鐵路信號設(shè)備雷害分析與保護(hù)

易永貴

摘要：文章分析了鐵路信號設(shè)備普遍遭受的幾種雷電危害，為了能夠避免鐵路信號設(shè)備遭受雷害的破壞，對一般的雷害防護(hù)措施進(jìn)行了研究，首先闡述了鐵路信號設(shè)備的防雷要求，然后將鐵路信號設(shè)備的防雷分類，最后針對內(nèi)部防雷措施歸納并提出了三種主要方法，針對外部防雷措施進(jìn)行歸納并提出了四種主要方法。

關(guān)鍵詞：鐵路信號設(shè)備；雷電危害；防雷措施；雷電電磁沖擊；雷電直接沖擊 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U284 文章編號：1009-2374（2017）08-0132-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.08.063

1 影響鐵路信號的一般雷害分析

1.1 雷電電磁沖擊

雷電產(chǎn)生電磁脈沖，直接沖擊地面或者沖擊安裝信號接收和發(fā)射的地面設(shè)施，這樣的雷電通常被稱為感應(yīng)雷，是由于云層相互放電或者云地之間放電產(chǎn)生的，電磁脈沖會使信號回路和信號裝置發(fā)生過流或者過壓的情況，而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)會干擾地底深層的電力線路，戶外信號傳輸線和設(shè)備自身的電磁感應(yīng)，從而導(dǎo)致磁感應(yīng)范圍內(nèi)的相關(guān)鐵路信號設(shè)施連鎖破壞。

1.2 雷電直接沖擊

雷電發(fā)生之后由于大量電荷積聚，產(chǎn)生雷暴現(xiàn)象，在其波及的范圍內(nèi)直接入侵鋼軌、地面構(gòu)架、鐵路信號線纜。強大的電流會使擊中地點與大地產(chǎn)生高壓，并瞬間釋放巨大的熱量。這種情況會給設(shè)備造成毀滅性的傷害，但是出現(xiàn)的幾率很小，由于其波及的范圍小、發(fā)生的概率低的原因，目前對于雷暴防護(hù)的研究并沒有實際的意義。

1.3 雷電感應(yīng)

雷電感應(yīng)是比較普遍的一個現(xiàn)象，自古就有，是由于雷電產(chǎn)生的電流遇到導(dǎo)體之后產(chǎn)生強大的電流或者電壓，鐵路信號設(shè)備一般在1000米內(nèi)就會接受到雷電感應(yīng)的打擊，一般從電源端口、天線端口、信號設(shè)施鋼鐵構(gòu)架以及鐵路信號線口影響破壞，最終從外而內(nèi)的影響到鐵路信號系統(tǒng)。雷電感應(yīng)所波及的設(shè)備，除了遭到破壞性的打擊，還會造成信號設(shè)備的放電，產(chǎn)生更多的威脅。

1.4 雷擊浪涌

隨著電子信號設(shè)備的發(fā)展和廣泛運用，雷擊產(chǎn)生的電磁脈沖產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓，以傳導(dǎo)、感應(yīng)和耦合等方式入侵到鐵路建筑的信號系統(tǒng)中，暫態(tài)過電壓沿信號或者電源線路，在設(shè)備之間進(jìn)行傳輸，產(chǎn)生感應(yīng)電流并形成浪涌，包括靜電浪涌和磁感應(yīng)浪涌。其中靜電浪涌主要由于帶有負(fù)電荷的雷云與帶有正電荷的鋼鐵設(shè)備進(jìn)行感應(yīng)釋放電流，破壞設(shè)備，磁感應(yīng)浪涌則是由于閃電在空間內(nèi)產(chǎn)生與時間具有相關(guān)性的磁場，作用于通信線路并造成破壞。

1.5 雷電的機(jī)械沖擊

當(dāng)雷擊作用于兩平行的導(dǎo)體時，會產(chǎn)生巨大的安培力，物體或者導(dǎo)線會在安培力的作用下被劈開、折斷或者受到拉伸而變形。根據(jù)相關(guān)公式推導(dǎo)，對于具有折彎的金屬構(gòu)件，比如導(dǎo)線或者金屬框架，在彎折處的夾角盡量保證大，最好是鈍角，這樣才能將雷擊產(chǎn)生的電動力降低到最小，否則會導(dǎo)致構(gòu)件的折斷。雷電沖擊鐵路信號發(fā)射設(shè)施時，巨大的沖擊力會產(chǎn)生強大的熱能，水汽在預(yù)熱之后膨脹，產(chǎn)生機(jī)械沖擊的力量極大，會直接作用到周圍的設(shè)備，造成部件的破裂，阻斷鐵路信號的發(fā)生。

2 防止鐵路信號遭受雷電干擾的保護(hù)措施

2.1 鐵路信號設(shè)備的防雷要求

鐵路信號在列車的運行、鐵路的實時狀態(tài)、鐵路信息的維護(hù)等環(huán)節(jié)起著至關(guān)重要的作用。鐵路信號收發(fā)和處理設(shè)備的防雷工作十分嚴(yán)苛。

對鐵路信號的防雷設(shè)備要求在進(jìn)入信號系統(tǒng)之后，不允許干擾到原設(shè)備的工作性能，在遇到雷電沖擊之后保證信號出現(xiàn)的破壞程度不足以威脅到列車行駛安全，鐵路的信號系統(tǒng)設(shè)備能夠繼續(xù)使用。防雷設(shè)備的放電特性應(yīng)與被防護(hù)設(shè)備在絕緣耐壓水平上一致，并且防雷設(shè)備的“V-S”曲線在一定的閾值范圍內(nèi)要低于被防護(hù)設(shè)備的“V-S”曲線。對于使用分層級防雷的設(shè)備時，要逐級驗證其防護(hù)能力，對于第一級的防雷設(shè)備，一般采用大容量和快速的設(shè)備，同時保證在中級防雷設(shè)備的可靠性和連貫性，實現(xiàn)逐級防護(hù)的效果。

2.2 鐵路信號設(shè)備遭遇雷害的一般原因和防雷分類

近年來由于雷害頻發(fā)，針對具體鐵路信號設(shè)備的雷害事故分析，雷害的原因一般包括：信號樓外的信號設(shè)備沒有安裝避雷針、信號設(shè)備未接地、接觸網(wǎng)桿塔的引線與臨近的信號電纜未隔離、信號樓的接觸網(wǎng)位置較高忽略了接閃設(shè)備的安設(shè)、信號樓在遇到雷擊閃擊時室內(nèi)屏蔽效果不達(dá)標(biāo)。針對雷害分類和事故多發(fā)情況，將鐵路信號的防雷分為外部防護(hù)和內(nèi)部防護(hù)兩個方面。

外部防護(hù)主要是對信號收發(fā)設(shè)施的自身進(jìn)行防雷保護(hù)，這一類防雷舉措主要包括避雷針、屏蔽網(wǎng)、分流、接地等方法。內(nèi)部防護(hù)則是保護(hù)鐵路信號收發(fā)設(shè)施的內(nèi)部構(gòu)架，通常是采用合理布線、保護(hù)隔離、過電壓保護(hù)器、屏蔽、等電位連接來實現(xiàn)內(nèi)部設(shè)備的雷電防護(hù)。

2.3 鐵路信號設(shè)備的外部防雷措施

2.3.1 安裝避雷針。主要是在室外鐵路信號設(shè)備較密集的地方安放，避免雷電直接沖擊線纜、信號設(shè)備和鋼軌。避雷針的位置選擇需要滿足能夠使密集區(qū)內(nèi)鐵路信號設(shè)備全部避免遭受雷擊，同時確保避雷針不會因為雷電的沖擊產(chǎn)生雷電感應(yīng)。為了避免電磁感應(yīng)，避雷針的地線和密集區(qū)內(nèi)的電路布線要有大于20米的安全

距離。

2.3.2 埋設(shè)接地網(wǎng)。接地網(wǎng)或者網(wǎng)狀接地是埋設(shè)在鐵路信號樓四周的，要求所設(shè)置的接地電阻不大于1Ω。一是這樣做將電流大部分都輸入大地；二是為了防止過電壓對鐵路信號設(shè)備造成威脅。一般采用銅包鋼的物體進(jìn)行垂直接地，間隔在2.5m左右，采用直徑為10～12mm的鍍銅圓鋼進(jìn)行水平接地，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和實際的情況，埋設(shè)的接地網(wǎng)的電阻要和貫通地線連接，阻值在10Ω以內(nèi)。

2.3.3 設(shè)置屏蔽接地柵。屏蔽接地柵就是法拉第籠，將其安裝在鐵路信號源的周圍，主要材料是導(dǎo)電良好的鍍鋅銅條，并將接地網(wǎng)和其進(jìn)行連接。鐵路信號源由于是由許多小功率信號電氣設(shè)備、遙控以及低壓電子邏輯系統(tǒng)構(gòu)成，因此需要加裝特定的屏蔽網(wǎng)。根據(jù)屏蔽網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，網(wǎng)格的均壓環(huán)全部使用避雷帶，規(guī)格必須小于3m×3m，實現(xiàn)等電位連接。

2.3.4 增加防雷塔。在鐵路信號樓外的設(shè)備密集場地、信號樓的周圍增加防雷塔。防雷塔的安設(shè)應(yīng)該避免線纜的交叉，防雷塔與線纜間距的要求要滿足國標(biāo)規(guī)定的地上和地下距離標(biāo)準(zhǔn)，一般不大于3m。

2.4 鐵路信號設(shè)備的內(nèi)部防雷措施

2.4.1 電位均衡連接。雷電入侵設(shè)備時，巨大的雷電電流流入大地，在接地建筑體四周放射形呈現(xiàn)電位。如果這個時候鐵路信號相關(guān)設(shè)備進(jìn)入到這個磁場范圍，就會被因為電位差產(chǎn)生的高達(dá)數(shù)萬伏的入侵電壓進(jìn)行沖擊而干擾破壞。為了消除這個破壞力極強的電位差，就必須進(jìn)行電位均衡連接。不管是電源線后者信號線還是金屬管道以及接地線等，都要采用過電壓保護(hù)裝置進(jìn)行電位均衡連接。內(nèi)部各級防護(hù)層的接口處同樣要根據(jù)這樣的要求進(jìn)行電位均衡處理，而且各個分布區(qū)間的需要分別電位均衡，并最后與主等電位連接棒均衡相接。比如鐵路信號的內(nèi)部設(shè)備的相關(guān)金屬管線和地線以及窗柵等都建議接在地柵上，實行電位均衡連接。鐵路內(nèi)部信號設(shè)施的金屬部件連同金屬骨架可以形成一個近似的屏蔽接地柵，解決了雷電引起的破壞力極強的電位差，保護(hù)了鐵路信號發(fā)生設(shè)備。

2.4.2 分級保護(hù)。針對380V低壓線路，按照國家相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)行三級過電壓保護(hù)。一級保護(hù)是將避雷器或保護(hù)器加在高壓變壓器后端到二次低壓設(shè)備的總配電盤間的電纜內(nèi)芯線兩端；二級保護(hù)是將避雷器或保護(hù)器加在二次低壓設(shè)備的總配電盤至二次低壓設(shè)備的配電箱間電纜內(nèi)芯線兩端；三級保護(hù)是將避雷器或保護(hù)器加在重要信號設(shè)備的前端。該方法對防護(hù)器的性能提出了很高的要求，成為了影響該措施的關(guān)鍵。

2.4.3 串接過電流保護(hù)裝置。感應(yīng)雷、電磁、無線電和靜電對鐵路信號設(shè)備的干擾是浪涌的主要起因。鐵路信號設(shè)備經(jīng)常在外圍布置電線電纜，這些電纜是雷電干擾的最直接對象，需要進(jìn)行十分嚴(yán)格的保護(hù)，為了抑制信號系統(tǒng)浪涌電壓產(chǎn)生的過電流，避免過電流對微電子設(shè)備的危害，建議一般在信號線路入口處串接過電流保護(hù)裝置。

2.4.4 使用光纖傳輸。光纖的特點是傳輸過程中受到電磁的干擾小，具有很好的健壯性，對于精確可靠度高的數(shù)據(jù)通信接口，諸如計算機(jī)的接口、輸出輸入設(shè)備等使用光纖傳輸能夠更加實時安全地完成協(xié)議通信，避免雷電的干擾。

3 結(jié)語

鐵路信號設(shè)備是鐵路運營系統(tǒng)不可缺少、至關(guān)重要的設(shè)備。對于鐵路信號設(shè)備的防雷一直是相關(guān)機(jī)構(gòu)研究的重點，雖然在近幾年防雷措施取得了進(jìn)步得到了發(fā)展，但是面對雷擊事故，面對未來的高鐵快速發(fā)展，對于防雷措施的研究和鐵路信號的保護(hù)工作仍然還有很長的路要走。本文闡述的內(nèi)部防雷措施和外部防雷措施，需要彼此相互配合才能將危險降到最低，鐵路信號設(shè)備防雷與保護(hù)是一個較為綜合性的問題，需要在保障基礎(chǔ)防雷的前提下進(jìn)行更加深層次的研究。

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（責(zé)任編輯：小 燕）