鐵路信號設(shè)備的雷電綜合防護(hù)體系

楊杰

摘 要： 隨著鐵路信號設(shè)備逐漸向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展，在鐵路信號設(shè)備中使用大規(guī)模集成電路和低耐壓器件，而這些電氣設(shè)備受到外界環(huán)境的影響很大，尤其是雷電災(zāi)害，是鐵路信號設(shè)備運行過程中的主要危害，防雷電性能是鐵路信號設(shè)備的一個基本功能，本文結(jié)合當(dāng)前信號設(shè)備系統(tǒng)的實際情況，對鐵路信號設(shè)備的雷電綜合防護(hù)體系設(shè)計進(jìn)行分析與探討，旨在為信號設(shè)備防雷提供理論支持。

關(guān)鍵詞：鐵路信號設(shè)備 防雷電 綜合體系

中圖分類號：U284 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）07-0203-02

引言

鐵路信號設(shè)備是鐵路車輛運行過程中的重要基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，可以對鐵路運行過程中的各種故障和問題進(jìn)行體現(xiàn)，以便技術(shù)人員及時對故障進(jìn)行處理，防止帶來嚴(yán)重的安全隱患。隨著我國信息技術(shù)不斷發(fā)展，大型智能化信息設(shè)備在鐵路系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是一些大規(guī)模集成電路和低耐壓器件，在信號設(shè)備中的應(yīng)用越來越廣泛，雷電危害是電氣設(shè)備運行過程中的主要危害，雷雨天氣可能會導(dǎo)致電氣設(shè)備被擊中燒毀，進(jìn)而導(dǎo)致整個信號系統(tǒng)乃至鐵路系統(tǒng)出現(xiàn)癱瘓，帶來嚴(yán)重的安全隱患。對此，防雷電是鐵路安全運輸?shù)幕A(chǔ)，也是鐵路部門研究的重點工作。建立鐵路信號設(shè)備綜合雷電防護(hù)體系，可以極大地提高信號設(shè)備對雷電的預(yù)防和應(yīng)對能力，當(dāng)前鐵路系統(tǒng)中的信息設(shè)備遇到的雷電危害主要有兩種，一種是直擊雷，一種是感應(yīng)雷，針對這兩種不同的雷電危害，需要建立綜合防護(hù)系統(tǒng)，提高信號設(shè)備以及其他電氣設(shè)備對雷電危害的預(yù)防水平，并且要建立相應(yīng)地應(yīng)急系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)雷電擊中電氣設(shè)備的現(xiàn)象，要及時采取應(yīng)急設(shè)備對故障進(jìn)行應(yīng)急處理，確保鐵路系統(tǒng)能夠正常運轉(zhuǎn)，保障人們的出行安全。

一、雷電的危害

雷電是一種比較常見的自然現(xiàn)象，對人們的生產(chǎn)生活有較大的影響，鐵路車輛運行過程中一般都是暴露在野外的，各種信號設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)是鐵路車輛安全運行的基礎(chǔ)和前提，信號設(shè)備很容易受到雷電危害的影響。具體來講，雷電災(zāi)害主要有以下幾個方面：

1.直擊雷危害

直擊雷指的是對鐵路信號系統(tǒng)造成直接電機(jī)現(xiàn)象的雷電災(zāi)害，例如鋼軌、信號傳輸線路等，都容易遭受雷電直擊。通常情況下，鐵路信號設(shè)備遭受直擊雷的概率較低，因為很多信號設(shè)備自身具有一定的防雷電功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對雷電的抵御，但是在鐵路信號系統(tǒng)中包含了大量微電子設(shè)備，這些設(shè)備對直擊雷的抵御能力較差，有的微電子設(shè)備甚至不具備防御直擊雷的能力，因此，當(dāng)鐵路信號設(shè)備遭受直擊雷危害的時候就很容易出現(xiàn)損壞，微電子設(shè)備都是整個信號系統(tǒng)中的關(guān)鍵，因此微電子設(shè)備損壞很容易引起信號系統(tǒng)的癱瘓，給鐵路運行帶來安全隱患。

2.感應(yīng)雷危害

感應(yīng)雷危害是鐵路信號設(shè)備運行過程中遭遇較多的雷電災(zāi)害類型，在雷電放電過程中，會形成電磁感應(yīng)，這些電磁感應(yīng)會傳到地下，并且從地下的電力線纜、傳輸信號線傳到到鐵路信號設(shè)備中，從而引起鐵路信號設(shè)備線路終端的各種電子設(shè)備的損壞。

3.雷電浪涌危害

雷電浪涌是國內(nèi)鐵路信號設(shè)備遭受雷擊最為常見的形式之一，雷電浪涌會對鐵路信號設(shè)備中的微電子設(shè)備產(chǎn)生干擾，從而導(dǎo)致這些設(shè)備不能正常工作，通訊功能受到影響。

4.雷電沖擊波的危害

雷電沖擊波是一種突發(fā)的高壓沖擊波，會對鐵路信號設(shè)備的高壓線、供電系統(tǒng)和變壓器等設(shè)備產(chǎn)生影響，由于突發(fā)的高壓沖擊，很多電氣設(shè)備都不能承受這些高電壓，因此導(dǎo)致設(shè)備損壞，對鐵路信號系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生十分嚴(yán)重的危害。

二、鐵路信號設(shè)備防雷要求

信號設(shè)備是確保鐵路運輸安全、穩(wěn)定、可靠的重要設(shè)備之一，因此鐵路信號設(shè)備的雷電防護(hù)要求相對比較嚴(yán)格，在建立綜合雷電防護(hù)體系的過程中應(yīng)該要滿足幾個要求：第一，防雷設(shè)備接入到鐵路信號設(shè)備之后，不能對信號設(shè)備的正常運行工作產(chǎn)生影響，不能改變原有設(shè)備的性能，例如鐵路信號設(shè)備的輸出功率、接收信號的靈敏度、回路阻抗等參數(shù)，都不能被改變。第二，確保防雷設(shè)備的放電特性與被保護(hù)的信號設(shè)備的絕緣耐壓水平相匹配，而且要預(yù)留一定的浮動空間，提高鐵路信號設(shè)備的防雷水平。第三，當(dāng)信號設(shè)備采用多級防雷措施時，應(yīng)該要確保各級防雷設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)逐級正常工作，并且能夠?qū)纂娺^電壓現(xiàn)象進(jìn)行有效抑制。通常來講，對于上一級可采用通流容量大、啟動速度快的防雷裝置，從而使得大部分帶雷電流可以流入大地中。例如，室內(nèi)信號設(shè)備電源饋線的防雷水平可以設(shè)置為兩極，第一級防雷裝置可以在室內(nèi)和室外的交界處進(jìn)行安裝，并且要確保防雷裝置有足夠大的通流容量，第二級防雷裝置則設(shè)置在被保護(hù)設(shè)備的位置處，當(dāng)雷電災(zāi)害侵入的時候，立即啟動兩級保護(hù)，對雷擊災(zāi)害進(jìn)行預(yù)防。

三、鐵路信號設(shè)備雷電綜合防護(hù)體系設(shè)計

下圖為鐵路信號設(shè)備雷電綜合防護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖：

將現(xiàn)代電氣電子設(shè)備雷電防護(hù)納入電磁兼容的范疇，是鐵路信號設(shè)備雷電綜合防護(hù)體系建立過程中的重要途徑，在此基礎(chǔ)上，提出了機(jī)房 屏蔽、合理布線、規(guī)范接地、安裝合適防雷保安器等措施，實現(xiàn)對鐵路信號設(shè)備的綜合保護(hù)。電磁兼容指的是各種設(shè)備或者系統(tǒng)在電磁環(huán)境中，能夠?qū)Νh(huán)境中存在的電磁干擾進(jìn)行預(yù)防的能力，對于鐵路信號系統(tǒng)而言，信號設(shè)備的電磁兼容指的是存在電磁環(huán)境的情況下信號設(shè)備依舊可以正常工作，雷電災(zāi)害就會產(chǎn)生電磁感應(yīng)，因此為了對這種電磁感情進(jìn)行預(yù)防，則除了傳統(tǒng)的雷電防護(hù)方法之外，還應(yīng)該要著手改善信號設(shè)備所處的電磁環(huán)境。

1.改善電磁環(huán)境

常規(guī)防護(hù)

當(dāng)出現(xiàn)雷擊災(zāi)害時可能出現(xiàn)雷電浪涌，鐵路系統(tǒng)不僅包括室外空間，也包括室內(nèi)空間，當(dāng)出現(xiàn)雷擊災(zāi)害時建筑物外部和內(nèi)部都可誘導(dǎo)出雷電浪涌。內(nèi)部的雷電浪涌可以由建筑物的接地終端系統(tǒng)的常規(guī)接地阻抗或電纜屏蔽層電阻產(chǎn)生，也可以由電氣系統(tǒng)線路構(gòu)成的回路或者搭接的導(dǎo)體的電感產(chǎn)生，還可能通過雷電通道內(nèi)流過的電流以及導(dǎo)體中流過的雷電感應(yīng)電流耦合產(chǎn)生。因此，在鐵路信號設(shè)備雷電防護(hù)體系建設(shè)過程中，必須要加強(qiáng)常規(guī)避雷防護(hù)手段的應(yīng)用，在建筑物外部依舊要采用傳統(tǒng)的避雷針，對雷電災(zāi)害進(jìn)行預(yù)防，尤其是對于含有無線電發(fā)射天線的鐵路相關(guān)建筑物，必須要設(shè)置避雷針，以實現(xiàn)對雷電災(zāi)害地有效預(yù)防。除了在外部安排避雷針之外，在建筑物內(nèi)部也應(yīng)該要進(jìn)行防護(hù)。

第一，空間屏蔽

上圖為屏蔽示意圖。

空間屏蔽指的是利用建筑物對雷電磁場進(jìn)行抵御，并且減少內(nèi)部雷電浪涌的一種防護(hù)方法，空間屏蔽有兩個方面，一是建筑物或者機(jī)房本身產(chǎn)生的屏蔽，在鐵路系統(tǒng)中，建筑物的自然構(gòu)件必須要采用具有雷電防護(hù)功能的材料，例如天花板、墻和地板中可以設(shè)置金屬加強(qiáng)鋼筋、金屬框架、金屬屋頂?shù)龋瑥亩纬筛駯判涂臻g屏蔽。經(jīng)過建筑物的初級屏蔽之后，還可以將電氣設(shè)備安裝在距離屏蔽有一定安全距離的位置，從而實現(xiàn)對電氣設(shè)備的保護(hù)。而且對電氣設(shè)備的線路進(jìn)行合理布設(shè)，合理的線路設(shè)置可以使得雷電的感應(yīng)回路面積最小，采用屏蔽電纜或電纜管道就可以實現(xiàn)對雷電產(chǎn)生的部分電磁場進(jìn)行屏蔽，從而減少了鐵路信號設(shè)備系統(tǒng)中的感應(yīng)雷電浪涌。

第二，接地

接地是將雷電電流引入地下的重要過程，在鐵路信號設(shè)備系統(tǒng)建設(shè)過程中必須要做好接地工作，尤其是一些新建的電子設(shè)備機(jī)房，其接地系統(tǒng)應(yīng)該要采用共用接地方式，這些機(jī)房中的電氣設(shè)備繁多，接線復(fù)雜，共用接地模式可以極大地提高電氣設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定性，出現(xiàn)雷電災(zāi)害時可以減少雷電災(zāi)害的沖擊。接地過程中最常見的做法是利用鐵路系統(tǒng)建筑物的基礎(chǔ)鋼筋地網(wǎng)或樁基網(wǎng)，將其作為接地系統(tǒng)的基礎(chǔ)接地裝置，并且可以在建筑物四周建立環(huán)形接地體，接地體與與基礎(chǔ)接地裝置之間大約保持1-1.5米的距離。基礎(chǔ)接地體與環(huán)行接地體之間應(yīng)該保持連接，在地下至少保持有4處相連。需要注意的是，在鐵路站點中有一些鋼筋混凝土建筑，這些建筑物的外墻一般采用鋼筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)，鋼筋網(wǎng)也可以作為格柵形空間屏蔽，能夠?qū)χ睋衾走M(jìn)行防護(hù)。對于一些改建的電氣設(shè)備機(jī)房，如果沒有共用接地系統(tǒng)，則應(yīng)該要另外設(shè)置一組接地體用作保護(hù)接地。保護(hù)接地裝置可以與信號設(shè)備的工作地實現(xiàn)連接，但是不能與鐵路系統(tǒng)中的各種建筑物的避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)等設(shè)施的引下線相連。在室內(nèi)還贏更要設(shè)置接地匯集線或者等電位連接母線，匯集線的布局應(yīng)該形成環(huán)形或者條形，不能閉合。

第三，搭接

搭接也是對雷電進(jìn)行防護(hù)的有效方式，搭接是將建筑物內(nèi)部各個系統(tǒng)所有導(dǎo)體部件與接地終端系統(tǒng)相連，并且形成一個網(wǎng)絡(luò)，是以等電位防護(hù)為基礎(chǔ)的一種連接方式。

以下是電子設(shè)備可以選擇的三種搭接方式。

采用搭接模式進(jìn)行雷電防護(hù)時，相互搭接的金屬處于宏觀等電位狀態(tài)，對于電子信號系統(tǒng)設(shè)備而言，與接地系統(tǒng)的搭接應(yīng)該要按照國際電信聯(lián)盟ITU-T K. 27和國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC62305-4要求，將搭接結(jié)構(gòu)設(shè)置為S形結(jié)構(gòu)，按照等電位要求進(jìn)行搭接。如上圖所示，這三種搭接方式中，內(nèi)部星狀隔離連接法和內(nèi)部呈網(wǎng)格狀連接法與共用接地系統(tǒng)都只有一個連接點，但兩者的連接方式不相同，其中前者內(nèi)部呈現(xiàn)星狀連接，后者內(nèi)部呈現(xiàn)網(wǎng)狀連接。內(nèi)外網(wǎng)狀多點連接法則對于一些電氣設(shè)備較多、電氣子系統(tǒng)分布廣泛的區(qū)域，或者在鐵路信號設(shè)備系統(tǒng)中有很多線路回路，線路與建筑物之間的連接有多個接入點，都可以采用內(nèi)外網(wǎng)狀多點連接法進(jìn)行搭接，而其余情況一般都采用S型結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭接。

2.室外設(shè)備雷電電磁環(huán)境的改善

由于雷電災(zāi)害會形成不同的電磁環(huán)境，而電磁環(huán)境又會影響各種電氣設(shè)備的工作，因此改善室外設(shè)備雷電電磁環(huán)境是防止雷電災(zāi)害的一個有效途徑。在具體的操作過程中，可以從幾個方面著手：

第一，將室外信號系統(tǒng)設(shè)備放置于金屬箱、金屬盒中，金屬箱與金屬盒最好采用鐵材質(zhì)，并且要與大地相連接，金屬箱與金屬盒應(yīng)該要保持接地，使得鐵路信號設(shè)備系統(tǒng)處于雷電電磁脈沖屏蔽中。

第二，與鐵路信號設(shè)備相連接的線纜應(yīng)該是屏蔽線纜，同時線纜要保持良好接地，也可以使用非屏蔽電纜穿金屬管敷設(shè)的方式，金屬管與土壤可以直接接觸。

第三，對于某些鐵路段，其信號設(shè)備在室外，容易遭受雷電沖擊，因此對于這類設(shè)備必須要集中安裝避雷針，防止雷電直擊鐵路信號設(shè)備、電纜以及軌道。要對避雷針的安裝位置進(jìn)行合理選擇，通常來講，避雷針應(yīng)該要涵蓋站場內(nèi)的所有信號設(shè)備，防止信號設(shè)備出現(xiàn)雷電感應(yīng)。尤其是避雷針的地線，一定要與鐵路站場內(nèi)的鋼軌、電纜徑路等保持一定的距離，一般要大于20米，避免雷電反擊。

3.安裝防雷保安器

安裝防雷保安器也是鐵路信號設(shè)備雷電綜合防護(hù)體系建立過程中的一個重點任務(wù)，根據(jù)《鐵道信號設(shè)備雷電電磁脈沖防護(hù)技術(shù)條件》和《鐵路信號設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，所有與鋼軌或者外線相連的含有電子元件的信號設(shè)備，都應(yīng)該要配備防雷保安器，保安器的安裝位置在線路與設(shè)備的端口處。防雷保安器是雷電浪涌保護(hù)器SPD的一種，可以限制瞬態(tài)過壓以及分流浪涌電流。在防雷保安器的設(shè)置過程中，一般可以采用三級防護(hù)，第一級是粗略防護(hù)，當(dāng)電源從室外引入室內(nèi)的時候可以在室外室內(nèi)相鄰界面做第一級防護(hù)。第二級防護(hù)主要實現(xiàn)對機(jī)房電源的防護(hù)，第三級防護(hù)是針對具體的用電設(shè)備設(shè)置的防護(hù)手段。在信號設(shè)備系統(tǒng)的雷電防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計過程中，第三級防護(hù)主要保護(hù)的是信號設(shè)備，因此對防雷保安器的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)有一定限制，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T3074-2003規(guī)定，針對信號設(shè)備使用的防雷保安器在實驗室用3kA、8/20μs波形測試時應(yīng)小于500V。

另外，由于空氣間隙、氣體放電管是并聯(lián)在電源線上的，發(fā)生雷擊事故之后會產(chǎn)生續(xù)流，導(dǎo)致電源短路，單純的壓敏電阻器并聯(lián)在電源線后，由于電源正向波動時會出現(xiàn)劣化，則會導(dǎo)致電源短路，因此，如果是無人值守的機(jī)房或者區(qū)間信號設(shè)備，在安裝防雷器的時候，不能單獨使用空氣間隙、氣體放電管以及壓敏電阻器等元件。原則上來講，信號電纜與鐵路信號設(shè)備之間的界面都應(yīng)該要設(shè)置防雷保安器，但是由于鐵路站點的信號設(shè)備的進(jìn)線線路較多，比較復(fù)雜，因此在進(jìn)入鐵路站點的時候，可以設(shè)置防雷柜進(jìn)行集中防護(hù)，以便各種設(shè)備能夠及時維護(hù)、更換。在進(jìn)行集中防護(hù)時，防雷柜中的防雷保安器可以采用單級或多級防護(hù)，最后的殘壓應(yīng)該限制在被保護(hù)信號設(shè)備端口的耐過電壓水平以下。如果信號設(shè)備本身有條件，則可以在其內(nèi)部設(shè)置防雷單元，增強(qiáng)鐵路信號設(shè)備本身對雷電干擾的抵抗力度。需要注意的是，接入防雷保安器之后，不能改變原來信號系統(tǒng)的性能，也不能影響被防護(hù)設(shè)備的工作。

結(jié)語

綜上所述，鐵路運行過程中信號設(shè)備是對鐵路運行狀態(tài)進(jìn)行反映的重要設(shè)施設(shè)備，鐵路信號系統(tǒng)中含有各種電氣元件、微電子元件，在長期運行過程中可能會遭受雷電沖擊，尤其是一些設(shè)置在室外的信號設(shè)備，更容易遭受雷電危害。雷電沖擊會對信號設(shè)備的工作產(chǎn)生嚴(yán)重影響，導(dǎo)致信號設(shè)備不能正常運轉(zhuǎn)，信號傳輸受到干擾，因此，必須要加強(qiáng)對鐵路信號設(shè)備的雷電綜合防護(hù)體系的設(shè)計，在常規(guī)防護(hù)措施基礎(chǔ)上，還應(yīng)該要加強(qiáng)對信號設(shè)備所處的電磁環(huán)境的改善，提高信號設(shè)備本身的雷電防護(hù)水平，確保鐵路系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

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