雷擊對鐵路信號系統(tǒng)的影響分析

盧 萍，沈懷密，王建福

(1.中國中鐵二院工程集團有限責任公司濟南勘察設計研究院，山東濟南 250012；2.沂沭鐵路有限責任公司，山東臨沂 276700；3.中鐵二院工程集團有限責任公司通號院，四川成都 610031）

0 引言

在鐵路工程系統(tǒng)中，電子設備作為一種比較常用的電子元件，在保證鐵路安全運行、提高勞動條件、提升輸送效率等方面都具有非常重要的意義。雷電作為一種自然界常見的現(xiàn)象，會影響鐵路信號系統(tǒng)，對貨物和旅客的正常輸送造成較大的影響。在這種情況下，分析雷電對鐵路信號系統(tǒng)的影響方式，對降低雷擊事故的出現(xiàn)概率具有重要意義。

1 鐵路信號系統(tǒng)受雷擊影響的類型

（1）電磁脈沖。若設置有信號設備的建筑物或裝有信號設備場所的建筑被雷電正面擊中，在信號系統(tǒng)里面會有由雷擊形成的電磁脈沖，影響鐵路信號系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。

（2）電磁感應。感應雷的形成與雷云的關系非常密切，當雷云放電或雷電在雷云間時，不遠處的戶外傳輸信號電纜線、信號路線、埋地電力線一級設備間連接都會出現(xiàn)電磁感應的現(xiàn)象。

（3）軌道電路。當信號設備的軌道電路被雷擊侵入時，由于軌道電路的傳輸線比地面的鋼軌高出很多，在地理環(huán)境因素的影響下，鐵道旁有些高大物體（大山、樹林、大橋等）很容易被雷擊中[1]。

（4）直接雷擊。是在雷電活動區(qū)域內(nèi)，直接通過建筑物的構架、鋼軌放電和信號傳輸路線而產(chǎn)生的一種電擊現(xiàn)象。

2 雷擊影響鐵路信號系統(tǒng)的途徑

2.1 雷電直擊對鐵路信號系統(tǒng)的影響

（1）雷電直擊對系統(tǒng)過電壓的影響。當信號樓被雷電直擊時,引下線（電源線、電話線、信號線）等外部避雷設施將小于50%的雷電能量泄放到大地,信號樓的供電系統(tǒng)將約40%的能量分流。其中，信號樓的通信網(wǎng)絡線纜將約5%的能量分流,剩下的由其它金屬管道、纜線進行分流。信號樓內(nèi)的布線狀況和管線結(jié)構影響能量的分配比例。當雷電直擊信號燈塔柱、軌道電路等樓外信號設備時,過電壓由設備外殼或金屬管線直接入侵到設備的內(nèi)部,信號設備被損壞。雷電直擊信號樓主要入侵途徑如圖1所示。

圖1 雷電直擊信號樓主要入侵途徑

（2）對鐵路信號系統(tǒng)產(chǎn)生的機械沖擊力影響。本文以轉(zhuǎn)轍機舉例說明雷擊機械效益所產(chǎn)生的內(nèi)部壓力，當轉(zhuǎn)轍機的外殼被雷電擊中后，就會產(chǎn)生很大雷電流熱，由于雷電放電時間極短，熱量無法短時間內(nèi)放出，機械設備的內(nèi)部就會產(chǎn)生很大的壓力，致使轉(zhuǎn)轍機出現(xiàn)爆裂的情況，影響整個信號系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）鐵路信號系統(tǒng)點動力受雷電直擊的影響。根據(jù)電磁理論可以看出，有電流的地方就一定有磁場。當載流導體的四周有磁場存在時，就會影響截流導體。圖2為當雷電擊中通向信號樓的兩根平行線時的載流導體模型。

圖2 同向電流電動力對平行截流導體的影響模型

假設平行載流導體分別為A、B，在雷擊電流的影響下，平行截流導體會向相同的方向傳遞電流i1和i2，分別從室外傳向室內(nèi)，因此，電磁對導體的影響時間很短，產(chǎn)生的作用力也遠低于導體自身的機械振動。根據(jù)安培定則進行推算：

在瞬間產(chǎn)生的雷電流在幾百千安以上后，在導體上產(chǎn)生的瞬間作用力是非常大的，在這一作用力的影響下，導線會出現(xiàn)劈裂和斷裂的情況。假如，兩個導線之間的距離為50 cm,在兩個導線上產(chǎn)生的瞬間電流均為100 kA。按照上述公式計算后可知，每一米導線大約受到了408 kN單位外力，很有可能折斷兩根導線。

（4）雷電直擊可使鐵路信號系統(tǒng)溫度過高。當鐵路的外部信號設備或者樓內(nèi)信號設備被雷電擊中后，會產(chǎn)生大于300 kA的雷電流，并且這一過程非常短，雷電流產(chǎn)生的熱效應會影響信號機、轉(zhuǎn)轍機和軌道電路，并且短時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量會使電路通路周圍的溫度突然上升，溶化非金屬物體或金屬物體。

2.2 雷電感應對鐵路信號系統(tǒng)的影響

通常情況，雷電直接擊中鐵路信號系統(tǒng)設備的概率很小,但是雷電感應產(chǎn)生的危害范圍比雷電直擊的范圍大很多。強大的電磁場因雷電流而發(fā)生變化，電磁場與導體感應出過電壓、過電流，雷電直擊形成。感應雷對信號機等鐵路信號系統(tǒng)的外部設備影響較小,信號樓內(nèi)信號系統(tǒng)受到電磁脈沖的影響比較大,如果在1 000 m的范圍有雷擊情況的發(fā)生,導體產(chǎn)生的感應浪涌強度足夠大,所以電源線、信號線等分布在信號樓內(nèi)外的設備都會感應到雷電,雷電波產(chǎn)生后侵入到信號樓內(nèi)，使信號設備的正常工作受到干擾[2]。鐵路信號系統(tǒng)被雷電感應入侵的途徑有以下幾種：

（1）入侵天線端口，感應雷以信號樓天線、避雷針或避雷網(wǎng)作為路徑入侵;

（2）入侵電源端口,感應雷以信號樓的外接電源線為侵入路口;

（3）入侵信號線端口,感應雷以信號樓外的接信號線為入侵路徑;

（4）以信號樓的鋼結(jié)構及信號設備的外殼為侵入口。

3 鐵路信號系統(tǒng)的防雷設計

一般傳統(tǒng)避雷裝置會使50%的雷電流直接泄入大地，剩下的50%將平均流入電源線、鋼軌和信號電纜等各電氣通道。接閃、引流和泄流是信號樓防直擊雷的主要部分。

3.1 選擇接閃器

避雷針是防雷電直擊采用的防護措施。通常普通的避雷針是一根鐵棒,磨尖端部,利用接地引下線把地電位(一般認為零電位)連接到針尖,利用比被保護物高很多的針尖,進行上行先導（比被保護物優(yōu)先產(chǎn)生）,與雷云的下行先導碰到,引雷入地的效應形成,防止其受到雷擊的損害。它適用于信號樓外部鐵路信號設備，可以用它來隔離直擊雷。如為了實現(xiàn)接閃，將避雷針安裝在高柱信號機防直擊雷的塔桿頂端。通常用避雷針保護整個信號樓,能夠避免直擊雷對其的損壞,但因為信號樓樓層較矮,周圍有很多高大的建筑及鐵路設備,因此安裝避雷針不是保護信號樓免受直擊雷損害的理想方法。信號樓上安裝避雷針的數(shù)量越多引雷的概率越大,受到雷電影響的概率較大,因此，為了防止信號樓被直接雷擊，應該將避雷針改為避雷線或避雷網(wǎng)，此二者可以直接攔截雷擊，用于接閃、接引雷電流，通過引下線和接地裝置泄放,防止系統(tǒng)設備受到直擊雷的損害。

3.2 設置引流系統(tǒng)

引下線構成了引流系統(tǒng),其可以連接接閃器和接地裝置,雷電直擊的泄放通道也從中產(chǎn)生,緊密與深埋地下的接地裝置連接,接閃器實現(xiàn)接地。避雷針的引下線通常都是信號樓墻體內(nèi)的鋼筋結(jié)構,但是鐵路信號樓內(nèi)的信號系統(tǒng)需要有專門的引下線。若全部雷電流的疏導僅僅靠一根引下線,避雷針進行捕獲雷電時,盡管引下線的電阻很小,但其它兩端產(chǎn)生的幾十千安的雷電流將會存在很大的電位差。假設將引下線的電阻定為10Ω,如果有10 kA的雷電流通過,引下線的上下兩端的電位差將會達到10 kV,造成周圍金屬導體產(chǎn)生旁側(cè)閃絡的情況[3]。只有利用多根引下線才能降低這種閃絡危險。為避免多根引下線的使用導致不均勻雷電流的出現(xiàn),需要設置均壓環(huán)，但需要隔一定高度設置一個,將所有的引下線連接起來。保證引下線與接閃器可靠燥接,與熱穩(wěn)定要求相一致。當使用時,對稱敷設引下線,使雷電流流入引下線中時，保證信號系統(tǒng)內(nèi)部的雷電磁場矢量和達到最小值,絕緣于系統(tǒng)高度,用最短的路與地下垂直體鏈接，同時把彎曲度降低。如果必須要將其彎曲,盡量避免將其彎成直角或銳角,防止增加雷擊時候的阻抗。

3.3 設置散流系統(tǒng)

接閃器使雷電直擊受雷,高電位的電流必須要利用散流裝置在大地上疏散，因此，散流裝置的合理設置是非常必要的。接地體和接地線兩部分組成了接地裝置。其中，接地體是指埋進大地內(nèi)，并且與土壤產(chǎn)生直接接觸狀態(tài)的金屬導體；接地線是指設備中接地的部分與接地體相連的金屬導體。接地的種類較多,室內(nèi)浪涌保護器和屋頂避雷針的接地屬于防雷接地的類型,金屬桿塔、避雷針(線)和避雷器等設備都需要與接地裝置相匹配,這樣的做法可以防止雷電產(chǎn)生大的危害，有利于將強大的雷電流直接導入到大地中，實現(xiàn)暫態(tài)雷電波與線路交流浪涌的能量順利泄放到大地的目的,有效的保護系統(tǒng)正常、設備安全及人員的安全。如果不接地裝置或接地不良，避雷設施就會失去其該發(fā)揮的功效。設置信號樓的整體接地網(wǎng),但將引下線直接埋入大地的方法可以直接用于室外信號機、道岔設備以及軌道電路等地方。

4 結(jié)語

總而言之，為防止雷擊對鐵路信號系統(tǒng)造成危害，將鐵路系統(tǒng)的作用充分發(fā)揮出來，需要進一步深入分析雷擊對鐵路信號系統(tǒng)造成的影響，并制定具體的防雷措施，從而使鐵路信號系統(tǒng)更好地為列車運行進行服務。

[1]董冰，等.電子信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖風險評估方法[J].科技創(chuàng)新導報,2008,(27)：351-352.

[2]萬平.輸電線路雷電防護的設計及在膠濟線接觸網(wǎng)中的應用分析[D].北京：北京交通大學,2007.

[3]魏帥，等.電子信息系統(tǒng)的雷電防護探析[J].黑龍江氣象,2011(28)：296-297.