DBSE技術(shù)在鐵路站場(chǎng)信號(hào)樓雷電防護(hù)上的應(yīng)用

宋霄薇　張　玲　呂　藝

（河南科技大學(xué)1）　河南洛陽(yáng)　471003　鄭州鐵路局2）　河南鄭州　450000）

DBSE技術(shù)在鐵路站場(chǎng)信號(hào)樓雷電防護(hù)上的應(yīng)用

宋霄薇1）張玲1）呂藝2）

（河南科技大學(xué)1）河南洛陽(yáng)471003鄭州鐵路局2）河南鄭州450000）

鐵路站場(chǎng)信號(hào)樓內(nèi)分布著大量與列車運(yùn)行有關(guān)的電子通訊信號(hào)設(shè)備，這些設(shè)備對(duì)直擊雷和感應(yīng)雷敏感。當(dāng)雷暴發(fā)生時(shí)，由于地理位置的特殊性，信號(hào)樓成為雷擊的高發(fā)點(diǎn)，易發(fā)生事故，從而影響行車安全，亟需防范。由于雷電發(fā)生的隨機(jī)性、瞬時(shí)性，鐵路站場(chǎng)信號(hào)樓的雷電防護(hù)是一個(gè)整體的綜合工程。DBSE技術(shù)是由分流（Dividing）、均壓（Bonding）、屏蔽（Shielding）和接地（Earthing）共同構(gòu)成的綜合防雷技術(shù)，將其應(yīng)用到鐵路站場(chǎng)信號(hào)樓的雷電防護(hù)上，能夠全面、系統(tǒng)的對(duì)信號(hào)樓進(jìn)行直擊雷和感應(yīng)雷的防護(hù)。

雷電防護(hù)DBSE技術(shù)法拉第鼠籠SPD（電涌保護(hù)器）防護(hù)

雷電是一種常見(jiàn)的自然現(xiàn)象，全世界每年都會(huì)發(fā)生幾百萬(wàn)次以上。由于短時(shí)間內(nèi)的高溫、大電流、強(qiáng)沖擊波及電磁脈沖的破壞作用會(huì)給人類的生產(chǎn)和生活帶來(lái)嚴(yán)重的危害[1]。而鐵路站場(chǎng)的信號(hào)樓內(nèi)集中了大量與列車運(yùn)行相關(guān)的電子通訊信號(hào)設(shè)備，其耐壓低，集成度高，對(duì)雷電較敏感。雷暴會(huì)使這些設(shè)備損壞，直接影響到列車行車的安全。

信號(hào)樓遭受雷擊的主要形式有直擊雷和感應(yīng)雷。當(dāng)直擊雷發(fā)生時(shí)，雷電直接擊在信號(hào)樓樓體上，瞬間有巨大的雷電流流過(guò)。樓體在極短的時(shí)間內(nèi)由于熱效應(yīng)、電效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)會(huì)發(fā)生極大損壞，甚至人員的傷亡。感應(yīng)雷也稱為“二次雷”，主要在二個(gè)方面對(duì)信號(hào)樓造成危害。一是當(dāng)信號(hào)樓周圍大地或其接地體遭受直擊雷時(shí)，會(huì)造成地電位反擊，在電氣電子設(shè)備上產(chǎn)生過(guò)電壓，使之遭到損壞。二是雷暴放電時(shí)所形成的低頻、寬頻譜的脈沖沖擊波，其電流峰值大而且隨時(shí)間變化快，能夠?qū)﹄娮油ㄐ旁O(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，影響其正常工作[2,3]。同時(shí)其能夠在樓外的電源、信號(hào)等傳輸線上產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)過(guò)電壓，如果此電壓沿線路進(jìn)入了設(shè)備內(nèi)部，將會(huì)將其燒毀[4]。

由于雷電的發(fā)生具有隨機(jī)性、瞬時(shí)性，因而其防護(hù)是一個(gè)綜合的系統(tǒng)工程。由分流（Dividing）、均壓（Bonding）、屏蔽（Shielding）、接地（Earthing）構(gòu)成的DBSE技術(shù)，能夠構(gòu)成一個(gè)完整的雷電防護(hù)體系。若將此技術(shù)應(yīng)用到鐵路站場(chǎng)信號(hào)樓的雷電防護(hù)上，可以全面、系統(tǒng)的防護(hù)直擊雷和感應(yīng)雷。

1　DBSE技術(shù)的應(yīng)用

1.1分流

雷電流在進(jìn)入信號(hào)系統(tǒng)之前，盡可能多的流入大地。

接閃器是成熟的直擊雷防護(hù)設(shè)施，接閃桿、接閃線、接閃帶和接閃網(wǎng)是常用的接閃器形式。依據(jù)需要將不同形式的接閃器置于信號(hào)樓樓頂。當(dāng)遭遇直擊雷時(shí)，由于其高于樓體而將雷電流引向自身[5]，通過(guò)下線及接地裝置將雷電流迅速分流入大地。從而承接了直擊雷放電而保護(hù)了樓體及樓內(nèi)設(shè)備。

為防止由雷電電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的過(guò)電壓、過(guò)電流，可在電源、信號(hào)等傳輸線穿越不同防雷保護(hù)區(qū)（lightning protection zone ，LPZ0～n）時(shí)安裝電涌保護(hù)器SPD。SPD是一種電子器件，通過(guò)把雷電流分流入地而使雷擊時(shí)所產(chǎn)生的瞬時(shí)過(guò)電壓降低到設(shè)備所能承受的水平，保護(hù)了電氣電子設(shè)備的安全。

對(duì)于電源系統(tǒng)可采用多級(jí)SPD，如圖1所示。前級(jí)的通流量值較大（最大通流量為20kA），后級(jí)通流量值相對(duì)較小。限制電壓則是逐級(jí)遞減。通過(guò)各級(jí)SPD間的相互配合，將傳輸線上的雷電流短路泄放至大地，雷電能量得到逐級(jí)釋放，從而使設(shè)備上的電壓箝制在安全水平上，防止了雷擊的發(fā)生。

圖1　電源系統(tǒng)多級(jí)防護(hù)

1.2均壓

即等電位連接[6,7]，是通過(guò)金屬導(dǎo)體將信號(hào)樓內(nèi)分開(kāi)的各導(dǎo)電物體電氣連接起來(lái)，使整個(gè)信號(hào)樓成為一個(gè)良好的等電位體。

通過(guò)將信號(hào)樓所有不同功能的地線（包括工作地、防雷地、防靜電地等）組成一個(gè)聯(lián)合接地網(wǎng)，形成共地等電位，從而樓內(nèi)的電子設(shè)備共用了一個(gè)接地系統(tǒng)，防止了地電位反擊。

在信號(hào)樓室內(nèi)作等電位連接時(shí)，可采用扁鋼或圓鋼制成環(huán)形水平金屬帶與防雷接地裝置相連，稱為均壓環(huán)或等電位連接帶。將顯示屏、電源屏等電子設(shè)備的屏蔽地、工作地等就近連接到均壓環(huán)上。

1.3屏蔽

用金屬網(wǎng)、金屬殼或金屬管等將電子信號(hào)設(shè)備包圍起來(lái)，成為法拉第籠。

法拉第籠包括外籠和內(nèi)籠二種形式。

外籠是由信號(hào)樓外墻體的所有立柱主筋及屋頂?shù)慕饘贅?gòu)件所形成的大空間屏蔽籠，能夠?qū)钦w罩住，形成全屏蔽。當(dāng)發(fā)生直接雷時(shí)，由于集膚效應(yīng)，雷電流將會(huì)沿墻體的立柱主筋泄流入地，大大減小了地電位反擊。同時(shí)也對(duì)樓頂接閃器的引雷泄流起到了輔助作用。

內(nèi)籠，指的是在樓內(nèi)加設(shè)電磁屏蔽間，將各種無(wú)線、有線通信弱電系統(tǒng)（其工作電源為直流48V、2V、5V等）罩住。這樣的電磁屏蔽間，不僅能夠屏蔽雷電時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射，還可以屏蔽如GSM-R（鐵路全球移動(dòng)通信系統(tǒng)）等其它電磁波，同時(shí)又制約了通信系統(tǒng)所產(chǎn)生的電磁波向外輻射，改善了樓內(nèi)的電磁環(huán)境，達(dá)到了電磁屏蔽的雙重目的。

信號(hào)樓的法拉第籠如圖2所示：

圖2　法拉第外籠、內(nèi)籠示意圖

1.4接地

使接閃器接納的雷電流迅速地流入大地，不滯留在被保護(hù)物上而導(dǎo)致破壞作用的產(chǎn)生。

接地是雷電防護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)[8]。接地體電阻值越小，雷電流泄入大地就越迅速，危險(xiǎn)性也就越低。埋入土中并與大地直接接觸的各類金屬導(dǎo)體都可以作為接地體來(lái)使用，其接地線電阻與接地體對(duì)地電阻之和稱為接地電阻值，計(jì)算時(shí)為接地體對(duì)地電壓與通過(guò)接地體流入大地的雷電流的比值。按照來(lái)源不同可分為二種：人工接地體和自然接地體。

若信號(hào)樓為現(xiàn)代建筑，其鋼框架及混凝土內(nèi)互相連接的鋼筋網(wǎng)或地下金屬結(jié)構(gòu)，只要其特性符合表3中所列材料要求，就可用做自然接地體。

表1　自然接地體材料

若信號(hào)樓的鋼筋混凝土基礎(chǔ)不適合作為接地體時(shí)，就需要單獨(dú)敷設(shè)人工接地體，為沿樓四周的一個(gè)閉合環(huán)形，包括垂直接地體、水平接地體。同時(shí)，接地體還應(yīng)具有合適的形狀和尺寸，以避免雷擊時(shí)產(chǎn)生的跨步電壓及接觸電壓。

2　結(jié)語(yǔ)

將DBSE技術(shù)應(yīng)用到鐵路站場(chǎng)信號(hào)樓的雷電防護(hù)上，使其成為一個(gè)綜合的整體工程，各防雷器件間相互配合，協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)多級(jí)、層層泄流，有效地保護(hù)了信號(hào)設(shè)備，從而使列車的行車安全得到保證，達(dá)到了雷電防護(hù)的目的。

[1]Li W , Zhao GQ , Wang P . Investigation on a typical scattered lightning strike case and response measures[J]. Meteorological and Environmental Research, 2013, 4(7): 8-9, 14

[2]魏明.雷電電磁脈沖及其防護(hù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 2012: 70-100

[3]周璧華,陳彬,石立華.電磁脈沖及其工程防護(hù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2003: 200-220

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[5]王代新,李家啟,江孟蜀.求證避雷針雷電防護(hù)機(jī)理的新探索[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011, 28(1): 46

[6]張小青.建筑物內(nèi)電子設(shè)備的防雷保護(hù)[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2000: 25-50

[7]肖穩(wěn)安,張小青. 雷電及其防護(hù)基礎(chǔ)[M].北京:氣象出版社, 2006: 20-40

[8]Yang L, Wu GN, Cao XB. An optimized transmission line model of grounding electrodes under lightning currents[J]. Science China(Technological Sciences), 2013, 2: 335-341

Application of DBSE Technology in Lightning Protection of Signal Buildings of Railway Station and Yard

SONG Xiaowei1），ZHANG Ling1），LV Yi2）
( Henan University of Science and Technology1）Luoyang471003 Zhengzhou Railway Administration2），Zhengzhou450000)

In the signal buildings of railway stations and yards, there are many pieces of electronic communication signal equipment related to the train operation, and they are sensitive to direct lightning flash and induction lightning flash. When lightening occurs, the buildings will become the “hot spot” of lightning strikes due to their special geographic location. There will be more chances for an accident that will affect the safety of train running. So the lightning protection is in need. Because of the randomness and instantaneity of lightning, lightning protection of signal buildings of railway station and yard is an overall and integrated engineering. DBSE technique is a comprehensive lightning protection technology that consists of Dividing, Bonding, Shielding and Earthing. If we introduce this technology to lightning protection of signal buildings of railway station and yard, it can completely prevent direct lightning flash and induction lightning flash to them.

lightning protectionDBSE techniqueFaraday cageSPD (surge protective device)

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A

1673-1816(2015)04-0013-04

2015-10-14

宋霄薇（1971－），女，漢，河南洛陽(yáng)人，碩士，講師，研究方向電子工程。