鐵路站房及沿線建筑綜合防雷

朱光熙

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251）

隨著我國高速鐵路系統(tǒng)的發(fā)展，高速鐵路安全性越發(fā)引人關注。在過去的幾年中，在高速鐵路的研發(fā)和實踐中出現(xiàn)了一些由于自然災害導致對于高速鐵路安全的危害和隱患。

雷電對于鐵路系統(tǒng)的危害由來已久，相關部門也將減少雷害對于鐵路系統(tǒng)破壞的研究貫徹始終。在有關部門對于2002年至2005年的鐵路系統(tǒng)雷害監(jiān)測中，共記錄了接近1 700起雷害事故。在充分分析這段時間的監(jiān)測數(shù)據(jù)之后，鐵路系統(tǒng)投入大量的人力物力財力，進行了為期3年的綜合防雷整治，取得了很好的效果。在此之后，鐵道部建立起一套鐵路綜合防雷的研究系統(tǒng)，致力于更進一步減少雷電這種自然災害對于鐵路系統(tǒng)，尤其是高速鐵路系統(tǒng)的危害。

1 基本雷電防護知識

1.1 雷電原理

雷電由雷云產(chǎn)生，最常見的雷云有熱雷云和鋒面雷云。雷電是由雷云（帶電的云層）對地面建筑物及大地的自然放電引起的，它會對建筑物或設備產(chǎn)生嚴重破壞。在天氣悶熱潮濕時，地面上的水受熱變?yōu)檎羝⑶译S地面的受熱空氣而上升，在空中與冷空氣相遇，使上升的水蒸汽凝結成小水滴，形成積云。云中水滴受強烈氣流吹襲，分裂為一些小水滴和大水滴，較大的水滴帶正電荷，小水滴帶負電荷。細微的水滴隨風聚集形成了帶負電的雷云；帶正電的較大水滴常常向地面降落而形成雨，或懸浮在空中。由于靜電感應，帶負電的雷云，在大地表面感應有正電荷。這樣雷云與大地間形成了一個大的電容器。當電場強度很大，超過大氣的擊穿強度時，即發(fā)生了雷云與大地間的放電，就是一般所說的雷擊。現(xiàn)代計算機技術的發(fā)展，使電子設備的防雷要求有了空前的提升，由于微電子設備的耐過電壓能力低，因此對于雷電災害的影響也更加明顯，所需要的防護措施要求也就更加嚴格。

1.2 雷電的類型和危害

常見的雷擊有3種主要方式：球形雷、感應雷和直擊雷，如表1所示。直擊雷簡單來說就是雷電直接對大地的某一個點放電；感應雷發(fā)生在直擊雷之后，由于云層帶電驟然消失，而地面的一定范圍內電阻阻值偏大，出現(xiàn)這個范圍內的高電壓，或是直擊雷與擊打部位附近的金屬體所產(chǎn)生電磁感應所導致的二次雷擊；球形雷極少出現(xiàn)，但是一旦出現(xiàn)，就會造成非常大的危害，不止毀壞電子設備，而且大部分球形雷都會通過電子線路進入建筑物內部，擊傷或燒傷建筑物內人員，造成重大的人員財產(chǎn)損失。

雷電的危害主要體現(xiàn)在3個方面，即電效應、熱效應和機械效應。雷電的瞬時過電壓可以達到數(shù)十萬至數(shù)百萬伏，這就決定瞬時沖擊電壓可以輕易地摧毀電路，擊穿絕緣，引發(fā)火災或爆炸；由于瞬時過電壓過高，雖然作用時間短，但其產(chǎn)生的熱量驚人，雷擊點的熱量可達瞬時2 000 J，這也是重大雷擊導致火災或爆炸的主要原因之一；也是因為雷電流過大，被擊穿物體內部縫隙中的氣體或液體會因瞬時過電流而急劇膨脹，產(chǎn)生巨大沖擊力，這就是雷電的機械效應。中國各主要城市雷暴天數(shù)如表1所示。

表1 中國各主要城市雷暴天數(shù)

2 雷電災害采用的主要防護設備

通過了解雷電災害的成因以及對電子設備的破壞原理，在近些年的研究中，已經(jīng)生產(chǎn)并應用了多種防雷器件，通過這些防雷器件，可以在不同程度上減輕或消除雷電災害對于電子設備的破壞。雖然人們根據(jù)不同的原理和方法研究出多種防雷設備，但是現(xiàn)階段還沒有找到一種可以完全解決雷電對鐵路系統(tǒng)中核心電子設備的破壞問題。

2.1 氣體放電管

氣體放電管如圖1所示，是一種最常用的防雷設備，這種設備的管體由陶瓷或玻璃制成，管體中空，密封短路性保護器件，并與其間隙沖入惰性氣體。

氣體放電管根據(jù)氣體在外界電場的作用下，隨外界電場的增強，當極間的電場強度超過氣體的擊穿強度時，將產(chǎn)生氣體的放電現(xiàn)象，使原來為絕緣的氣體驟變?yōu)閷щ婓w（絕緣擊穿），從而限制了極間的電壓，使與放電管并聯(lián)的其他器件得到保護。氣體放電管常用于多級保護電路中的第一級或前兩級，起泄放雷電暫態(tài)過電流和限制過電壓的作用。

氣體放電管的優(yōu)點是絕緣電阻很大，而寄生電容很小。同時，其缺點也同樣明顯，即放電時延較大，動作靈敏度不夠理想，對于波頭上升陡度較大的雷電波難以有效抑制。

2.2 固體放電管

固體放電管如圖2所示，是利用晶閘管原理制成的過壓保護器件，利用PN結的擊穿電流觸發(fā)器件導通放電，可以通過較大的浪涌或脈沖電流。因此，固體放電管可以直接跨接在被保護電路兩端。

它采用先進的氣力注入技術，具有精確導通、快速響應、浪涌吸收組能力強、可靠性高等特點；廣泛應用于通信交換設備中的程控交換機、電話機、傳真機、配線架、XDSL、通信接口、通信發(fā)射設備等一切需要防雷保護的領域，以保護其內部的IC免受瞬間過電壓的沖擊和破壞。在當今世界微電子及通信設備高速發(fā)展的今天，固態(tài)放電管已成為世界通信設備的首選器件。主要的優(yōu)點為高電流突波之承受力，啟動后可保持低電壓狀態(tài)及較低的電容值。

2.3 壓敏電阻器

壓敏電阻器是利用半導體材料的非線性伏安特性，如圖3所示，而制成的一種電壓敏感元件。圖3給出了壓敏電阻器的伏安特性曲線，可以看出，它是一條對稱的非線性曲線，當外加電壓較低時，流過電阻的電流很小，壓敏電阻器呈高阻狀態(tài)；當外加電壓達到或超過壓敏電壓Uc時，壓敏電阻器的阻值急劇下降并迅速導通，其工作電流會增加幾個數(shù)量級，從而有效地保護了電路中的其他元件不會因過壓而損壞。

但是壓敏電阻器也有自身的缺陷和不足：隨著溫度的升高，擊穿區(qū)被壓縮，因此，只有很窄的區(qū)域有防雷作用。同時由于溫度增高，壓敏電阻漏電流急劇增大，使壓敏電阻劣化燒毀。

2.4 瞬態(tài)二極管

瞬態(tài)二極管的核心原理同樣是PN結，如圖4所示。當電壓超過元件的雪崩電壓、使PN結工作在雪崩狀態(tài)時，TVS二極管隨著加在其兩端的電壓不同而改變其阻抗，在規(guī)定的反向電壓作用下，兩端電壓大于門限電壓時，其工作阻抗能立即降至很低的水平以允許大電流通過，并將兩端電壓鉗制在很低的水平，從而有效地保護末端電子產(chǎn)品中的精密元件避免損壞。它具有較強的脈沖吸收能力。雙向TVS可在正反兩個方向吸收瞬時大脈動功率，并把電壓鉗制在預定水平，它具有較強的脈沖吸收能力。

瞬態(tài)二極管的優(yōu)點是殘壓低，動作精度高，響應時間較快（≤1 ns），無跟隨電流（續(xù)流）。缺點是耐流能力差, 無法承受太大的瞬間電流，鉗位電壓隨著電流增加而增加，通流容量小，一般只有幾百安培。

基于瞬態(tài)二極管具有以上的優(yōu)缺點，此設備一般不作為第一級接口保護器，通常用作低電壓電路的二級保護。并且，瞬態(tài)二極管能有效地鉗制快速上升的瞬間電壓，特別適合于不需要旁路大能量的低電壓場合的應用。

2.5 直擊雷防護裝置

對于直擊雷的防護，通常采用兩種不同的防護方式，即長期以來一直應用防護直擊雷破壞的避雷針和一些年逐漸完善的避雷網(wǎng)和避雷帶技術。

對于鐵路系統(tǒng)而言，站房以及周圍的附屬建筑物占地面積大，設備種類廣，電子設備多的特點決定了防護困難較大。

避雷針如圖5所示，是一種主動式接閃裝置，其功能就是把閃電電流引導入大地。因此，將其稱為“引雷針”更為貼切。對于鐵路站房即周邊附屬建筑物而言，將發(fā)生在周圍云層中的雷擊引導至自身，是一種危險的行為，因為直擊雷不止是瞬時過電流和過電壓對于設備及人員的危害，而更多地是其導致周圍電磁感應強度增大，電磁場范圍變廣所帶來的威脅。

雖然與避雷針的接閃原理一致，但是避雷帶、避雷網(wǎng)對于直擊雷的防護具有其獨到的優(yōu)勢。避雷帶是在建筑物的屋脊和屋頂四周敷設的接地導體，是由避雷針、避雷線發(fā)展而來的。避雷網(wǎng)是在避雷帶的中間敷設接地導體，以保護建筑物的中間部位。用于保護建筑物，其優(yōu)點是敷設簡便、造價低,而且同高聳的避雷針相比,引雷的幾率大為減少。而且它接閃后一般是由多根引下線泄散電流，室內設備上的反擊電壓相對較低。

3 鐵路站房及其周邊建筑物綜合防雷

雷電對電氣電子設備的危害：電氣設備絕緣擊穿、電子器件損壞、印刷板擊毀。其嚴重后果：系統(tǒng)癱瘓、設備停用、軟件失靈。高速鐵路雷害影響列車安全正點運行，影響列車晚點的實例已經(jīng)不少，影響安全的例子也有，應加以重視。

從實際雷害事故的調查情況來看，雷直接擊中信息網(wǎng)絡的可能性不大，危害信息系統(tǒng)安全可靠運行的主要原因是雷擊電磁效應。當雷擊建筑物、建筑物附近地面、交流輸電線路以及天空雷云間放電時，所產(chǎn)生的暫態(tài)高電位和電磁脈沖能夠以傳導、耦合感應和輻射等方式沿多種途徑侵人室內信息系統(tǒng)。就具體情況而言，雷電侵害信息系統(tǒng)的主要途徑有以下幾種。

1）雷直接擊中信息系統(tǒng)所在建筑物防雷裝置，引起防雷裝置各部位（引下線及接地體）暫態(tài)電位的急劇升高，導致對電子設備的反擊。

2）雷電感應在輸電線路上產(chǎn)生過電壓，并沿電源線侵入信息系統(tǒng)。

3）雷電感應在信號線路上產(chǎn)生過電壓，并沿信號線路侵入信息系統(tǒng)。

4）雷擊時出現(xiàn)的電磁脈沖從空間直接輻射至電子設備。

計算機信息系統(tǒng)設備一般都安置在室內，許多計算機主機房位于大樓較低部位。雷電不可能直接“擊”到設備上，但雷電電磁脈沖可以在建筑物內的電氣電子設備上感應出浪涌。雷電電磁脈沖也可以在進入建筑物的各種線路上感應出浪涌，經(jīng)線路傳導到設備。因此，遠方落雷的雷電電磁脈沖也可進入設備造成設備損壞。我們稱遠方落雷經(jīng)由線路傳導到設備的雷浪涌為傳導雷。也就是說，電氣電子設備系統(tǒng)主要防的不是直擊雷，而是雷電電磁脈沖感應浪涌和經(jīng)線路傳導至設備的“傳導雷浪涌”。當雷電擊中未設防雷裝置的建筑物時，雷電流將會以不確定的方式通過建筑物不確定的結構部位找尋入地的途徑。在建筑物外部與建筑物內有關聯(lián)的金屬物可將在外部所受的雷電沖擊直接傳至建筑物內。這種進入建筑物的方式，具有由一系列路徑傳導全部沖擊能量的特點，并且有傳遞全部雷電放電破壞效應的能力。雷電沖擊的波形通常不會有大的變化，由此可以造成建筑物的損壞甚至引起火災。而它所引起的感應雷瞬態(tài)過電壓，是造成建筑物內部電氣設備和電子設備損壞的一個重要原因。建筑物如果遭到雷擊，雷電將通過避雷針或避雷網(wǎng)、避雷帶的引下線入地。“引下線”上巨大的電流流動會在周圍形成一個環(huán)繞著它的電磁場，當電力或數(shù)據(jù)線路的電纜路徑穿過時，將會在線路上感應形成過電壓。該浪涌電壓通過線路侵入設備，即電感耦合，所謂電感耦合是一種雷電與電線之間的磁場轉移效應。

圖6闡釋了鐵路系統(tǒng)綜合防雷的基本組成。

除了遵照圖6中的各個步驟設置鐵路站房以及周邊建筑的綜合防雷系統(tǒng)之外，一些重要的注意事項也會直接決定整個系統(tǒng)的安全性。

a 線纜分類布放。

b 凈線與臟線分開布放。

c 容易遭受大雷電流的線纜與容易遭受較小雷電流的線纜分開布放。

d 減少電源線與通信線間形成的回路面積。

e 電纜分槽布放。

綜上所述，只要在施工的過程中遵照上述原則來制定線纜的排列規(guī)則，就可以起到對綜合防雷系統(tǒng)的輔助作用，從而減少雷害對鐵路站房以及周邊建筑物的損害和破壞。

以上從雷害的基本知識開始，講述了在鐵路站房以及周邊建筑物設置綜合防雷系統(tǒng)的一些基本知識，多數(shù)問題是在防雷補強時發(fā)生的。如果是在建筑物設計階段就考慮防雷，則以上問題就可以得到很大程度上的簡化。綜合防護應當在工程設計建筑、電力、電務（通信和信號）、電氣化供電、信息系統(tǒng)等時通盤考慮，將建筑物地基、鐵路線路、橋、隧道中的接地網(wǎng)、貫通地線等事先按照四電和建筑物防雷和電磁兼容的需要，做好及預留各種功能接地的接地螺栓或接地排。建筑物事先按電磁兼容要求設置屏蔽、布置線纜和設備。

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