防護(hù)。相互搭接的金屬，處于宏觀上的等電位狀態(tài)。對于電子信號系統(tǒng)設(shè)備，其與接地系統(tǒng)的搭接應(yīng)當(dāng)按照國際電信聯(lián)盟的建議ITU-T K127和國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC62305-4要求，按星形結(jié)構(gòu)（S形結(jié)構(gòu)）做等電位搭接。

內(nèi)外網(wǎng)狀多點(diǎn)連接法多用在電氣和電子系統(tǒng)分布區(qū)域較大，或者分布在整個建筑內(nèi)時，各單個設(shè)備之間有許多線路，并且線路在多個點(diǎn)進(jìn)入建筑物，其他情況應(yīng)當(dāng)用S形結(jié)構(gòu)。

（二）室外設(shè)備雷電電磁環(huán)境的改善

1.將室外信號系統(tǒng)設(shè)備置于與大地連接的金屬箱、盒（最好是鐵質(zhì)）內(nèi)，金屬箱、盒必須良好接地，使得信號系統(tǒng)處于雷電電磁脈沖屏蔽中。

2.與信號系統(tǒng)設(shè)備的連接采用屏蔽電纜，電纜屏蔽必須良好接地，或者非屏蔽電纜穿金屬管敷設(shè)，金屬管與土壤直接接觸。

3.在室外信號系統(tǒng)設(shè)備集中的區(qū)域安裝避雷針，防止雷電直擊設(shè)備本身、電纜和軌道。避雷針的安裝位置必須考慮能夠避免站場內(nèi)的信號系統(tǒng)設(shè)備遭受雷擊，還要防止避雷針引雷后的雷電感應(yīng)。

尤其避雷針的地線一定要與站場內(nèi)的鋼軌、電纜徑路有一定的安全距離（一般大于20m），以避免雷電反擊。

三、安裝防雷保安器

原則上，信號電纜與信號設(shè)備的界面應(yīng)當(dāng)都設(shè)置防雷保安器。由于車站信號設(shè)備的進(jìn)線很多，建議在電纜進(jìn)入信號樓時，設(shè)置防雷柜集中防護(hù)，以便維護(hù)、更換和有問題時查找故障。防雷柜中的防雷保安器可以采用單級或多級，最后的殘壓應(yīng)當(dāng)限制在被保護(hù)信號設(shè)備端口的耐過電壓水平以下。ITU-T K20和K21建議，有條件的信號設(shè)備本身應(yīng)當(dāng)在內(nèi)部設(shè)置防雷單元，以增加信號設(shè)備本身的抗擾度。防雷保安器接入信號系統(tǒng)后，不得改變原信號系統(tǒng)的性能，不得影響被防護(hù)設(shè)備的工作，受雷電電磁脈沖干擾時，應(yīng)保證信號設(shè)備不得造成進(jìn)路錯誤解鎖、道岔錯誤轉(zhuǎn)換、信號錯誤開放等。

四、結(jié)論

綜合考慮外部防護(hù)、屏蔽、等電位搭接、接地、合理布線、使用浪涌保護(hù)器等多種方法，可以有效地改善信號設(shè)備的電磁環(huán)境，減少雷電電磁脈沖對鐵路信號設(shè)備的影響，這是一個行之有效的方法，在鐵路及其他各個領(lǐng)域中的使用已經(jīng)見到明顯效果，并得到國際上認(rèn)同。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：北京鐵路局天津電務(wù)段）