鐵路信號系統(tǒng)防雷措施分析及對策

周寧寧 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京電務(wù)段

隨著中國高鐵的迅猛發(fā)展，鐵路信號設(shè)備電子化程度也得到大幅度提高，大量微電子化、智能化信號設(shè)備被廣泛應(yīng)用，計算機(jī)聯(lián)鎖、列控、CTC 等設(shè)備已經(jīng)逐漸普及，但此類電子化設(shè)備的特性決定了其很容易受到雷電影響。近年來，因雷擊引起的鐵路信號設(shè)備故障也頻有發(fā)生，給正常的鐵路運(yùn)營秩序和高效運(yùn)行帶來了很大的影響。本文通過對雷擊的影響及其侵入信號設(shè)備的主要途徑、常用的防雷措施進(jìn)行分析，重點針對鐵路信號設(shè)備的防雷要求和措施進(jìn)行研究。

1 雷擊造成鐵路信號設(shè)備故障的典型案例

2003 年 6 月 17 日，一道霹靂擊中了沈陽北站的信號樓，全站信號控制系統(tǒng)基本癱瘓，造成鐵路不能進(jìn)行正常接發(fā)列車作業(yè)，十余列客車受阻北站之外，經(jīng)過鐵路工作人員2 個多小時的奮戰(zhàn)才恢復(fù)正常運(yùn)輸秩序。2004 年 6 月 23 日，受雷擊影響，兗州鐵路行車信號系統(tǒng)發(fā)生故障，從北京、天津開往上海的8 趟列車抵滬晚點。2011 年 7 月 30 日，受雷擊影響，宜萬鐵路宜昌長陽段至巴東段雙向信號燈出現(xiàn)故障，致使當(dāng)時途徑該路段的列車全部停運(yùn)，其中，恩施至北京K50次列車晚點達(dá)2 h。

2 雷害類型及常用的防雷措施

2.1 雷害的類型

（1）直接雷。雷電直接擊中信號設(shè)備，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生過電壓、過電流的稱之為直接雷。直接雷的危害較大，基本上在一瞬間就完成了對設(shè)備的損害，因為電壓和電流過高導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部無法承載，造成了破壞性極大的損傷，甚至還有可能導(dǎo)致爆炸情況的發(fā)生。

（2）感應(yīng)雷。感應(yīng)雷的損害主要是通過靜電場實現(xiàn)。雷擊發(fā)生前會先形成雷云，雷云本身具有強(qiáng)大的電場，在這種靜電場內(nèi)，即使雷電沒有擊中信號設(shè)備，依然可以通過信號線纜、大地以及任何導(dǎo)電物體進(jìn)入信號設(shè)備造成影響。鐵路信號設(shè)備中的電子元器件數(shù)量較多，受感應(yīng)雷的影響較大。

2.2 常用的防雷措施

（1）配置接閃裝置。接閃裝置就是避雷針、避雷線、避雷網(wǎng)等。用避雷網(wǎng)與避雷線為基礎(chǔ)構(gòu)成穩(wěn)定的接閃裝置，可形成安全通道，在接收到雷電電流時可在較短時間內(nèi)將其釋放至大地，嚴(yán)格約束雷電的釋放通道，實現(xiàn)對設(shè)備的防護(hù)。

（2）采用均壓措施。接閃裝置在接閃雷電時，引下來的電壓立即產(chǎn)生高電位，會對防雷系統(tǒng)周圍仍然處于低電位的導(dǎo)體產(chǎn)生旁側(cè)閃絡(luò)。為了減少這種危害，最簡單的辦法就是采用均壓環(huán)，在接閃裝置距離達(dá)不到規(guī)定的安全要求時，將處于低電位的導(dǎo)體等電位地連接起來并接到接地裝置。

（3）屏蔽。利用金屬網(wǎng)、箔、殼等導(dǎo)體把需要保護(hù)的對象包圍起來，將雷電電磁脈沖波入侵的通道全部截斷。所有屏蔽套殼均需采取接地處理措施。屏蔽是防止雷電電磁脈沖對電子設(shè)備影響最有效的辦法。

（4）接地。讓已經(jīng)流入防雷系統(tǒng)的電流順利流入大地，不讓雷電能量集中在防雷系統(tǒng)的某一處對被保護(hù)的設(shè)備造成破壞，良好的接地才能有效的泄放雷電能量。

（5）分流保護(hù)。這是現(xiàn)代防雷技術(shù)的重點發(fā)展方向，是保護(hù)各種電子設(shè)備的重要措施。分流就是所有室外來的導(dǎo)體與防雷接地裝置或者地線之間并聯(lián)適當(dāng)?shù)谋芾灼鳎?dāng)直擊雷或者感應(yīng)雷過電流順著導(dǎo)線進(jìn)入室內(nèi)時，避雷器的電阻突然降低，過電流就由這些阻值極低的避雷器分流入地了。但仍然可能有少部分電流進(jìn)入設(shè)備，所以應(yīng)該采用多級分流。

（6）躲避。躲避方式在建筑物選址階段便得到應(yīng)用，根據(jù)現(xiàn)場的情況確定雷電事故多發(fā)區(qū)，在安裝設(shè)備時避開這些地點，從源頭上避免雷電襲擊。在出現(xiàn)雷電天氣時需要視實際情況及時關(guān)閉非必要電子設(shè)備，并切除電源。

3 信號設(shè)備的防雷要求及措施

3.1 雷電侵入信號設(shè)備的主要途徑

（1）經(jīng)信號電纜侵入。鐵路信號系統(tǒng)中室內(nèi)設(shè)備是通過信號電纜與室外設(shè)備連接起來的，雷電從室外電纜侵入，傳輸至室內(nèi)設(shè)備，造成影響。

（2）經(jīng)信號交流電源系統(tǒng)侵入。雷電侵入高壓線路，隨著高壓線傳至高壓變壓器，并通過變壓器侵入交流低壓電源破壞低壓側(cè)的信號設(shè)備。

（3）經(jīng)軌道電路侵入。軌道電路用鋼軌作為傳輸線，安裝在道床上并高出地面，也容易遭受雷擊。

3.2 信號設(shè)備防雷的要求和原則

（1）信號設(shè)備的基本防雷要求。在有雷電活動的地區(qū)，交流電源外線、電子設(shè)備、軌道檢查裝置等與外線連接的信號設(shè)備必須安裝防雷裝置。

（2）信號設(shè)備的防雷原則。防雷裝置與被防護(hù)設(shè)備間的絕緣應(yīng)匹配，雷電將感應(yīng)過電壓限制到被保護(hù)的沖擊耐壓水平以下。正常情況下，防雷裝置不應(yīng)影響被防護(hù)設(shè)備的工作，受到雷電干擾時，應(yīng)保證信號設(shè)備不得錯誤動作。采用多級防護(hù)時，各級防護(hù)元件應(yīng)配置合理。

（3）信號設(shè)備防雷元件的安裝要求。室外所用的防雷元件宜安裝在線路終端，安裝要牢固可靠，便于檢測。

3.3 鐵路信號設(shè)備的防雷因素分析

鐵路信號設(shè)備防雷是個復(fù)雜的綜合工程，只靠一兩種防雷措施不可能完全消除雷擊和感應(yīng)過電流的影響，必須從雷電侵入途徑入手，排除各種不力因素，才能將雷害減少到最低程度。信號設(shè)備防雷措施需重點考慮以下幾個因素：

（1）鐵路信號設(shè)備占地面積大、分布范圍廣，很多設(shè)備分布在山區(qū)、曠野等容易遭受雷擊的地區(qū)。

（2）鋼軌是雷電電流的良好導(dǎo)體，與鋼軌連接的相關(guān)鐵路設(shè)備比如信號機(jī)，軌道電路，轉(zhuǎn)轍機(jī)等都比較容易受到影響。

（3）自動閉塞、半自動閉塞等信號條件線、控制線在非電氣化區(qū)段大都使用架空線，架設(shè)于信號與通信混合線路或者自動閉塞高壓信號線路上，它們通常暴露在曠野郊外，在雷雨季節(jié)容易遭受雷擊，線路中的大電流會侵入信號機(jī)房，從而對室內(nèi)信號設(shè)備造成損壞。

（4）室內(nèi)防雷的原則是“等電位”，經(jīng)過等電位連接，使過電壓或者過電流以最直接的路徑盡快流入大地，以達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。由于機(jī)房存在多種接地系統(tǒng)，其沖擊接地電阻不均衡，在發(fā)生雷擊時會引起地電位差，也容易造成“地電位反擊”，使人員或設(shè)備遭受損害。

3.4 鐵路信號設(shè)備的綜合防雷措施

鐵路信號設(shè)備綜合防雷措施包括室內(nèi)防雷和室外防雷兩部分，室內(nèi)防雷是為了防止感應(yīng)電侵入信號設(shè)備造成損壞；室外防雷則是為了避免建筑物或設(shè)備受直接雷擊破壞。

3.4.1 室內(nèi)防雷原則

（1）安裝過電流保護(hù)設(shè)備。在鐵路信號設(shè)備的入口處串接過電流保護(hù)設(shè)備，可以有效地防范雷電浪涌的問題，對浪涌電壓形成的過電流進(jìn)行有效的控制，從而避免電子設(shè)備受到過電流的損害。

（2）實施分級保護(hù)。外電網(wǎng)引入機(jī)房應(yīng)采取多級雷電防護(hù)，在電源線路設(shè)置三級防雷保安器。第一級設(shè)置在戶外交流電源饋線引入處，目的是將沿電源線路侵入的大部分雷電流通過此級防雷泄放入地；第二級設(shè)置在電源屏處，作用是進(jìn)一步分流殘余雷電流并將雷擊殘壓控制在電源屏設(shè)備承受范圍內(nèi)；第三級設(shè)置在計算機(jī)終端電源穩(wěn)壓器或UPS電源前端，將雷擊殘壓降至微電子設(shè)備可承受范圍之內(nèi)。

（3）確保電位均衡連接。在雷電侵入信號設(shè)備的時候，會在建筑周圍的地面出現(xiàn)強(qiáng)烈的電流，使電位呈現(xiàn)放射性，形成電位差對信號設(shè)備造成危害。因此，應(yīng)當(dāng)在電源線、金屬管道、接地線以及信號線等部分裝過電壓保護(hù)設(shè)備，以達(dá)到消除電位差的效果，實現(xiàn)電位均衡連接。

（4）采取光纖傳輸。光纖對于電磁感應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，在鐵路信號設(shè)備中，可以采取光纖傳輸?shù)姆绞健１热缭谠O(shè)備的接口處，采用數(shù)據(jù)通信接口，通過光纖傳輸來確保協(xié)議通信及時順利地完成，防止雷電的干擾。

3.4.2 室內(nèi)防雷具體措施

（1）微機(jī)系統(tǒng)通信線路防雷。在微機(jī)聯(lián)鎖、微機(jī)監(jiān)測、DMIS 等系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器雙絞線上，分別串聯(lián)一個雙絞線信息線路保護(hù)器。當(dāng)雷電入侵時，防雷器迅速聯(lián)通，建立起雙絞線路與地之間的暫態(tài)等電位連接，保護(hù)其后的路由器、微機(jī)聯(lián)鎖、微機(jī)監(jiān)測、DMIS 等系統(tǒng)的通訊口。

（2）微機(jī)聯(lián)鎖信號線防雷。微機(jī)聯(lián)鎖的上位機(jī)位于微機(jī)房，而控制臺顯示器位于行車室，它們的圖像輸入信號端由于線路較長，雷擊很容易造成雷電感應(yīng)，一旦顯示器遭受雷擊損壞將給行車安全帶來很大影響。所以要在A、B 上位機(jī)顯卡輸出口前及顯示器視頻口前分別串接一只視頻口信號防雷器。

（3）信號機(jī)電纜防雷。信號機(jī)室內(nèi)外電纜均經(jīng)由分線盤進(jìn)行連接，所以在分線盤做好防雷措施，對室內(nèi)信號設(shè)備的保護(hù)起到關(guān)鍵作用。在室內(nèi)分線盤信號機(jī)的所有去線、回線相應(yīng)的端子上，加裝防雷器作縱向防護(hù)。

（4）軌道電路電纜防雷。軌道電路室內(nèi)送、受電端分別在分線盤相應(yīng)端子上加裝防雷器進(jìn)行橫縱向防護(hù)。軌道電路室外送、受電端分別在送、受電端變壓器軌道側(cè)安裝防雷器，對軌道電路進(jìn)行橫向防護(hù)。

（5）信號電源系統(tǒng)防雷。在信號防雷開關(guān)箱輸入端設(shè)置I 級電源防雷箱，在電源屏電源輸入端設(shè)置II級防雷箱。

3.4.3 室外防雷原則

（1）設(shè)置避雷針。為了避免雷電對鐵路信號設(shè)備形成直接性的沖擊，應(yīng)在信號設(shè)備較多的地方設(shè)置避雷針。避雷針的地線位置與信號設(shè)備的電纜距離在20 m 以上，以對區(qū)域內(nèi)的信號設(shè)備形成保護(hù)，防止避雷針在直接沖擊下產(chǎn)生電磁感應(yīng)而影響信號設(shè)備。

（2）鋪設(shè)接地網(wǎng)。在信號設(shè)備的周圍，可以通過鋪設(shè)接地網(wǎng)的方式將電流引到地下，防止過電壓影響到信號設(shè)備的正常運(yùn)行。通常情況下接地網(wǎng)通過垂直的方式進(jìn)行接地，接地網(wǎng)應(yīng)當(dāng)與貫通接地線相互連接。

（3）建設(shè)防雷塔。如果區(qū)域內(nèi)信號設(shè)備較為密集，可以通過防雷塔的方式來避免雷電災(zāi)害。在鋪設(shè)線纜的過程中，要避免出現(xiàn)交叉現(xiàn)象，嚴(yán)格控制線纜與防雷塔之間的距離。

3.4.4 室外防雷具體措施

（1）機(jī)房建筑物防護(hù)和屏蔽。由于機(jī)房樓層不高，周圍往往有高大建筑和其他鐵路設(shè)備，所以，信號樓的直擊雷防護(hù)，安裝避雷針不是理想的辦法。為了抗御直擊雷和降低雷電電磁干擾，信號機(jī)械室的建筑物采用法拉第籠進(jìn)行電磁屏蔽。法拉第籠由機(jī)房頂部的避雷針網(wǎng)，避雷帶，引下線和接地系統(tǒng)組成。它能直接攔截雷擊，用作接閃接引雷電流，通過引下線和接地裝置引入大地中泄放，保護(hù)建筑內(nèi)設(shè)備免收雷害。

（2）室外信號設(shè)備防護(hù)和屏蔽。室外設(shè)備設(shè)置防雷元件和防雷地線，信號箱、盒等設(shè)備應(yīng)具有良好的電氣貫通和電磁屏蔽性能，箱盒內(nèi)部設(shè)專用的接地端子。箱盒必須接地良好，進(jìn)入箱盒內(nèi)部的電源線、信號線應(yīng)采用屏蔽電纜埋地敷設(shè)，屏蔽電纜的金屬屏蔽層或鋼帶要接地。

4 結(jié)束語

綜上所述，隨著中國鐵路的高速發(fā)展，鐵路信號設(shè)備在雷雨季節(jié)能否安全穩(wěn)定的運(yùn)行，對確保穩(wěn)定有序和運(yùn)行高效的運(yùn)輸組織有著極為重要的影響。只要在工程建設(shè)階段全面分析雷害的可能途徑和影響，細(xì)化制定信號設(shè)備的綜合防雷措施并嚴(yán)格執(zhí)行，保證施做質(zhì)量，就一定能確保室內(nèi)、室外信號設(shè)備得到較好的防雷保護(hù)。