鐵路信號設備防雷方案研究

張曉星

引言：隨著鐵路信號設備向數字化、網絡化、智能化和綜合化方向發展，大規模集成電路和低耐壓器件在信號設備中大量使用，雷電所帶來的危害越來越大，對雷電的防護已成為保證鐵路安全運輸的重要問題。綜合雷電防護方法是在全面考慮雷電損壞信號設備的各種可能途徑的基礎上，綜合采用外部防護、屏蔽、等電位連接、接地、合理布線、使用浪涌保護器等多種方法解決這個問題的有效措施。

一、電磁兼容與雷電電磁脈沖防護的概念

根據調查，近年來信號設備雷害概率有所增大，主要是因為雷電電磁脈沖經常通過連接導線，將傳導雷電浪涌和感應雷電浪涌傳輸給信號設備，或將輻射雷電電磁場效應直接作用于設備上。由于現代化鐵路信號設備大量采用大規模集成電路和小型貼片電容、電阻、繼電器等微型器件，因此與傳統設備相比，其耐過電壓、過電流的能力極弱，即使幅值較低的雷電電磁脈沖干擾都可導致信號設備器件失效，造成信號設備的雷害。

近10年來，各國防雷工作者根據現代電氣、電子設備的雷害機理及雷電防護特點，將現代電氣、電子設備雷電防護納入電磁兼容的范疇，提出了機房屏蔽、合理布線、規范接地和裝置合適防雷保安器等系統防護（或稱綜合防護）的概念。所謂電磁兼容是設備或系統在電磁環境中，能正常工作且對該環境中任何事物構成能承受電磁騷擾的能力。對于信號系統而言，信號設備的電磁兼容是指在各種電磁環境下（包括雷電電磁脈沖環境），信號系統必須正常工作。顯然，除了采用傳統的防護方法外，還要改善信號設備所處的電磁環境。

二、改善計算機設備所處場地的電磁環境

（一）建筑物防護

雷擊時，建筑物外部和內部都可誘導出雷電浪涌。內部雷電浪涌既可由建筑物接地終端系統的常規接地阻抗或電纜屏蔽層電阻產生（通常稱為反擊），也可由電氣或電子系統線路構成的回路或搭接導體的電感產生，還可由雷電通道內流過的雷電流以及導體（如直擊雷防護系統的引下線）中流過的雷電流感應耦合產生。

建筑物的外部防護仍然采用傳統的避雷針。含無線電發射天線的建筑物，應當設置避雷針以防止雷電直擊天線設備。建筑物的內部防護包含空間屏蔽、接地和搭接。

1.空間屏蔽。衰減了雷電直接擊中建筑物或建筑物附近而在建筑物內部產生的磁場，并減少了內部雷電浪涌。空間屏蔽有兩方面，一方面是建筑物或機房本身的屏蔽，最好的辦法是用建筑物的自然構件組成，例如天花板、墻和地板中的金屬加強鋼筋、金屬框架、金屬屋頂和金屬墻面等，構成了格柵型的空間屏蔽。屏蔽后，電子系統只需安置在距屏蔽有一定安全距離的安全空間；另一方面是合理布線和線路屏蔽。合理的線路布放可以使感應回路面積為最小，采用屏蔽電纜或電纜管道可以將電磁場部分屏蔽，減小內部感應影響，從而減小了電子系統內的感應雷電浪涌。

2.接地。新建電子設備機房建筑物的接地系統，應采用共用接地。最常見的做法是利用建筑物基礎鋼筋地網或樁基網作為共用接地系統的基礎接地裝置，并在建筑物四周距基礎接地裝置1m處設環行接地體。基礎接地體和環行接地體在地下至少有4處相連。值得注意的是，鋼筋混凝土建筑物的墻面鋼筋網既作為格柵形空間屏蔽，也兼作直擊雷防護系統的引下線系統。建筑物如共用一個接地系統，則必須有地網構成的接地終端系統，而不是將幾個功能性接地裝置連接在一起的共地系統。改建電子設備機房建筑物，若沒有共用接地系統條件的，應另設一組接地體用作保護接地。保護接地PE可與設備工作接地連接，但不得與建筑物的避雷針、避雷帶、避雷網的引下線連接。在室內應設置與保護接地相連的接地匯集線或稱等電位連接母線，接地匯集線根據室內信號設備的布局可以做成條形或環形（不閉合）。

3.搭接。將建筑物內部各系統所有導體部件（通電的導體除外）與接地終端系統相互連接并構成網絡，其理論根據是等電位防護。相互搭接的金屬，處于宏觀上的等電位狀態。對于電子信號系統設備，其與接地系統的搭接應當按照國際電信聯盟的建議ITU-T K127和國際電工委員會標準IEC62305-4要求，按星形結構（S形結構）做等電位搭接。

內外網狀多點連接法多用在電氣和電子系統分布區域較大，或者分布在整個建筑內時，各單個設備之間有許多線路，并且線路在多個點進入建筑物，其他情況應當用S形結構。

（二）室外設備雷電電磁環境的改善

1.將室外信號系統設備置于與大地連接的金屬箱、盒（最好是鐵質）內，金屬箱、盒必須良好接地，使得信號系統處于雷電電磁脈沖屏蔽中。

2.與信號系統設備的連接采用屏蔽電纜，電纜屏蔽必須良好接地，或者非屏蔽電纜穿金屬管敷設，金屬管與土壤直接接觸。

3.在室外信號系統設備集中的區域安裝避雷針，防止雷電直擊設備本身、電纜和軌道。避雷針的安裝位置必須考慮能夠避免站場內的信號系統設備遭受雷擊，還要防止避雷針引雷后的雷電感應。

尤其避雷針的地線一定要與站場內的鋼軌、電纜徑路有一定的安全距離（一般大于20m），以避免雷電反擊。

三、安裝防雷保安器

原則上，信號電纜與信號設備的界面應當都設置防雷保安器。由于車站信號設備的進線很多，建議在電纜進入信號樓時，設置防雷柜集中防護，以便維護、更換和有問題時查找故障。防雷柜中的防雷保安器可以采用單級或多級，最后的殘壓應當限制在被保護信號設備端口的耐過電壓水平以下。ITU-T K20和K21建議，有條件的信號設備本身應當在內部設置防雷單元，以增加信號設備本身的抗擾度。防雷保安器接入信號系統后，不得改變原信號系統的性能，不得影響被防護設備的工作，受雷電電磁脈沖干擾時，應保證信號設備不得造成進路錯誤解鎖、道岔錯誤轉換、信號錯誤開放等。

四、結論

綜合考慮外部防護、屏蔽、等電位搭接、接地、合理布線、使用浪涌保護器等多種方法，可以有效地改善信號設備的電磁環境，減少雷電電磁脈沖對鐵路信號設備的影響，這是一個行之有效的方法，在鐵路及其他各個領域中的使用已經見到明顯效果，并得到國際上認同。

參考文獻

[1] 王志維.車站信號設備綜合防雷系統工程設計的探討[J].鐵道通信信號.2006.

[2] 萬家駒.高頻信號防雷保護器的發展及應用[J].通信世界.2010（06）.

（作者單位：北京鐵路局天津電務段）