非電化區(qū)段鐵路設(shè)備防雷改進(jìn)方案探討

薛坤斌 上海鐵路局總工程師室

非電化區(qū)段鐵路設(shè)備防雷改進(jìn)方案探討

薛坤斌 上海鐵路局總工程師室

對非電化區(qū)段鐵路設(shè)備防雷現(xiàn)狀、存在的實(shí)際問題和近幾年因雷擊設(shè)備損壞事件進(jìn)行了深入分析,并根據(jù)國內(nèi)外防雷有效手段和措施，提出行之有效的防雷改進(jìn)建議。關(guān)鍵詞 非電化；設(shè)備防雷；改進(jìn)方案

1 概況

目前，隨著各主要干線電化改造、高鐵線路漸次開通，電化區(qū)段鐵路設(shè)備采用的防雷設(shè)施較為完備。但，在那些偏遠(yuǎn)的非電化區(qū)段鐵路設(shè)備所采取的防雷措施卻仍然非常陳舊和落后。每年雷雨季節(jié)，在因雷擊引起的這些非電化區(qū)段鐵路設(shè)備故障較多，嚴(yán)重影響行車效率和安全。

2 非電化區(qū)段鐵路設(shè)備防雷現(xiàn)狀簡述

2.1 接地形式

非電化區(qū)段的接地均為分散接地方式，且分為室內(nèi)和室外接地兩種形式。具體接地形式如下：

（1）室內(nèi)接地線共分為三種：防雷地線（接地電阻≤10 Ω、沙石地段為≤20 Ω）、安全地線（接地電阻≤10 Ω、沙石地段為≤20 Ω）、微電子計算機(jī)保護(hù)接地（接地電阻≤4 Ω）。

（2）室外僅信號防雷型軌道電路變壓器要求加裝接地線，接地電阻為≤10 Ω（沙石地段為≤20 Ω）。

2.2 防雷設(shè)備

非電化區(qū)段室內(nèi)加裝防雷設(shè)備：供電電源輸入、輸出部分加裝兩級橫向、縱向防雷模塊；通信電纜通道加裝橫向防雷模塊；信號軌道電路室內(nèi)接受端加裝簡單防雷模塊。

（1）電源防雷采用二級防雷：現(xiàn)在非電化區(qū)段的貫通電源和自閉電源為380V三相電源，所采取的防雷措施與電化區(qū)段、高鐵線路電源防雷基本一致。

（2）非電化區(qū)段的信號軌道電路多為JZXC-480型軌道電路，僅在室內(nèi)接受端電纜側(cè)加裝橫向防雷模塊。

3 實(shí)際運(yùn)用中存在的問題

由于非電化區(qū)段信號設(shè)備所采取的防雷方案考慮不全面、存在缺陷，在每年的雷雨季節(jié)均會發(fā)生設(shè)備被雷擊損壞事件。主要缺陷有如下幾點(diǎn)：

3.1 接地線設(shè)置不合理

（1）通信、信號機(jī)械室內(nèi)接地線分類太雜，接地電阻標(biāo)準(zhǔn)太低，無法滿足現(xiàn)場防雷接地要求。由于機(jī)械室多種地線均為單獨(dú)設(shè)置在房屋四周，在某個點(diǎn)發(fā)生雷擊時，易在不同地線間產(chǎn)生電勢差，從而損壞設(shè)備；同時，由于接地電阻標(biāo)準(zhǔn)要求較低，在遭受雷電感應(yīng)時，設(shè)備通過地線將瞬間感應(yīng)的電荷釋放至大地的效果不理想。

（2）各類電纜的鎧裝鋼帶、鋁護(hù)套等均未統(tǒng)一做地線，無法預(yù)防室外雷電感應(yīng)電勢串?dāng)_室內(nèi)設(shè)備。

（3）車站站房（含信號、通信機(jī)械室、供電配電室）、廣場照明燈、各類鐵塔（含通信、電信鐵塔）、室外高柱信號機(jī)、各類高柱金屬標(biāo)志牌未做接地處理，在曠野地帶基本為最高設(shè)施，在雨水淋濕水泥機(jī)柱時，易受直接雷擊。

3.2 防雷設(shè)施不完整

（1）車站站房（含信號、通信機(jī)械室、供電配電室）屋頂未采取防雷措施，易受直擊雷襲擊。

（2）信號機(jī)械室內(nèi)除軌道電路受端電纜側(cè)加裝橫向防雷模塊外，軌道電路發(fā)送端、道岔啟動/表示電路電纜側(cè)、信號機(jī)點(diǎn)燈電路電纜側(cè)等處均未加裝防雷模塊，這樣在雷電擊中室外相關(guān)設(shè)備時，已通過電纜芯線串至室內(nèi)，損壞相關(guān)設(shè)備。

（3）室外信號軌道電路變壓器、信號機(jī)變壓器也未裝防雷模塊，在雷擊中鋼軌、信號機(jī)時，易損壞變壓器，并讓雷電順利串至室內(nèi)。

4 改進(jìn)方案建議

借鑒多年來綜合防雷施工方案和在實(shí)踐運(yùn)用中不斷完善的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，結(jié)合非電化區(qū)段實(shí)際情況，提出以下改進(jìn)建議。

4.1 優(yōu)化地線配置、降低接地電阻

地線是防雷的關(guān)鍵所在，雷電擊中室內(nèi)外設(shè)備并最終需經(jīng)設(shè)備入地，否則因雷電產(chǎn)生的強(qiáng)大電荷無法釋放。直接雷擊中機(jī)械室房屋、線路設(shè)備、終端設(shè)備，放電電壓高（可達(dá)500 kV以上）、放電電流大（可達(dá)200 kA以上）、放電過程時間短（一次閃電放電時間在40 μs左右）、閃電電流波形波頭陡度大（在不到1 μs的時間內(nèi)可達(dá)100 kA，沖擊力強(qiáng)勁），所以直擊雷破壞性極大（如圖1）。為了及時消除電荷堆積，就需要及時將電荷釋放到大地。通過電磁理論研究、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場使用情況分析發(fā)現(xiàn)：接

地線接地電阻越小、導(dǎo)電率越大、截面積越大、與土壤接觸面積越大，雷擊電荷堆積越小、入地釋放時間越短，造成設(shè)備的損壞就越小。因直接雷放電的強(qiáng)大電磁場（感應(yīng)雷）作用在鄰近的導(dǎo)線或電子、電氣設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的靜電感應(yīng)過電壓和過電流以及電磁感應(yīng)過電壓和過電流等，與接地線的關(guān)系也是如此（如圖2）。針對雷電的以上特點(diǎn)，結(jié)合非電化區(qū)段的接地現(xiàn)狀，提出如下接地線改進(jìn)建議.

圖1 直接雷放電示意圖

圖2 雷電的靜電感應(yīng)示意圖

（1）補(bǔ)全接地線。

車站站房（含信號、通信機(jī)械室、供電配電室）、廣場照明燈、各類鐵塔（含通信、電信鐵塔）、室外高柱信號機(jī)、各類高柱金屬標(biāo)志牌等均應(yīng)按照相關(guān)防雷標(biāo)準(zhǔn)做好接地線。

（2）優(yōu)化設(shè)備地線配置。

室內(nèi)各類地線應(yīng)采用集中與分類相結(jié)合原則進(jìn)行設(shè)置。

信號機(jī)械室接地點(diǎn)應(yīng)按照綜合防雷標(biāo)準(zhǔn)在機(jī)械室四周統(tǒng)一做成信號設(shè)備使用的接地網(wǎng)，并將室內(nèi)的電源防雷地線、電纜鋼帶/鋁護(hù)套地線、組合架（柜）地線、分線盤防雷地線等分別引接至接地網(wǎng)。

通信機(jī)械室、供電配電室防雷接地可比照信號機(jī)械室接地方案進(jìn)行改進(jìn)。注意：供電配電室所用接地網(wǎng)不能與信號、通信機(jī)械室接地網(wǎng)連接、更不能共用，防止強(qiáng)電干擾弱電。

（3）改進(jìn)接地方式。

為了使接地電阻降低，導(dǎo)電率、截面積、與土壤接觸面積增大，結(jié)合實(shí)際情況，建議采取以下措施：

①為了接地線本身導(dǎo)電電阻較低、導(dǎo)電率、截面積較大，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)且效果良好的結(jié)果，建議室內(nèi)外各類接地線采用50 mm2銅線。

②為了增加接地極與土壤的接觸面積，機(jī)械室采用地網(wǎng)接地方式、室外采用集中設(shè)置接地極（接地網(wǎng)）結(jié)合貫通地線連接方式，這樣既增加了接地極與土壤的接觸面積又降低了接地電阻。這種接地極設(shè)置方式在沙石地質(zhì)、山區(qū)尤其明顯。

③提高接地電阻標(biāo)準(zhǔn)

為了提高接地效果，借鑒高鐵接地標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)有接地工藝，適當(dāng)將各類接地電阻標(biāo)準(zhǔn)提高為≤1 Ω，也可使用防雷接地極最新研制成果-儲能式接地裝置。

4.2 根據(jù)實(shí)際需要增加防雷設(shè)施

（1）車站站房（含信號、通信機(jī)械室、供電配電室）屋頂應(yīng)采用建筑頂層避雷網(wǎng)并做好接地處理，防止直擊雷襲擊，使屋內(nèi)人員、設(shè)備免受傷害。

（2）根據(jù)最新綜合防雷標(biāo)準(zhǔn)，在室內(nèi)各類入戶電纜側(cè)加裝相應(yīng)規(guī)格的縱、橫向防雷模塊并做好接地處理，這樣在雷電擊中室外相關(guān)設(shè)備時，通過防雷模塊的過壓、過流保護(hù)，防止感應(yīng)雷通過電纜芯線串至室內(nèi)，損害設(shè)備。

（3）根據(jù)室外軌道電路變壓器、信號機(jī)變壓器防雷需要，加裝相應(yīng)的防雷模塊，在雷擊中鋼軌、信號機(jī)時，防止感應(yīng)雷損壞變壓器、串至室內(nèi)。

5 實(shí)例分析

2014年7月12日17：50，雷擊造成宣杭線建國站IBG、4DG出現(xiàn)紅光帶，2/ 4號道岔定反位無表示。

5.1 原因分析

（1）該雷為直接擊中SF高柱進(jìn)站信號機(jī)機(jī)構(gòu)。

（2）損壞設(shè)備：SF燈泡爆裂，附近的ⅡBG、2DG的送電端XB箱內(nèi)一次側(cè)1A空開被擊碎，2#道岔尖1室外二極管組合的電阻被擊斷。

（3）雷擊線路：雷電擊中SF高柱信號機(jī)后，通過金屬梯子和被雨淋濕的水泥機(jī)柱傳導(dǎo)至附近鋼軌，鋼軌通過：分支一、軌道電路箱盒引接線傳導(dǎo)至變壓器，當(dāng)大電流欲通過一次側(cè)1A空開時，電流過大，引發(fā)空開爆裂，切斷其向串?dāng)_通道；分支二、通過潮濕的道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)桿件，沿電機(jī)轉(zhuǎn)子繞線和配線，傳導(dǎo)至二極管組合，擊斷回室內(nèi)通道的電阻，切斷其向串?dāng)_通道。

5.2 存在問題

二通道進(jìn)站信號機(jī)地處空曠地帶，且為最高點(diǎn)，機(jī)構(gòu)未做接地（非電化區(qū)段不要求做），所以當(dāng)直接雷擊中高柱信號機(jī)時無法迅速釋放到大地，于是就擴(kuò)大范圍釋放電荷，造成雷擊影響面擴(kuò)大。

5.3 改進(jìn)措施和實(shí)施效果

將非電化區(qū)段的高柱進(jìn)站信號機(jī)按照電化要求做接地處理。

6 結(jié)束語

上述非電化區(qū)段鐵路信號設(shè)備防雷改進(jìn)方案，2012-13年，寧蕪線塔橋站，北楊線張廟站，皖贛線胡樂站、黃山站防雷改進(jìn)方案均已實(shí)施到位，到目前為止，未發(fā)生一起雷擊損害設(shè)備事件，防雷效果比較明顯。

責(zé)任編輯：萬寶安 竇國棟

來稿日期：2015-01-06